動力學主要仿真軟件

1、車輛動力學主要仿真軟件1960 年，美國通用汽車公司研制了動力學軟件 DYNA，主要解決多自由度無約束的機械系統(tǒng)的動力學問題， 進行車輛的 “質量彈簧阻尼”模型分析。 作為第一代計算機輔助設計系統(tǒng)的代表，對于解決具有約束的機械系統(tǒng)的動力學問題， 工作量依然巨大， 而且沒有提供求解靜力學和運動學問題的簡便形式。隨著多體動力學的誕生和發(fā)展，機械系統(tǒng)運動學和動力學軟件同時得到了迅速的發(fā)展。 1973 年, 美國密西根大學的 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)機構的運動學、動力學問題，側重于解決復雜系統(tǒng)的動力學問題， 并應用 GEAR剛性積分算法，

2、采用稀疏矩陣技術提高計算效率。1977 年, 美國 Iowa大學在，研究了廣義坐標分類、奇異值分解等算法并編制了DADS軟件，能夠順利解決柔性體、反饋元件的空間機構運動學和動力學問題。隨后，人們在機械系統(tǒng)動力學、 運動學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械系統(tǒng)。德國航天局 DLR早在 20 世紀 70 年代， Willi Kort üm教授領導的團隊就開始從事 MBS軟件的開發(fā)，先后使用的 MBS軟件有 Fadyna（ 1977）、MEDYNA（1984），以及最終享譽業(yè)界的 SIMPACK（1990）.隨著計算機硬件和數(shù)值積分技術的迅速發(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)基于頻域求解技術的 MEDYNA軟件，并致力于基于時域數(shù)值積分技術的發(fā)展。 1985 年由 DLR開發(fā)的相對坐標系遞歸算法的 SIMPACK軟件問世，并很快應用到歐洲航空航天工業(yè)，掀起了多體動力學領域的一次算法革命。同時， DLR首次在 SIMPACK軟件中將多剛體動力學和有限元分析技術結合起來，開創(chuàng)了多體系統(tǒng)動力學由多剛體向剛柔混合系統(tǒng)的發(fā)展。另外，由于 SIMPACK算法技術的優(yōu)勢，成功地將控制系統(tǒng)和多體精選文庫計算技術結合起來，發(fā)展了實時仿真技術?；诙囿w系統(tǒng)動力學原理的機車車輛分析軟件在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械系統(tǒng)動態(tài)模擬計算， 程序用 Fortran77編寫。其較早的版本均在文本環(huán)境中進行包括剛體數(shù)目、坐標位置、剛體間連結、外界激擾及輸出變量等的定義，使用較為復雜。MEDYNA 在絕對坐標系中定義系統(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行包括靜力學、動力學、特征值、頻域、隨機振動、時域積分、準線性化等計算分析及數(shù)據(jù)和圖形、動畫的后處理功能

5、。MEDYNA 的建模、計算功能極強，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、蠕滑力計算、軌道曲線、軌道不平順輸入以及動力學特性預測，程序也可以考慮車體的模態(tài)。軟件采用相對坐標系，通過人機對話的方式來定義機車車輛結構的幾何尺寸和參數(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)運動方程，給分析計算提供統(tǒng)一的模型。VAMPIRE 建模比較方便，計算效率高，但僅能用

6、于不帶剛性約束車輛系統(tǒng)分析計算， VAMPIRE 側重客車系統(tǒng)建模， 計算功能全面。同樣可以實現(xiàn)包括動力學、特征值、頻域、隨機振動、時域積分等計算分析及數(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中心（ TTC）開發(fā)的，其 1.0 版本在 1989 年面世， NUCARS 軟件也是應用多體系統(tǒng)動力學方法采用相對坐標系進行機車車輛系統(tǒng)的自動建模，由于其針對以貨車為主的鐵路機車車輛進行模擬計算， 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 及以前的版本的機車車輛系統(tǒng)數(shù)據(jù)準備均在文本環(huán)境中進行，在 Version 2.3 的版本中增加了較強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)，可以進行車輛系統(tǒng)的時域內的動力學數(shù)值積分分析， 其缺點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軟件是世界上應用最廣泛的機械系統(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，能完成包括運動學、約束反力求解、特征值、頻域分析、靜力學、準靜力學分析以及完全非線性和線性動力學分析，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構，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。它采用先進的數(shù)值分析技術和強有力的求解器，使計算快速、準確。其最初的版本只針對通用機械系統(tǒng)仿真分析，后期才增加了包含輪軌關系的鐵路模塊。圖 4.3 轉向架分析模型圖 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)的針對機械 /機電系統(tǒng)運動學 /動力學仿真分析的多體動力學分析軟件包。它最初是繼基于頻域求解技術的 MEDYNA 軟件后，德國航空航天局于 1985 年開發(fā)的基于時域數(shù)值積分技術和相對坐標系遞歸算法的、 以多體系

9、統(tǒng)計算動力學為基礎，包含多個專業(yè)模塊和專業(yè)領域的虛擬樣機開發(fā)系統(tǒng)軟件。該軟件首次將多剛體動力學和有限元技術結合起來， 開創(chuàng)了多體系統(tǒng)動力學由多剛體向剛柔多體耦合系統(tǒng)的發(fā)展， 并成功地將控制系統(tǒng)和多體計算技術結合， 發(fā)展了實時仿真技術。 1993 年，SIMPACK軟件從德國航空航天局分離出來，由 INTEC 公司負責 SIMPACK 多體動力學軟件的開發(fā)和市場運作， 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械 /機電系統(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雜多體系統(tǒng)， 并自動形成其動力學方程， 利用各種內置的高效率求解

10、方式， 可以進行靜力學、準靜態(tài)分析、運動學、頻域模態(tài)、時域積分分析等，還有強大的動畫與前、后處理功能等。圖 4.5 側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(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械動力學/運動學仿真分析軟件之一,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算技術，模型修改非常方便、計算速度較快。UM 軟件開發(fā)了汽車模塊、鐵道車輛(包括機車、客車和貨車 )模塊、列車模塊、疲勞分析模塊及優(yōu)化模塊等功能強大的專業(yè)模塊,還設有與CAD 軟件、有限元軟件及控制軟件的接口。與其他車輛動力學仿真分析軟件相比 ,UM 軟件的突出特點是功能強大、 適用性強 ,其子系統(tǒng)建模技術、剛柔耦合系統(tǒng)建模技術、強大的輪軌關系處理功能(如實時繪制輪軌-4精選文庫兩點接