動力學(xué)主要仿真軟件

1、車輛動力學(xué)主要仿真軟件1960 年，美國通用汽車公司研制了動力學(xué)軟件 DYNA，主要解決多自由度無約束的機(jī)械系統(tǒng)的動力學(xué)問題， 進(jìn)行車輛的 “質(zhì)量彈簧阻尼”模型分析。 作為第一代計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的代表，對于解決具有約束的機(jī)械系統(tǒng)的動力學(xué)問題， 工作量依然巨大， 而且沒有提供求解靜力學(xué)和運(yùn)動學(xué)問題的簡便形式。隨著多體動力學(xué)的誕生和發(fā)展，機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)軟件同時得到了迅速的發(fā)展。 1973 年, 美國密西根大學(xué)的 N.Orlandeo 和，研制的 ADAMS軟件，能夠簡單分析二維和三維、 開環(huán)或閉環(huán)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)問題，側(cè)重于解決復(fù)雜系統(tǒng)的動力學(xué)問題， 并應(yīng)用 GEAR剛性積分算法，

2、采用稀疏矩陣技術(shù)提高計(jì)算效率。1977 年, 美國 Iowa大學(xué)在，研究了廣義坐標(biāo)分類、奇異值分解等算法并編制了DADS軟件，能夠順利解決柔性體、反饋元件的空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)問題。隨后，人們在機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)、 運(yùn)動學(xué)的分析軟件中加入了一些功能模塊，使其可以包含柔性體、控制器等特殊元件的機(jī)械系統(tǒng)。德國航天局 DLR早在 20 世紀(jì) 70 年代， Willi Kort üm教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)就開始從事 MBS軟件的開發(fā)，先后使用的 MBS軟件有 Fadyna（ 1977）、MEDYNA（1984），以及最終享譽(yù)業(yè)界的 SIMPACK（1990）.隨著計(jì)算機(jī)硬件和數(shù)值積分技術(shù)的迅速發(fā)展，

3、以及歐洲航空航天事業(yè)需求的增長， DLR決定停止開發(fā)基于頻域求解技術(shù)的 MEDYNA軟件，并致力于基于時域數(shù)值積分技術(shù)的發(fā)展。 1985 年由 DLR開發(fā)的相對坐標(biāo)系遞歸算法的 SIMPACK軟件問世，并很快應(yīng)用到歐洲航空航天工業(yè)，掀起了多體動力學(xué)領(lǐng)域的一次算法革命。同時， DLR首次在 SIMPACK軟件中將多剛體動力學(xué)和有限元分析技術(shù)結(jié)合起來，開創(chuàng)了多體系統(tǒng)動力學(xué)由多剛體向剛?cè)峄旌舷到y(tǒng)的發(fā)展。另外，由于 SIMPACK算法技術(shù)的優(yōu)勢，成功地將控制系統(tǒng)和多體精選文庫計(jì)算技術(shù)結(jié)合起來，發(fā)展了實(shí)時仿真技術(shù)。基于多體系統(tǒng)動力學(xué)原理的機(jī)車車輛分析軟件在90 年代初的發(fā)展已是如日中天。其中幾個比較著名

4、的軟件如下：MEDYNA 軟件MEDYNA 軟件是由德國航空航天研究所于1984 年推出的多體系統(tǒng)模擬軟件。 D.Wallrapp ，C.Futher ，W.kortum 等為此花了近十年的時間。該軟件適用于鐵路、公路車輛、磁懸浮車輛以及一般機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)模擬計(jì)算， 程序用 Fortran77編寫。其較早的版本均在文本環(huán)境中進(jìn)行包括剛體數(shù)目、坐標(biāo)位置、剛體間連結(jié)、外界激擾及輸出變量等的定義，使用較為復(fù)雜。MEDYNA 在絕對坐標(biāo)系中定義系統(tǒng)后由程序自動完成系統(tǒng)方程的生成， 通過選擇不同的模塊進(jìn)行包括靜力學(xué)、動力學(xué)、特征值、頻域、隨機(jī)振動、時域積分、準(zhǔn)線性化等計(jì)算分析及數(shù)據(jù)和圖形、動畫的后處理功能

5、。MEDYNA 的建模、計(jì)算功能極強(qiáng)，提供了帶有FEM 程序的彈性體前處理模塊、廣泛的線性分析方法以及較強(qiáng)的后處理模塊。VAMPIRE 軟件1989 年，由英國鐵路道比研究所推出的 VAMPIRE 軟件，是專門針對鐵路機(jī)車車輛系統(tǒng)開發(fā)的， 軟件具有自動建模功能， 能完成包括輪對模擬、蠕滑力計(jì)算、軌道曲線、軌道不平順輸入以及動力學(xué)特性預(yù)測，程序也可以考慮車體的模態(tài)。軟件采用相對坐標(biāo)系，通過人機(jī)對話的方式來定義機(jī)車車輛結(jié)構(gòu)的幾何尺寸和參數(shù)，也可按規(guī)定格式輸入數(shù)據(jù)文件， 利用建模子程序，自動生成用矩陣形式表示的系統(tǒng)運(yùn)動方程，給分析計(jì)算提供統(tǒng)一的模型。VAMPIRE 建模比較方便，計(jì)算效率高，但僅能用

6、于不帶剛性約束車輛系統(tǒng)分析計(jì)算， VAMPIRE 側(cè)重客車系統(tǒng)建模， 計(jì)算功能全面。同樣可以實(shí)現(xiàn)包括動力學(xué)、特征值、頻域、隨機(jī)振動、時域積分等計(jì)算分析及數(shù)據(jù)和圖形、動畫的后處理功能。-2精選文庫NUCARS 軟件NUCARS 軟件是由北美鐵路協(xié)會 （ AAR ）下屬的普韋布洛試驗(yàn)中心（ TTC）開發(fā)的，其 1.0 版本在 1989 年面世， NUCARS 軟件也是應(yīng)用多體系統(tǒng)動力學(xué)方法采用相對坐標(biāo)系進(jìn)行機(jī)車車輛系統(tǒng)的自動建模，由于其針對以貨車為主的鐵路機(jī)車車輛進(jìn)行模擬計(jì)算， 因此程序中鑲嵌了貨車所特有的斜楔減振器以及心盤、 旁承等摩擦模塊， 而且程序不像 MEDYNA 那樣龐大， Versio

7、n2.1 及以前的版本的機(jī)車車輛系統(tǒng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備均在文本環(huán)境中進(jìn)行，在 Version 2.3 的版本中增加了較強(qiáng)的可視化前后處理功能。 NUCARS 軟件能夠考慮車體的一階模態(tài)，可以進(jìn)行車輛系統(tǒng)的時域內(nèi)的動力學(xué)數(shù)值積分分析， 其缺點(diǎn)是不便于求解特征值問題。圖 4.1 空車分析模型圖 4.2 重車分析模型ADAMS 軟件ADAMS軟件是世界上應(yīng)用最廣泛的機(jī)械系統(tǒng)仿真軟件，由Mechanical Dynamics 公司的 Chance、Orlandea等人于 1981 年最初推出的這一軟件，能完成包括運(yùn)動學(xué)、約束反力求解、特征值、頻域分析、靜力學(xué)、準(zhǔn)靜力學(xué)分析以及完全非線性和線性動力學(xué)分析，具有可視

8、化的二維和三維建模能力，可包括剛體和柔體結(jié)構(gòu)，具有組裝、分析、動態(tài)顯示不同模型或一個模型在某一過程變化中的能力。它采用先進(jìn)的數(shù)值分析技術(shù)和強(qiáng)有力的求解器，使計(jì)算快速、準(zhǔn)確。其最初的版本只針對通用機(jī)械系統(tǒng)仿真分析，后期才增加了包含輪軌關(guān)系的鐵路模塊。圖 4.3 轉(zhuǎn)向架分析模型圖 4.4 車輛分析模型SIMPACK 軟件-3精選文庫SIMPACK 軟件是德國 INTEC Gmbh 公司開發(fā)的針對機(jī)械 /機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)動學(xué) /動力學(xué)仿真分析的多體動力學(xué)分析軟件包。它最初是繼基于頻域求解技術(shù)的 MEDYNA 軟件后，德國航空航天局于 1985 年開發(fā)的基于時域數(shù)值積分技術(shù)和相對坐標(biāo)系遞歸算法的、 以多體系

9、統(tǒng)計(jì)算動力學(xué)為基礎(chǔ)，包含多個專業(yè)模塊和專業(yè)領(lǐng)域的虛擬樣機(jī)開發(fā)系統(tǒng)軟件。該軟件首次將多剛體動力學(xué)和有限元技術(shù)結(jié)合起來， 開創(chuàng)了多體系統(tǒng)動力學(xué)由多剛體向剛?cè)岫囿w耦合系統(tǒng)的發(fā)展， 并成功地將控制系統(tǒng)和多體計(jì)算技術(shù)結(jié)合， 發(fā)展了實(shí)時仿真技術(shù)。 1993 年，SIMPACK軟件從德國航空航天局分離出來，由 INTEC 公司負(fù)責(zé) SIMPACK 多體動力學(xué)軟件的開發(fā)和市場運(yùn)作， 并于 1996 年推出 Wheel/Rail 模塊。SIMPACK 軟件可以用來仿真任何虛擬的機(jī)械 /機(jī)電系統(tǒng)，在三維可視化環(huán)境中， 利用多體系統(tǒng)的各種基本要素組建復(fù)雜多體系統(tǒng)， 并自動形成其動力學(xué)方程， 利用各種內(nèi)置的高效率求解

10、方式， 可以進(jìn)行靜力學(xué)、準(zhǔn)靜態(tài)分析、運(yùn)動學(xué)、頻域模態(tài)、時域積分分析等，還有強(qiáng)大的動畫與前、后處理功能等。圖 4.5 側(cè)架交叉支撐貨車系統(tǒng)SIMPACK 模型UM 軟件俄羅斯布良斯克國立理工大學(xué)(Bryansk State Technical University)Dmitry Pogorelov 教授研發(fā)的 Universal Mechanism(簡稱 UM) 軟件是目前俄羅斯最為通用的機(jī)械動力學(xué)/運(yùn)動學(xué)仿真分析軟件之一,在軌道車輛行業(yè)擁有大量的用戶。 UM 軟件具有高效易用的前后處理功能并支持并行計(jì)算技術(shù)，模型修改非常方便、計(jì)算速度較快。UM 軟件開發(fā)了汽車模塊、鐵道車輛(包括機(jī)車、客車和貨車 )模塊、列車模塊、疲勞分析模塊及優(yōu)化模塊等功能強(qiáng)大的專業(yè)模塊,還設(shè)有與CAD 軟件、有限元軟件及控制軟件的接口。與其他車輛動力學(xué)仿真分析軟件相比 ,UM 軟件的突出特點(diǎn)是功能強(qiáng)大、 適用性強(qiáng) ,其子系統(tǒng)建模技術(shù)、剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)建模技術(shù)、強(qiáng)大的輪軌關(guān)系處理功能(如實(shí)時繪制輪軌-4精選文庫兩點(diǎn)接