動力學(xué)主要仿真軟件

1、車輛I960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得機(jī)械系統(tǒng)得動力學(xué)問題，進(jìn)行車輛得“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)得代表，對于解決具有約束得機(jī)械系統(tǒng)得動力學(xué)問題，工作量依然巨大，而且沒有提供求解靜力學(xué)與運(yùn)動學(xué)問題得簡便形式。隨著多體動力學(xué)得誕生與發(fā)展，機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)軟件同時得到了迅速得發(fā)展。1973年，美國密西根大學(xué)得N、Orlandeo與，研制得ADAMS軟件，能夠簡單分析二維與三維、開環(huán)或閉環(huán)機(jī)構(gòu)得運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)問題，側(cè)重于解決復(fù)雜系統(tǒng)得動力學(xué)問題，并應(yīng)用GEAR剛性積分算法，采用稀疏矩陣技術(shù)提高計(jì)算效率。1977年,美國Iow

2、a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、反饋元件得空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)問題。隨后，人們在機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)、運(yùn)動學(xué)得分析軟件中加入了一些功能模塊，使其可以包含柔性體、控制器等特殊元件得機(jī)械系統(tǒng)。德國航天局DLR早在20世紀(jì)70年代，WilliKortum教授領(lǐng)導(dǎo)得團(tuán)隊(duì)就開始從事MBS軟件得開發(fā)，先后使用得MBS軟件有Fadyna(1977)、MEDYNA(1984)，以及最終享譽(yù)業(yè)界得SIMPACK(1990)、隨著計(jì)算機(jī)硬件與數(shù)值積分技術(shù)得迅速發(fā)展，以及歐洲航空航天事業(yè)需求得增長，DLR決定停止開發(fā)基于頻域求解技術(shù)得MEDYNA軟件，并致力于基于

3、時域數(shù)值積分技術(shù)得發(fā)展。1985年由DLR開發(fā)得相對坐標(biāo)系遞歸算法得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)域得一次算法革命。同時，DLR首次在SIMPACK軟件中將多剛體動力學(xué)與有限元分析技術(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)得發(fā)展。另外，由于SIMPACK算法技術(shù)得優(yōu)勢，成功地將控制系統(tǒng)與多體計(jì)算技術(shù)結(jié)合起來，發(fā)展了實(shí)時仿真技術(shù)?；诙囿w系統(tǒng)動力學(xué)原理得機(jī)車車輛分析軟件在90年代初得發(fā)展已就是如日中天。其中幾個比較著名得軟件如下：MEDYNA軟件MEDYNA軟件就是由德國航空航天研究所于1984年推出得多體系統(tǒng)模擬軟件。D、Wallrapp

4、,C、Futher,W、kortum等為此花了近十年得時間。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。其較早得版本均在文本環(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得定義，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)方程得生成，通過選擇不同得模塊進(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)與圖形、動畫得后處理功能。MEDYNA得建模、計(jì)算功能極強(qiáng)，提供了帶有FEM程序得彈性體前處理模塊、廣泛得線性分析方法以及較強(qiáng)得后處理模塊。VAMPIRE軟件1989年

5、，由英國鐵路道比研究所推出得VAMPIRE軟件，就是專門針對鐵路機(jī)車車輛系統(tǒng)開發(fā)得，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得模態(tài)。軟件采用相對坐標(biāo)系，通過人機(jī)對話得方式來定義機(jī)車車輛結(jié)構(gòu)得幾何尺寸與參數(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得系統(tǒng)運(yùn)動方程，給分析計(jì)算提供統(tǒng)一得模型。VAMPIRE建模比較方便，計(jì)算效率高，但僅能用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)與圖形、動畫

6、得后處理功能。NUCARS軟件NUCARS軟件就是由北美鐵路協(xié)會(AAR)下屬得普韋布洛試驗(yàn)中心(TTC)開發(fā)得，其1、0版本在1989年面世，NUCARS軟件也就是應(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)得自動建模，由于其針對以貨車為主得鐵路機(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得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，Version2、1及以前得版本得機(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Version2、3得版本中增加了較強(qiáng)得可視化前后處理功能。NUCARS軟件能夠考慮車體得一階模態(tài)，可以進(jìn)行車輛系統(tǒng)得時域內(nèi)得動力學(xué)數(shù)值積分分析，其

7、缺點(diǎn)就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軟件就是世界上應(yīng)用最廣泛得機(jī)械系統(tǒng)仿真軟件，由MechanicalDynamics公司得Chance、Orlandea等人于1981年最初推出得這一軟件，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與線性動力學(xué)分析，具有可視化得二維與三維建模能力，可包括剛體與柔體結(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得能力。它采用先進(jìn)得數(shù)值分析技術(shù)與強(qiáng)有力得求解器，使計(jì)算快速、準(zhǔn)確。其最初得版本只針對通用機(jī)械系統(tǒng)仿真分析，后期才增加了包含輪軌關(guān)系得鐵路

8、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SIMPACK軟件就是德國INTECGmbh公司開發(fā)得針對機(jī)械/機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)/動力學(xué)仿真分析得多體動力學(xué)分析軟件包。它最初就是繼基于頻域求解技術(shù)得MEDYNA軟件后，德國航空航天局于1985年開發(fā)得基于時域數(shù)值積分技術(shù)與相對坐標(biāo)系遞歸算法得、以多體系統(tǒng)計(jì)算動力學(xué)為基礎(chǔ)，包含多個專業(yè)模塊與專業(yè)領(lǐng)域得虛擬樣機(jī)開發(fā)系統(tǒng)軟件。該軟件首次將多剛體動力學(xué)與有限元技術(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)得發(fā)展，并成功地將控制系統(tǒng)與多體計(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

9、，由INTEC公司負(fù)責(zé)SIMPACK多體動力學(xué)軟件得開發(fā)與市場運(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得機(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)得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)置得高效率求解方式，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)大得動畫與前、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)（BryanskStateTechnicalUniversity）DmitryPogorelov教授研發(fā)得UniversalMechanism（簡稱UM）軟件就是目前俄羅斯最為通用得機(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)擁有大量得用戶。UM軟件具有高效易用得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、客車與貨車）模塊、列車模塊、疲勞分析模塊及優(yōu)化模塊等功能強(qiáng)大得專業(yè)模塊，還設(shè)有與CAD軟件、有限元軟件及控制軟件得接口。與其她車輛動力學(xué)仿真分析軟件相比,UM軟件得突出特點(diǎn)就是功能強(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)大得輪軌關(guān)系處理功能（如實(shí)時繪制輪軌兩點(diǎn)