軌道交通車輛動力學實時模型的搭建方法

2023-07-04 13:37:31

專利名稱：軌道交通車輛動力學實時模型的搭建方法
技術領域：
本發明涉及動力學實時模型的搭建技術領域，更具體地說，涉及一種軌道交通車輛動力學實時模型的搭建方法。
背景技術：
軌道交通車輛的動力學模型包括:輪軌動力學模型和整車動力學模型兩部分,其中，輪軌動力學模型主要描述車輪與軌道在部分工況下的接觸受力運動關係，整車動力學模型主要描述輪軌上部的轉向架系統以及車身部分的動力學特性。目前，軌道交通車輛動力學模型開發是採用數學方法建立軌道交通車輛系統動力學方程，並結合動力學方程特點建立模型求解器對動力學方程進行求解，得到軌道交通車輛系統各部件上的運動狀態(節點受力，節點加速度，節點速度以及部件位移)的一系列活動。目前常見的軌道交通車輛動力學模型搭建通常有兩種方法:第一種是採用多剛體動力學模型建模方法建立軌道車輛多體動力學模型，模型建立過程中需要大量建立代數微分方程和常微分方程，並需要編寫特定的求解器來進行求解，通常我們採用市面上比較成熟的商業軟體V1-Rail和Simpack建立車輛多體動力學模型並調用該類軟體已經建立好的求解器進行求解。通常這些商業工具的專業多體動力學方程求解器求解穩定，計算結果準確。第二種是基於軌道交通輪軌動力學接觸力計算常用的卡爾卡理論以及軌道交通車輛轉向架動力學方程，在通用的數學模型建模環境MATLAB/Simulink軟體中搭建軌道車輛制動控制器測試輪軌模型以及整車動力學模型。模型搭建方法主要是根據軌道車輛各部件力學拓撲結構關係，以及卡爾卡理論為基礎，從底層到頂層、從軌道、輪軌、轉向架到車身逐步搭建的方法建立模型，並調用MATLAB/Simulink軟體中自帶的通用微分方程求解器對其進行求解。這種方法不需要藉助專業仿真分析工具，模型建立靈活度比較大，求解速度比較快。但是，上述的第一種方法，由於採用專業建模和求解工具展開工作，所以模型建立靈活度差；雖然專業工具建模求解精度高，但是求解速度慢，沒法滿足硬體在環控實時仿真的要求，沒法實現定步長仿真，且求解收斂時間不確定。上述的第二種方法，由於建模採用由部件到系統逐步建模的方法，因此當模型規模比較大時建模困難，且雖然模型計算速度能夠比較快，但計算結果的準確性不夠。綜上所述，採用現有的兩種方法建立軌道交通實時模型開展軌道交通行業相關控制器的開發和硬體在環測試都具有非常大的局限性，一種是不能滿足實時性要求，一種是準確度不夠高，建模複雜，工程技術人員難以掌握，因此，嚴重製約了軌道交通行業控制器開發過程中硬體在環測試工作的開展。

發明內容
有鑑於此，本發明提供一種軌道交通車輛動力學實時模型的搭建方法，能夠使得搭建的模型同時滿足仿真精度和模型仿真實時性的要求。為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案為:一種軌道交通車輛動力學實時模型的搭建方法，包括:利用V1-Rail搭建整車動力學模型和輪軌模型；利用V1-Rail對所述動力學模型和軌道模型進行離散的動力學分析；對動力學分析結果中的參數進行識別和提取；根據所述參數生成參數特性插值表；利用所述參數特性插值表在MATLAB或Simulink中搭建實時的輪軌模型以及整車動力學模型。優選地，所述利用V1-Rail搭建整車動力學模型和輪軌模型具體為:對輪軌接觸部分和需要採用複雜代數微分方程的部分，利用V1-Rail搭建整車動力學模型和輪軌模型。優選地，所述動力學分析為:離散工況動力學仿真。優選地，所述對動力學分析結果中的參數進行識別和提取具體為:對離散工況動力學結果中的關鍵特徵參數進行識別和提取。優選地，所述關鍵特徵參數為:蠕滑力和蠕滑率數據。優選地，所述根據所述參數生成參數特性插值表具體為:對所述蠕滑力和蠕滑率數據進行處理後，生成蠕滑力或蠕滑率隨時間以及制動力矩或牽引力矩的數據表；對所述數據表進行插值計算後生成不同時刻、不同制動力矩或牽引力矩作用下輪軌之間的蠕滑力的插值表。從上述的技術方案可以看出，本發明公開的一種軌道交通車輛動力學實時模型的搭建方法，利用V1-Rail搭建整車動力學模型和輪軌模型，並對搭建的模型進行離散的動力學分析，對動力學分析的結果中的參數進行識別和提取，根據提取的參數生成參數特性插值表，由於通過V1-Rail建立的模型不用對複雜方程進行求解，因此仿真速度快，能夠有效解決實時模型仿真速度不夠快的問題，同時由於模型是通過成熟的V1-Rail商業軟體建模計算轉換而來的，因此模型計算結果的準確性也有保證；隨後，利用參數特性插值表在MATLAB或Simulink中搭建實時的輪軌模型以及整車動力學模型，通過在MATLAB或Simulink中搭建軌道交通車輛動力學實時模型既能保證模型計算結果的準確性又能滿足計算速度實時性的要求。


為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發明實施例公開的一種軌道交通車輛動力學實時模型的搭建方法的流程圖；圖2為本發明另一實施例公開的一種軌道交通車輛動力學實時模型的搭建方法的流程圖。
具體實施例方式下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。本發明實施例公開了一種軌道交通車輛動力學實時模型的搭建方法，能夠使得搭建的模型同時滿足仿真精度和模型仿真實時性的要求。如圖1所示，一種軌道交通車輛動力學實時模型的搭建方法，包括:S101、利用V1-Rail搭建整車動力學模型和輪軌模型；S102、利用V1-Rail對所述動力學模型和軌道模型進行離散的動力學分析；S103、對動力學分析結果中的參數進行識別和提取；S104、根據所述參數生成參數特性插值表；S105、利用所述參數特性插值表在MATLAB或Simulink中搭建實時的輪軌模型以及整車動力學模型。在上述方法中，利用V1-Rail搭建整車動力學模型和輪軌模型，並對搭建的模型進行離散的動力學分析，對動力學分析的結果中的參數進行識別和提取，根據提取的參數生成參數特性插值表，由於通過V1-Rail建立的模型不用對複雜方程進行求解，因此仿真速度快，能夠有效解決實時模型仿真速度不夠快的問題，同時由於模型是通過成熟的V1-Rail商業軟體建模計算轉換而來的，因此模型計算結果的準確性也有保證；隨後，利用參數特性插值表在MATLAB或Simulink中搭建實時的輪軌模型以及整車動力學模型，通過在MATLAB或Simulink中搭建軌道交通車輛動力學實時模型既能保證模型計算結果的準確性又能滿足計算速度實時性的要求。本發明的另一實施例還公開了一種軌道交通車輛動力學實時模型的搭建方法，如圖2所示,包括:S201、對輪軌接觸部分和需要採用複雜代數微分方程的部分，利用V1-Rail搭建整車動力學模型和輪軌模型；S202、利用V1-Rail對所述動力學模型和軌道模型進行離散工況動力學仿真；S203、對仿真結果中的蠕滑力和蠕滑率數據進行識別和提取；S204、對所述蠕滑力和蠕滑率數據進行處理後，生成蠕滑力或蠕滑率隨時間以及制動力矩或牽引力矩的數據表；S205、對所述數據表進行插值計算後生成不同時刻、不同制動力矩或牽引力矩作用下輪軌之間的蠕滑力的插值表；S206、利用所述插值表在MATLAB或Simulink中搭建實時的輪軌模型以及整車動力學模型。具體的，在上述實施例中，首先對模型中比較複雜的，特別是輪軌接觸模型部分和部分需要採用複雜代數微分方程的部分採用在商業軟體V1-Rail中建立詳細準確的模型，並利用V1-Rail對建立的動力學模型和軌道模型進行離散工況動力學仿真，對仿真結果中的關鍵特徵參數蠕滑力和蠕滑率數據進行識別和提取，輸出蠕滑力和蠕滑率隨時間變化的曲線關係，接著對上一步輸出的蠕滑力和蠕滑率數據進行有效的處理，生成蠕滑力(或蠕滑率)隨時間以及制動力矩(或牽引力矩)的數據表，利用此表可快速插值計算不同時刻、不同制動(或牽引)力矩作用下輪軌之間的蠕滑力，最後在Matlab或Simulink中利用上述數據表快速搭建可實時的輪軌接觸以及整車動力學模型。本發明公開的這種方法大大降低了建模的難度，將現有技術中複雜的輪軌接觸算法集成到通用的軟體V1-Rail中，且經過了國際相關協會的認證，因此，其建模簡單、結構可靠。利用本發明公開的方法搭建的輪軌模型以及整車動力學實時模型能夠達到計算結果準確和模型計算時間實時性方面的要求，可以滿足軌道車輛相關控制器硬體在環測試仿真的要求，對軌道交通行業相關控制器的開發可起到積極的推動作用。本說明書中各個實施例採用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或範圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制於本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的範圍。
權利要求
1.一種軌道交通車輛動力學實時模型的搭建方法，其特徵在於，包括: 利用V1-Rail搭建整車動力學模型和輪軌模型； 利用V1-Rail對所述動力學模型和軌道模型進行離散的動力學分析； 對動力學分析結果中的參數進行識別和提取； 根據所述參數生成參數特性插值表； 利用所述參數特性插值表在MATLAB或Simulink中搭建實時的輪軌模型以及整車動力學模型。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述利用V1-Rail搭建整車動力學模型和輪軌模型具體為: 對輪軌接觸部分和需要採用複雜代數微分方程的部分，利用V1-Rail搭建整車動力學模型和輪軌模型。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述動力學分析為:離散工況動力學仿真。
4.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述對動力學分析結果中的參數進行識別和提取具體為: 對離散工況動力學仿真結果中的關鍵特徵參數進行識別和提取。
5.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述關鍵特徵參數為:蠕滑力和蠕滑率數據。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述根據所述參數生成參數特性插值表具體為: 對所述蠕滑力和蠕滑率數據進行處理後，生成蠕滑力或蠕滑率隨時間以及制動力矩或牽引力矩的數據表； 對所述數據表進行插值計算後生成不同時刻、不同制動力矩或牽引力矩作用下輪軌之間的蠕滑力的插值表。
全文摘要
本發明公開了一種軌道交通車輛動力學實時模型的搭建方法，包括利用VI-Rail搭建整車動力學模型和輪軌模型；利用VI-Rail對所述動力學模型和軌道模型進行離散的動力學分析；對動力學分析結果中的參數進行識別和提取；根據所述參數生成參數特性插值表；利用所述參數特性插值表在MATLAB或Simulink中搭建實時的輪軌模型以及整車動力學模型。本發明能夠使得搭建的模型同時滿足仿真精度和模型仿真實時性的要求。
文檔編號G06F17/50GK103150450SQ201310099840
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月26日 優先權日2013年3月26日
發明者唐超勇, 康康, 黃千 申請人:北京經緯恆潤科技有限公司