張紹東，邱利偉，劉振宇，田粟裕，劉志昆

（1.唐山軌道客車(chē)有限責(zé)任公司, 唐山 063035 ；2.浙江大學(xué) CAD&CG國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 杭州 310027）

高速列車(chē)的設(shè)計(jì)制造是機(jī)電一體化的復(fù)雜工程，涉及機(jī)械結(jié)構(gòu)、電力電子、橋梁道路、空氣流場(chǎng)等技術(shù)。在高速列車(chē)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)、輪軌噪聲、車(chē)體流場(chǎng)和多體動(dòng)力學(xué)等多學(xué)科有限元分析，以確保高速列車(chē)的安全性、快速性和舒適性。為了更好地評(píng)價(jià)多學(xué)科有限元分析的結(jié)果，并直觀地展示高速列車(chē)的運(yùn)行過(guò)程，有必要構(gòu)建一個(gè)高速列車(chē)多學(xué)科仿真集成可視化平臺(tái)。相對(duì)于一般機(jī)電產(chǎn)品的多學(xué)科仿真[1]，高速列車(chē)多學(xué)科仿真集成可視化存在兩方面難點(diǎn)：多學(xué)科有限元分析的結(jié)果數(shù)據(jù)需要通過(guò)異構(gòu)網(wǎng)格的融合處理才能在統(tǒng)一的仿真軟件中集成可視化；高速列車(chē)的海量數(shù)據(jù)難以仿真分析和集成顯示。

本文在高速列車(chē)三維CAD模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)、流場(chǎng)、噪聲等多學(xué)科仿真分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)各類分析軟件與可視化軟件之間的數(shù)據(jù)接口的梳理和開(kāi)發(fā)，研究了模型的網(wǎng)格簡(jiǎn)化方法及異構(gòu)有限元模型之間的網(wǎng)格融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高速列車(chē)多學(xué)科仿真分析結(jié)果在同一可視化平臺(tái)上的集成。

1 多學(xué)科仿真集成平臺(tái)的功能與接口

高速列車(chē)多學(xué)科仿真集成可視化平臺(tái)建立的基本思路是：在高速列車(chē)的三維CAD模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)、流場(chǎng)、噪聲等多學(xué)科仿真，然后將多學(xué)科仿真結(jié)果在統(tǒng)一的軟件界面中可視化；整個(gè)多學(xué)科仿真流程和仿真數(shù)據(jù)由統(tǒng)一的多學(xué)科仿真數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)來(lái)整合管理；某種型號(hào)的高速列車(chē)集成可視化的數(shù)據(jù)文件可以存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，供用戶使用。高速列車(chē)多學(xué)科仿真集成可視化平臺(tái)的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 高速列車(chē)多學(xué)科仿真集成可視化平臺(tái)的構(gòu)架

在多學(xué)科仿真過(guò)程中，高速列車(chē)的原始CAD模型采用Pro/E構(gòu)建，有限元仿真部分采用ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，采用SIMPACK進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，采用FLUENT進(jìn)行流場(chǎng)分析，采用VIRTUAL LAB進(jìn)行輪軌噪聲分析。本文提出了將有限元分析結(jié)果在ENSIGHT軟件中實(shí)現(xiàn)集成可視化。整個(gè)仿真流程由數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)整合管理，仿真結(jié)果及中間文件存儲(chǔ)在底層Oracle多學(xué)科仿真數(shù)據(jù)庫(kù)中，供用戶使用。用于多學(xué)科集成可視化的ENSIGHT軟件具有強(qiáng)大的接口導(dǎo)入功能，能夠識(shí)別大部分有限元軟件的分析結(jié)果，但缺少動(dòng)力學(xué)分析軟件SIMPACK以及振動(dòng)噪聲軟件VIRTUAL LAB的接口，因此進(jìn)行了自行開(kāi)發(fā)。針對(duì)高速列車(chē)多學(xué)科仿真集成可視化平臺(tái)，有限元分析軟件的仿真結(jié)果需要提取的物理量以及與ENSIGHT軟件的接口情況如表1所示，virtual.lab接口開(kāi)發(fā)如圖2所示，simpack軟件接口開(kāi)發(fā)如圖3所示。

表1 Ensight與分析軟件接口情況

圖2 virtual.lab接口開(kāi)發(fā)

圖3 simpack軟件接口開(kāi)發(fā)

2 高速列車(chē)網(wǎng)格模型的簡(jiǎn)化

高速列車(chē)多學(xué)科仿真的顯著特點(diǎn)是海量數(shù)據(jù)，體現(xiàn)在兩個(gè)方面：高速列車(chē)CAD三維模型的數(shù)據(jù)量很大；有限元分析結(jié)果的數(shù)據(jù)量也很大。以高速列車(chē)動(dòng)車(chē)組的頭車(chē)為例，一個(gè)車(chē)頭的Pro/E三維模型就有3 G數(shù)據(jù)量。如此大的數(shù)據(jù)模型不僅難以在普通計(jì)算機(jī)內(nèi)存中儲(chǔ)存，也難以導(dǎo)入有限元軟件中分析。多個(gè)學(xué)科有限元分析的結(jié)果數(shù)據(jù)要導(dǎo)入ENSIGHT軟件中集成顯示，形成的海量數(shù)據(jù)難以實(shí)時(shí)可視化。

采用二次誤差測(cè)度QEM方法[2～3]對(duì)高速列車(chē)的Pro/E原始三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。圖4是車(chē)頭骨架的STL格式的原始模型，圖5是骨架簡(jiǎn)化50%的結(jié)果，圖6是骨架簡(jiǎn)化90%的結(jié)果，可見(jiàn)得到的簡(jiǎn)化結(jié)果在只有原來(lái)節(jié)點(diǎn)數(shù)目10%的情況下，能保證幾何特征和輪廓誤差要求，能夠滿足可視化要求。

圖4 原始模型

圖5 簡(jiǎn)化50%

圖6 簡(jiǎn)化90%

大規(guī)模有限元仿真分析的結(jié)果簡(jiǎn)化涉及到網(wǎng)格面片的幾何模型和節(jié)點(diǎn)信息的物理屬性。有限元仿真分析中運(yùn)用的單元模型眾多，必須將單元模型三角化，從而能夠基于統(tǒng)一的網(wǎng)格模型來(lái)簡(jiǎn)化。在有限元分析的結(jié)果數(shù)據(jù)中，存在很多輔助邊界面片信息，因此需要剔除。由于節(jié)點(diǎn)具有物理屬性，因此需要將屬性值作為節(jié)點(diǎn)的權(quán)值，從而在簡(jiǎn)化過(guò)程中將物理屬性與幾何模型同時(shí)考慮?？紤]到上述問(wèn)題，項(xiàng)目組在原幾何模型簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善，將節(jié)點(diǎn)幾何誤差與節(jié)點(diǎn)物理屬性誤差綜合考慮，從而建立節(jié)點(diǎn)收縮代價(jià)鏈表，進(jìn)行逐步簡(jiǎn)化，具體算法步驟如下：

Step1：在有限元分析的結(jié)果數(shù)據(jù)中，按照幾何數(shù)據(jù)量要求和模型分析可視化要求，抽取出關(guān)鍵簡(jiǎn)化部件，去除冗余信息；

Step2：將有限元分析結(jié)果模型轉(zhuǎn)化為幾何結(jié)構(gòu)模型，從而建立點(diǎn)、邊、面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。建立待簡(jiǎn)化模型的邊節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)鏈表，實(shí)現(xiàn)模型的邊鏈表和節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)，以便于整個(gè)模型的邊鏈表和節(jié)點(diǎn)搜索；

Step3：根據(jù)節(jié)點(diǎn)物理屬性建立節(jié)點(diǎn)向量，并賦予初始權(quán)重值，構(gòu)建各三角形面片的頂點(diǎn)及其物理屬性的網(wǎng)格模型；

Step4：搜索所有的有效邊鏈表，建立各邊的有效收縮點(diǎn)，從而建立所有邊的收縮代價(jià)鏈表，使收縮后面積變化最小；

Step5：在邊收縮代價(jià)鏈表中，選擇代價(jià)最小的進(jìn)行收縮，然后更新邊鏈表的代價(jià)鏈表，繼續(xù)上述收縮操作，直到達(dá)到預(yù)定的簡(jiǎn)化數(shù)目為止；

Step6：將簡(jiǎn)化后的幾何模型，轉(zhuǎn)化成有限元仿真分析模型的結(jié)構(gòu)形式，建立單元模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，生成用于集成可視化的數(shù)據(jù)文件。

按照上述算法，以高速列車(chē)橫風(fēng)仿真分析結(jié)果為例，簡(jiǎn)化前幾何模型數(shù)據(jù)為16 073 K、物理屬性文件為3 097 K，而簡(jiǎn)化95%的模型導(dǎo)出后的幾何模型數(shù)據(jù)為295 K、物理屬性文件為26 K，滿足高速列車(chē)多學(xué)科仿真集成可視化的要求。

3 多學(xué)科仿真異構(gòu)網(wǎng)格的融合

高速列車(chē)多學(xué)科仿真的分析結(jié)果將在ENSIGHT軟件中實(shí)現(xiàn)集成可視化。由于ENSIGHT軟件支持單個(gè)有限元軟件分析結(jié)果的可視化，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)多種有限元軟件分析數(shù)據(jù)的集成可視化，因而需要對(duì)多學(xué)科仿真結(jié)果進(jìn)行異構(gòu)網(wǎng)格的融合處理。各類有限元軟件網(wǎng)格模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)各不相同，通常有限元分析的結(jié)果數(shù)據(jù)由兩部分組成[4]：（1）幾何信息，包括網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)格單元、特征線以及特征面等元素；（2）物理屬性，包括有限元邊界條件、施加的載荷、節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的場(chǎng)量值等信息。

異構(gòu)網(wǎng)格融合的前提是構(gòu)建統(tǒng)一的有限元網(wǎng)格模型。網(wǎng)格模型的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下所示，統(tǒng)一有限元模型中的節(jié)點(diǎn)數(shù)目和單元大小根據(jù)集成可視化的要求確定。

在統(tǒng)一的有限元網(wǎng)格模型的節(jié)點(diǎn)上賦予物理屬性值，這需要進(jìn)行空間節(jié)點(diǎn)間的插值運(yùn)算，算法步驟如下：

Step1：根據(jù)統(tǒng)一模型中某節(jié)點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，記為P(xP, yP, zP)，搜索原始有限元分析的結(jié)果文件中距離P點(diǎn)最近的節(jié)點(diǎn)，并記為Q；

Step2：從Q點(diǎn)開(kāi)始，在原始有限元分析的結(jié)果文件中查找Q點(diǎn)的相鄰節(jié)點(diǎn)，以及其他相鄰點(diǎn)等，將這組節(jié)點(diǎn)記為{Q}，使得{Q}構(gòu)成的單元體包含P點(diǎn)，并到P點(diǎn)的距離之和最?。?/p>

Step3：以P點(diǎn)到{Q}中各點(diǎn)的距離為權(quán)重，根據(jù){Q}中各節(jié)點(diǎn)的物理屬性值計(jì)算P點(diǎn)對(duì)應(yīng)的物理屬性值。

按照上述方法即可獲得統(tǒng)一的有限元網(wǎng)格模型中的節(jié)點(diǎn)物理屬性值，實(shí)現(xiàn)高速列車(chē)多學(xué)科仿真過(guò)程中異構(gòu)網(wǎng)格的融合。

4 高速列車(chē)多學(xué)科集成可視化實(shí)例

目前京滬高速鐵路中使用的CRH-3型高速動(dòng)車(chē)組由中國(guó)北車(chē)集團(tuán)唐山車(chē)輛廠負(fù)責(zé)研發(fā)和生產(chǎn)。在高速動(dòng)車(chē)組列車(chē)設(shè)計(jì)階段，通過(guò)讀取Pro/E模型數(shù)據(jù)和有限元仿真數(shù)據(jù)，進(jìn)行CAD網(wǎng)格模型簡(jiǎn)化和有限元網(wǎng)格模型簡(jiǎn)化，在多學(xué)科異構(gòu)網(wǎng)格融合的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了高速列車(chē)的集成可視化，在同一平臺(tái)下同時(shí)獲知不同物理場(chǎng)的結(jié)果信息，更直觀地展示出各場(chǎng)間的相互影響和聯(lián)系。隧道中的運(yùn)動(dòng)學(xué)和外流場(chǎng)集成可視化如圖7所示。內(nèi)流場(chǎng)與振動(dòng)模態(tài)集成可視化如圖8所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

圖7 隧道中的運(yùn)動(dòng)學(xué)和外流場(chǎng)集成可視化

圖8 內(nèi)流場(chǎng)與振動(dòng)模態(tài)集成可視化

高速列車(chē)多學(xué)科仿真集成可視化平臺(tái)，通過(guò)對(duì)高速列車(chē)的三維CAD模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)、流場(chǎng)、噪聲等多學(xué)科仿真，實(shí)現(xiàn)多學(xué)科仿真結(jié)果的集成可視化。本文開(kāi)發(fā)了相關(guān)軟件之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，著重研究了高速列車(chē)海量數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)化與多學(xué)科異構(gòu)網(wǎng)格的融合技術(shù)。集成可視化平臺(tái)可以更好地評(píng)價(jià)高速列車(chē)多學(xué)科有限元分析的結(jié)果，為研究從多場(chǎng)的角度考慮各單場(chǎng)之間對(duì)整車(chē)的性能影響以及各單場(chǎng)之間的相互影響關(guān)系提供了手段和技術(shù)支持。

[1]Gupta R, Whitney D, Zeltzer D. Prototyping and design for assembly analysis using multimodal virtual environments [J].Computer-aided design, 1997, 29(8): 585-597.

[2]盧 威，曾定浩，潘金貴.支持外觀屬性保持的三維網(wǎng)格模型簡(jiǎn)化[J]. 軟件學(xué)報(bào)，2009，20（3）：713-723.

[3]張亞萍， 熊 華，姜曉紅，石教英. 大型網(wǎng)格模型簡(jiǎn)化和多分辨率技術(shù)綜述[J]. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2010， 22（4）：559-568.

[4]劉振宇， 傅 云，譚建榮. 基于異構(gòu)網(wǎng)格耦合的產(chǎn)品多物理場(chǎng)有限元數(shù)據(jù)集成與可視化仿真[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010， 46（7）：114-121.