1、基于 SIMPACK 的刚柔耦合车体动力学性能分析摘要：本文介绍了在 SIMPACK 软件中建立柔性体的方法；建立了刚柔耦合的铁道货车的柔性车体系统模型；对车体系统进行动力学分析，并通过仿真结果与实测数据的比较，证明了刚柔耦合车体模型比刚体车体模型更为准确。 关键词：货车；车体；SIMPACK；刚柔耦合 Abstract: This paper introduces the method of establishing the flexible body in SIMPACK software; establish a flexible body system model of railway
2、 freight car rigid-flexible coupling; dynamic analysis of the car body system, and the simulation results are compared with experimental data, proved the rigid-flexible coupling vehicle model than rigid body model is more accurate. Keywords: truck; vehicle; SIMPACK; rigid-flexible coupling 中图分类号：O31
3、3 文献标识码：A 0 引言 随着国民经济的持续高速发展，人们对铁路运输的质量和水平提出了越来越高的要求。客车高速化、货车重载化、轻量化已成为铁路运输发展的时代主题。其中轻量化使得车体刚度降低，较大的动载荷和较低的车体刚度引起车体大的弹性变形。使得弹性变形对车辆的动力学性能的影响越来越大。车体的振动加速度增大，加速度的频率成份复杂化，出现高频颤振，对货车的运行安全性及货物的安全带来很大的影响，这种颤振表现为车体整体或局部有明显的抖动现象，而且振动频率较高,引起车体疲劳破坏缩短车辆寿命周期。轻量化设计后的重载货车会出现不同程度的车体颤振现象，引起车体垂向加速度的过大。引起颤振的原因初步分析认为车
4、体这种振动与车体弹性振动共振和车体某些耦合振动有关，这些都将会影响到整车的动力学性能及寿命。以往的车辆动力学研究中，通常把架的车体都考虑成为刚体，不考虑结构弹性变形的影响，这对于低速运行的车辆是可以的，但对于高速运行的车辆，特别是车辆结构轻量化的发展，车体的弹性变形对车辆系统振动特性的影响不能被忽略。 本文利用 ANSYS 和 SIMPACK 软件建立车体的刚柔耦合模型，并将该模型与刚体模型的仿真结果与实测数据进行系统振动响应分析。 1 刚柔耦合建模理论 SIMPACK 采用的柔性体离散化方法与继承柔性体模态分析的方法及对集成有限元模型的多体基础理论。 模态集成法 模态集成法的基本原理是将柔性
5、体视为有限元模型的节点的集合，相对于局部坐标系有小的线性变形，而此局部坐标系做大的非线性整体平动和转动。每个节点的线性局部运动近似为模态振型或模态振型向量的线性叠加。如果局部坐标系的位置用它在惯性参考系中的迪卡尔坐标和反映方位的欧拉角来表示，模态坐标用（m 为模态坐标数）来表示，则柔性体的广义坐标可选为： （1-1） 式中：x,y 和 z 是局部坐标系相对于整体坐标系得空间位置；，和是局部坐标系相对于整体坐标系原点的欧拉角；是第 m 阶模态振幅的振型分量。 最后可得到 SIMPACK 的柔性体方程如下： （1-2） 1.2 集成有限元模型的多体理论分析 在有限元分析中，分析对象划分的网格节点，
6、是相对于对象本身的某一惯性坐标。为了描述方便，一般将惯性坐标固定连载物体的一端，并将坐标的一个轴线与物体的轴线重合。将有限元分析的柔体加入多体系统中，需将柔体作相对的位移，即需要将柔体分析的有限元方程乘以转换矩阵，从而实现由局部坐标向整个模型的惯性坐标的转换。 采用拉格朗日方法建立的多体系统动力学，当代入其各项因子后，其简化形式如有限元方程： （1-3） 在 SIMPACK 软件中，所有的钢体柔体都使用一个随刚体和柔体运动的浮动局部坐标（Local Floating Reference Frame） 。当刚体或柔体运动时，对于系统求解的每一步，从局部坐标向惯性坐标系转换的相关矩阵也必须更新，但
7、惯性坐标系下的矩阵不需要重新形成，从而提高了系统的求解效率。如果假定柔体的变形应力在材料的线性变化范围内。关于集成了有限元模型的多体系统的求解是在多体模型的基础上，预先求得柔性体与多体系统的作用点得力、力矩、位移、速度、加速度等边界条件，柔性体以此边界条件求出变形与力、力矩，与多刚体模型的结果进行对比，如果误差较大，可进入下一步求解，此时以柔性体的变形或力、力矩为已知条件，求得系统对此作用点相应的力、力矩或位移。直到误差达到规定的范围。 刚柔耦合模型建立 在 SIMPACK 中建立柔性体 在 SIMPACK 中建立柔性体模型，首先需要产生准确的多刚体模型，然后用柔性体取代要考虑成柔性体的结构元
8、件。FEMBS 是 SIMPACK 和其它如 ANSYS、NASTRAT 等有限元分析代码之间的接口程序，允许将有限元分析的物理模型数据转化为标准代码，即将有限元模型的柔性体特性输入到运动方程，形成柔性体数据的标准输入数据文件（SID 文件） 。SID 文件可以通过接口程序 FEMBS 的 FEM 模块写入，同时将柔性数据整理成SIMPACK 可读格式。具体操作流程如图 1 所示。 图 1 仿真建模流程图 在有限元分析中，复杂柔性结构的运动可以通过大量的节点坐标描述。SIMPACK 对刚体运动的代码使用非线性表示，柔性体的变形通过相对较少的模态坐标进行表示。有限元是柔性体结构应力应变计算的有效
9、工具，然而由于柔性结构自由度过于巨大，且动载荷工况仿真计算非常耗时，因此有限元分析主要分析小位移和少数工况的动力学性能分析。相反，利用多体系统仿真可以对非常复杂非线性机械系统进行有效的仿真。为了得到 SID 文件，要用 FEM 代码对柔性体结构进行分析，代码中应包括模型的几何信息（节点位置及其连接） 、节点质量和转动惯量、模型的模态频率、模态质量和模态刚度等信息。 2.2 建立刚柔耦合车体模型 根据车体结构图纸，在有限元分析软件 ANSYS5.7 中建立车体的几何结构模型。采用 SHELL63 板壳单元和 MASS21 质量单元，对车体进行有限元离散，最终车体划分 16160 个单元，1462
10、6 个节点，车体有限元模型如图 2 所示。 图 2 车体有限元模型 利用 SIMPCAK 和 ANSYS 之间的接口程序 FEMBS 可以生成柔性体仿真时所需要的柔性体模型文件。首先导入车体结构利用有限元软件 ANSYS子结构分析生成的结果文件，最后在接口程序中创建车体结构的 fbi 文件。这样就可以在 SIMPACK 的软件中将多体系统刚性车体模型替换为柔性车模型。在替换过程中同时要将原来与刚体车体连接的 Marker 点用弹性体的 Marker 点全部替换过来，这样就可以进行柔性车体结构仿真计算。为了计算分析结构振动的影响，利用 SIMPACK 软件建立两种车辆系统动力学模型，分别为：一、
11、多刚体车辆系统动力学模型；二、考虑车体弹性的车辆系统所建的模型如图 3图 4 所示。 图 3 多刚体车辆系统动力学模型图 4 车体为柔性体动力学模型 车辆系统振动特性对比分析 车辆系统振动特性主要是车辆运行过程中的振动位移和振动加速度响应反映，特别是振动加速度是衡量车辆运行品质的重要指标。 3.1 车体结构振动位移对比 图 5 为速度 120km/h 的情况下刚柔耦合车辆系统与多刚体车辆系统在车体质心的振动位移比较。从图中可以看出考虑车体弹性的振动位移略大于刚性车体的振动位移，这是因为车辆在运行过程中激发了结构的弹性变形。但刚性车体和柔性车体的差别不是很大，所以把车体是否看成柔性体对车辆运行的
12、横移量影响不大。 图 5 120km/h 车体质心振动位移 3.2 车体结构振动加速度对比分析 图 6 为在速度分别为 120km/h 情况下刚柔耦合车辆与多刚体车辆系统在车体质心的振动加速度比较，车体的弹性振动和速度。车体的弹性振动和速度又很大关系，一方面随着速度的变化，轨道激扰时间谱也发生变化，可能激励起不同的弹性振动模态，从图中可以看出弹性振动加速度比刚性车体的加速度大很多，虽然位移差别不大，但加速度差别很大，可能是因为弹性振动包含的高频成分使得加速度放大。 图 6 120km/h 车体质心振动加速度和加速度 FFT 比较 4 结束语 通过对比分析刚柔耦合车辆系统和多刚体车辆系统振动位移
13、，振动加速度以及加速度 FFT 等振动特征，从对比结果来看，考虑车体柔性的刚柔耦合车辆系统，车体振动位移和振动加速度都大于多刚体车辆系统，并且加速度振动频域高于多刚体系统，能计算出传统刚性体计算不出的危险振动频率。 参考文献 1任尊松，孙守光，刘志明.考虑构架弹性客车动力学仿真J.铁道学报，2004，26（4） 2赵希芳.ADAMS 中的柔性体分析研究J. 电子机械工程，2006，22（3） 3石珍强，徐培民.ADAMS 刚柔耦合多体动力学建模.J.安徽工业大学学报，2007，24（1） 4缪炳荣,肖守讷,金鼎昌.应用 Simpack 对复杂机车系统建模与分析方法的研究J.机械科学与技术，2006，7（25） 5火进,任尊松,谢基龙,转 K2 转向架交叉杆结构振动与受力特性J.北京交通大学学报，2005，29
