唐 兆， 朱允瑞， 聶隱愚， 張衛(wèi)華

（西南交通大學(xué)牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031）

CAD／CAE集成的高速列車子系統(tǒng)仿真分析一體化平臺

唐 兆， 朱允瑞， 聶隱愚， 張衛(wèi)華

（西南交通大學(xué)牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031）

為了使現(xiàn)有的通用商業(yè)多體動力學(xué)與有限元軟件能滿足高速列車子系統(tǒng)仿真建模的需求，利用開源組件和動態(tài)封裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)了可擴(kuò)展彈性仿真平臺架構(gòu)框架，并基于該框架以高速列車弓網(wǎng)系統(tǒng)為例開發(fā)了高速列車子系統(tǒng)仿真平臺（TPL．PC）．該仿真平臺的構(gòu)建表明，所提出的框架能夠提供幾何建模、網(wǎng)格生成與編輯、數(shù)值代碼求解和三維實(shí)時(shí)可視化高速列車仿真平臺所需的常用功能，解決了子系統(tǒng)幾何模型和仿真模型在這些環(huán)節(jié)中的互用性問題，使得各異構(gòu)子系統(tǒng)之間在仿真計(jì)算迭代步的中間結(jié)果數(shù)據(jù)和最終仿真結(jié)果文件交換通暢．

仿真平臺；軟件架構(gòu)；弓網(wǎng)系統(tǒng)；高速列車

高速列車大系統(tǒng)動力學(xué)（high-speed train vast system dynamics）是為適應(yīng)高速列車在我國的快速發(fā)展而建立起來的工程學(xué)科分支［1-2］，涉及弓網(wǎng)、輪軌、流固和機(jī)電等多個(gè)領(lǐng)域，其中一些子系統(tǒng)（如弓網(wǎng)系統(tǒng)）在仿真分析時(shí)，通常采用兩種方式：一種是直接使用通用目的的商業(yè)軟件包，另一種是使用專門針對弓網(wǎng)系統(tǒng)的專用軟件包．通用目的的商業(yè)軟件包主要指用于一般機(jī)械系統(tǒng)的多體動力學(xué)或有限元分析的軟件包．基于通用目的的軟件包對弓網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析已有文獻(xiàn)研究，如使用商業(yè)有限元軟件包MSC-Marc建立弓網(wǎng)系統(tǒng)模型，分析隨機(jī)風(fēng)場對弓網(wǎng)系統(tǒng)動態(tài)性能的影響［3］；使用商業(yè)有限元軟件SAMCEF分析弓網(wǎng)接觸動態(tài)性能，進(jìn)行參數(shù)敏感性分析和性能優(yōu)化［4-5］；利用有限元Ansys和多體動力學(xué)軟件Simpack采用虛擬樣機(jī)的理念對受電弓零部件強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核，計(jì)算接觸網(wǎng)振動模態(tài)和自振頻率，分析接觸網(wǎng)動應(yīng)力及疲勞可靠性［6］．另一種方式是專門針對弓網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)的軟件包，可以分為兩類：一類是自行開發(fā)數(shù)學(xué)模型、前后處理和數(shù)值計(jì)算方法，如：西南交通大學(xué)基于自行建立的受電弓／接觸網(wǎng)耦合系統(tǒng)理論計(jì)算模型，開發(fā)了PCRUN弓網(wǎng)動力學(xué)系統(tǒng)仿真軟件，建立了功能相對完善的弓網(wǎng)系統(tǒng)仿真計(jì)算工具［7］；歐洲在2005—2007年間聯(lián)合各鐵路機(jī)構(gòu)進(jìn)行EUROPAC項(xiàng)目研究，其中法國國家鐵路公司（SNCF）開發(fā)的有限元軟件OSCAR主要用于接觸網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模擬，IST開發(fā)DAP軟件工具用于受電弓的模擬［8］，最后整合為EUROPACAS，該軟件可以三維仿真各種類型的弓網(wǎng)系統(tǒng)，也可同時(shí)兼顧風(fēng)載、溫度、路橋等多種工況．德國開發(fā)的已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的CATMOS軟件［9］也是這一類型的代表，國內(nèi)也有單位應(yīng)用這一工具進(jìn)行接觸網(wǎng)優(yōu)化［6］．另一類是利用通用有限元或多體動力學(xué)商業(yè)軟件進(jìn)行開發(fā)，如：FAMOS［10］基于有限元軟件包Abaqus；PrOSA［11］基于多體動力學(xué)軟件包Simpack．

通用商業(yè)軟件包進(jìn)行弓網(wǎng)系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)針對性不強(qiáng)，對系統(tǒng)特有力或約束（如弓網(wǎng)接觸力）沒有現(xiàn)成力元組件可用．自行開發(fā)的軟件包雖然針對性較強(qiáng)，由于專業(yè)局限性，往往沒有完善的前后處理功能．聯(lián)合商業(yè)軟件進(jìn)行仿真雖然是一種較好的策略，但由于商業(yè)軟件本身出于自身利益的考慮，一些底層功能往往不對用戶開放，不同軟件包之間的數(shù)據(jù)交互和可操作性有局限性．此外，現(xiàn)有主流商業(yè)多體動力學(xué)和CAE軟件，其后處理模塊也存在一些缺陷或不足，如對連續(xù)數(shù)據(jù)的可視化操作不支持動態(tài)交互操作［12］．在弓網(wǎng)系統(tǒng)中，接觸網(wǎng)三維模型尺寸較大，且受電弓的幾何尺寸相對于接觸網(wǎng)的比例有較大的懸殊［13］，在后處理時(shí)需要實(shí)時(shí)交互才能方便用戶理解其動態(tài)行為，因此，平臺需要支持動態(tài)交互操作的后處理可視化系統(tǒng)．除了利用相對完善的軟件計(jì)算包進(jìn)行分析以外，許多學(xué)者也開發(fā)了自己的數(shù)學(xué)模型和數(shù)值代碼進(jìn)行求解，這些代碼往往沒有完善的前處理或后處理功能，通常只針對某一特定問題，由于知識結(jié)構(gòu)不同，往往也選用不同的語言進(jìn)行開發(fā)，如Fortran、C、C＋＋、Matlab等，這些代碼對解決特定的問題有非常重要的意義．如何將這些代碼有效耦合，提供豐富的前后處理功能，對于提高弓網(wǎng)系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)分析水平和效率具有現(xiàn)實(shí)意義．

本文提出基于開源代碼實(shí)現(xiàn)CAD／CAE高度集成的一體化高速列車子系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)分析平臺，著重從平臺的功能模塊、架構(gòu)模型以及數(shù)據(jù)模型的互操作性等方面給出了解決上述問題的方法．

1 平臺集成架構(gòu)

1．1 總體架構(gòu)模型

開發(fā)高速列車子系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)分析平臺需要多個(gè)學(xué)科和多個(gè)領(lǐng)域的軟件組件和模塊，這些基礎(chǔ)組件和模塊雖然單一技術(shù)都比較成熟，但重新組合和開發(fā)也需要耗費(fèi)大量的人力和物力．開源軟件（open-source software）為工業(yè)仿真提供了許多基礎(chǔ)的組件庫，特別是為大型軟件平臺架構(gòu)提供了豐富的有用資源．許多成熟的商業(yè)軟件廣泛采用協(xié)議對應(yīng)的開源軟件作為基礎(chǔ)組件．美國商業(yè)資訊2012年的研究報(bào)告指出，在CAD領(lǐng)域，高可用的開源CAD軟件已經(jīng)影響商業(yè)CAD供應(yīng)的增長．在工業(yè)仿真領(lǐng)域，有許多有影響力的仿真開源組件庫和基礎(chǔ)平臺，SALOME就是其中之一［14-15］．歐洲利用SALOME平臺建立核反應(yīng)堆的多維多物理仿真分析NURESIM平臺［16］，除了使用SALOME提供的前后處理以外，還使用其集成多個(gè)數(shù)值計(jì)算核心代碼．美國能源部參照SALOME組件結(jié)構(gòu)開發(fā)了多維多物理核能源建模和仿真程序NEAMS［17］．法國原子能機(jī)構(gòu)結(jié)合商業(yè)軟件和商業(yè)軟件接口開發(fā)了用于求解PDEs方程的求解器Cast3M．鑒于SALOME平臺的優(yōu)越性，甚至使用SALOME替代了基于商業(yè)軟件構(gòu)建的平臺用于超導(dǎo)磁體的機(jī)械行為仿真［18］．

高速列車子系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)分析平臺利用SALOME平臺提供基礎(chǔ)組件和通用的功能，基于SALOME的平臺總體架構(gòu)如圖1所示．圖1中，平臺利用幾何建模組件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的幾何建模，應(yīng)用網(wǎng)格劃分模塊劃分有限元網(wǎng)格，結(jié)合幾何建模和網(wǎng)格劃分生成求解前處理文件，將內(nèi)嵌的前處理文件送給求解器進(jìn)行求解，求解的結(jié)果和前處理模型一同傳入后處理模塊進(jìn)行可視化展示和分析，整個(gè)過程一體化完成，不需要對外提供數(shù)據(jù)接口和交互．

圖1 基于SALOME的平臺總體架構(gòu)Fig．1 Overall architecture of the simulation platform based on SALOME

1．2 基于動態(tài)組件結(jié)構(gòu)的多體動力學(xué)與有限元聯(lián)合仿真集成架構(gòu)實(shí)現(xiàn)

平臺架構(gòu)要突破的主要問題是多體動力學(xué)和有限元的模型融合和內(nèi)嵌聯(lián)合仿真．由于多體動力學(xué)和有限元采用不同的時(shí)間積分算法，這為求解代碼的數(shù)據(jù)交換和求解集成設(shè)置了障礙．解決這一問題的抽象實(shí)現(xiàn)是使用基于組件的分布異構(gòu)編程模型，用這一模型將求解代碼所需要的計(jì)算資源進(jìn)行分割，便于程序進(jìn)行分布式異構(gòu)部署，基于組件的分布式異構(gòu)編程模型如圖2所示［19］．

圖2 基于組件的分布式異構(gòu)編程模型Fig．2 Distributed heterogeneous programming model based on components

圖2中，SALOME平臺采用兩層編程模型來實(shí)現(xiàn)，分別為SALOME對象和動態(tài)軟件組件，并且使用CORBA［20］進(jìn)行組件間通信．本文依賴SALOME平臺提供的基礎(chǔ)組件，基于動態(tài)組件結(jié)構(gòu)重寫弓網(wǎng)仿真設(shè)計(jì)分析平臺所需要的功能，構(gòu)建了幾何建模、網(wǎng)格劃分、前后處理、求解一體化的仿真設(shè)計(jì)分析平臺．平臺集成的關(guān)鍵是開發(fā)了模塊黏結(jié)組件，在開源組件中，有限元的前后處理功能和多體動力學(xué)的前后處理功能分開，在弓網(wǎng)仿真中同時(shí)使用兩者，因此，開發(fā)了專門的黏結(jié)模塊處理動態(tài)組件間的功能交叉問題，在黏結(jié)模塊中借助SALOME平臺的內(nèi)嵌文件管理模式來實(shí)現(xiàn)．另外，需要考慮后續(xù)功能的擴(kuò)展問題，在功能平臺本身單獨(dú)設(shè)計(jì)了插件機(jī)制，在后續(xù)功能擴(kuò)展時(shí)不需要重新耦合開源組件，只是為平臺自身寫插件，這樣將開源組件和平臺本身的模塊解耦，在開源組件升級或修改時(shí)不影響平臺自身功能．

2 數(shù)值求解器集成

在弓網(wǎng)系統(tǒng)這種專業(yè)細(xì)分領(lǐng)域的數(shù)值仿真中，研究人員自行求解模型和相應(yīng)的計(jì)算代碼，這些數(shù)值代碼由不同的編程語言（Fortran、C、C＋＋等）實(shí)現(xiàn)．為了突破編程語言在模塊接口上的限制，解決與現(xiàn)有求解代碼（home-made software）的集成問題，研究人員做了許多研究，有效的集成和重用有價(jià)值的代碼．西班牙的研究人員將這些問題抽象為IPO（input-process-output）模式，應(yīng)用MVC（model-view-controller）結(jié)構(gòu)開發(fā)了JAVA應(yīng)用框架［19］．為了實(shí)現(xiàn)大型仿真軟件各功能模塊解耦，方便已有代碼集成和功能擴(kuò)展，基于組件的軟件架構(gòu)模式在大型仿真平臺架構(gòu)中廣泛應(yīng)用，美國能源部基于組件結(jié)構(gòu)開發(fā)了多維多物理核能源建模和仿真程序NEAMS［17］，指出基于組件結(jié)構(gòu)可以較好地解決在集成原有代碼時(shí)所面臨的挑戰(zhàn)．大型耦合集成核聚變等離子仿真平臺也是基于組件框架［21］，也有學(xué)者為基于組件的軟件平臺設(shè)計(jì)了架構(gòu)模式［22］．

遵照NEAMS等系統(tǒng)采用的組件框架原理，借助IPO模式，在仿真設(shè)計(jì)分析平臺中將原有的求解器代碼分別進(jìn)一步抽象為規(guī)范的接口，通過編寫自動封裝程序，將組件描述和IDL接口作為SALOME平臺的動態(tài)服務(wù)組件．這些動態(tài)組件可以分布式部署，平臺求解器和前后處理求解可以分別部署在不同的計(jì)算機(jī)上，為平臺部署提供更大的靈活性．

3 平臺數(shù)據(jù)集成和互操作性

在高速列車子系統(tǒng)中，弓網(wǎng)系統(tǒng)的受電弓是多體模型，采用多體動力學(xué)進(jìn)行仿真分析．接觸網(wǎng)是典型的有限元模型，采用有限元方法分析．因此，在軟件平臺中有效集成兩個(gè)學(xué)科工具，CAD和CAE數(shù)據(jù)在底層進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和重用．雖然CAD和CAE數(shù)據(jù)的重用和互換對提高整個(gè)系統(tǒng)的分析效率和縮短產(chǎn)品開發(fā)周期有很重要的作用，但商業(yè)軟件由于商業(yè)競爭，各自數(shù)據(jù)可互換性較差［23］．另外，不同CAD系統(tǒng)數(shù)據(jù)多采用中性文件格式（IGES，STEP，BREP）和專用接口插件解析兩種方式．采用中性文件格式經(jīng)常導(dǎo)致幾何信息丟失，并且精度降低［24］，采用專用接口模式除了需要CAD軟件廠商授權(quán)外，格式文件的升級換代也會帶來諸多的不便．相對于CAD數(shù)據(jù)，CAE數(shù)據(jù)更具有多樣性，結(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜，目前關(guān)于CAE數(shù)據(jù)的互換性和互操作性研究較少［25］．弓網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)到有限元分析和多體動力學(xué)分析，對CAE數(shù)據(jù)和CAD數(shù)據(jù)除了需要互換性以外，還需要有互操作性需求．因此，弓網(wǎng)設(shè)計(jì)平臺需要解決的一個(gè)主要問題是CAD數(shù)據(jù)和CAE數(shù)據(jù)的互換性和互操作性．

為了減少分析人員CFD分析時(shí)處理數(shù)據(jù)的繁雜工作，對CFD輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化．美國波音公司和國家航空航天局（NASA）聯(lián)合提出了CGNS，CGNS對網(wǎng)格、流場解、區(qū)域連接、邊界條件和其它輔助信息等都有統(tǒng)一的約定，除了定義標(biāo)準(zhǔn)接口數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以外，還提供可擴(kuò)展的函數(shù)庫讀取數(shù)據(jù)［26］．國內(nèi)學(xué)者采用CGNS標(biāo)準(zhǔn)配合開發(fā)了求解器，求解簡化系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換［27］．

本文以SALOME平臺的文件管理系統(tǒng)（HDF）為基礎(chǔ)，參照CGNS標(biāo)準(zhǔn)提出了弓網(wǎng)系統(tǒng)幾何模型和分析數(shù)據(jù)的互換性和互操作性策略，開發(fā)專用的數(shù)據(jù)集成引擎，在MED文件系統(tǒng)的支持下實(shí)現(xiàn)平臺各子系統(tǒng)之間以及平臺與外部的CAD和CAE數(shù)據(jù)交換和互操作．

弓網(wǎng)仿真設(shè)計(jì)分析平臺的數(shù)據(jù)集成方案如圖3所示．

圖3 弓網(wǎng)仿真設(shè)計(jì)分析平臺的數(shù)據(jù)集成方案Fig．3 The data exchange and integration solution for TPL．PC

如圖3所示，分析平臺自身提供了幾何建模和網(wǎng)格生成與編輯功能，考慮到商業(yè)軟件格式的普遍性，分析平臺以中性文件格式支持商業(yè)CAD軟件格式轉(zhuǎn)換，以Python腳本轉(zhuǎn)換支持CAE分析數(shù)據(jù)與系統(tǒng)外部商業(yè)數(shù)據(jù)內(nèi)核進(jìn)行交換，這樣充分考慮了系統(tǒng)的彈性和后續(xù)可擴(kuò)展．以SALOME平臺基礎(chǔ)功能作為平臺集成中樞，在應(yīng)用層提供弓網(wǎng)平臺數(shù)據(jù)模板定義數(shù)據(jù)格式，對應(yīng)CGNS的標(biāo)準(zhǔn)，在引擎層提供弓網(wǎng)平臺數(shù)據(jù)引擎，對應(yīng)CGNS的可擴(kuò)展函數(shù)庫，采用SALOME組件和組件容器進(jìn)行封裝，以動態(tài)組件集成到SALOME的CORBA環(huán)境中，方便了系統(tǒng)分布式部署和增加系統(tǒng)的彈性．

4 弓網(wǎng)仿真設(shè)計(jì)分析平臺應(yīng)用實(shí)例

考慮弓網(wǎng)仿真設(shè)計(jì)分析平臺的功能完備性以及多體動力學(xué)和有限元相結(jié)合這一特殊性，分析平臺需要提供4個(gè)主要功能：三維幾何建模與編輯、有限元網(wǎng)格生成與編輯、數(shù)值求解器和后處理．

4．1 三維幾何建模與編輯

現(xiàn)有的商業(yè)軟件提供了參數(shù)化建模、變量化建模等建模手段和方法，但建立一體化的弓網(wǎng)仿真設(shè)計(jì)分析平臺需要提供自身的幾何建模功能，這是平臺的基礎(chǔ)要求．因此，TPL．PC除了提供通用的建模方法和手段以外，還針對接觸網(wǎng)和受電弓的模型特點(diǎn)提供參數(shù)化和智能化建模功能．借助SALOME提供的基礎(chǔ)功能，TPL．PC可以利用內(nèi)建的三維幾何建模功能生成弓網(wǎng)模型，也支持從外部商業(yè)軟件中導(dǎo)入的中性文件格式，支持中性文件格式有iges、step等，也可從自行開發(fā)文件格式插件程序中導(dǎo)入特定的幾何模型．

4．2 有限元網(wǎng)格生成與編輯模塊

分析平臺基于NETGEN技術(shù)，提供豐富的網(wǎng)格劃分功能，包括一維網(wǎng)格劃分和三維網(wǎng)格劃分［28］．為了便于幾何模型重用，在網(wǎng)格劃分時(shí)，直接利用幾何建模模塊導(dǎo)入或繪制的三維模型以及相關(guān)參數(shù)提供建模和網(wǎng)格劃分一體化解決方案．

根據(jù)弓網(wǎng)系統(tǒng)仿真的需要，在網(wǎng)格劃分時(shí)還可以依據(jù)跨數(shù)、跨距等參數(shù)，對劃分的單元進(jìn)行智能編組，以便后續(xù)求解器計(jì)算，這樣省去繁雜的人工操作．為了便于觀察網(wǎng)格對應(yīng)的這個(gè)弓網(wǎng)系統(tǒng)的幾何位置，可以同時(shí)顯示幾何線框模型和零部件單元網(wǎng)格，如圖4所示．

圖4 弓網(wǎng)系統(tǒng)線框模型和零部件網(wǎng)格Fig．4 The wire-frame model of pantograph-catenary system and the mesh display of parts

4．3 后處理

現(xiàn)有的商業(yè)軟件雖然都有較為完善的后處理工具，但對于弓網(wǎng)這種專業(yè)程度較高的特定仿真對象，現(xiàn)有的軟件都存在一些缺陷或不足，例如，對連續(xù)CAE仿真數(shù)據(jù)三維可視化展示時(shí)無交互操作．分析平臺后處理模塊支持三維動畫展示，實(shí)時(shí)云圖數(shù)據(jù)交互操作，也支持二維圖表繪制等基本功能．圖5為分析平臺后處理模塊的應(yīng)用實(shí)例．

利用弓網(wǎng)仿真設(shè)計(jì)分析平臺的后處理功能可重用在幾何建模和網(wǎng)格劃分模塊所建立的模型和網(wǎng)格文件，也可以方便地訪問求解結(jié)果文件．該系統(tǒng)支持海量數(shù)據(jù)的并行可視化，同時(shí)提供與商業(yè)三維可視化軟件EnSight的接口，支持立體顯示等功能．

圖5 TPL．PC后處理模塊Fig．5 The post-processing module of TPL．PC

5 結(jié)束語

弓網(wǎng)仿真設(shè)計(jì)分析平臺是一個(gè)多體系統(tǒng)軟件和有限元軟件混合體，本文結(jié)合CAD和CAE技術(shù)自行研發(fā)新的弓網(wǎng)系統(tǒng)虛擬設(shè)計(jì)、仿真和分析一體化平臺，該平臺提供完善的前后處理模塊．針對行業(yè)細(xì)分領(lǐng)域自行編制數(shù)值仿真代碼較多，集成困難的情況，在現(xiàn)有的數(shù)值代碼集成和部署模型基礎(chǔ)上，給出了弓網(wǎng)系統(tǒng)有限元和多體動力學(xué)數(shù)值代碼集成方式，基于動態(tài)組件的分布式異構(gòu)編程實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)有弓網(wǎng)計(jì)算數(shù)值代碼與平臺的內(nèi)嵌集成．鑒于平臺底層數(shù)值計(jì)算需要集成多體動力學(xué)和有限元聯(lián)合仿真，討論了兩種學(xué)科的數(shù)據(jù)交換和互操作問題，給出了解決這兩個(gè)學(xué)科間數(shù)據(jù)集成和互操作性的引擎架構(gòu)和處理流程．參照CGNS標(biāo)準(zhǔn)提出了弓網(wǎng)系統(tǒng)幾何模型和分析數(shù)據(jù)的互換性和互操作性策略，該平臺克服了利用商業(yè)軟件底層數(shù)據(jù)封閉的缺點(diǎn)，為細(xì)分行業(yè)利用開源擴(kuò)展彈性架構(gòu)設(shè)計(jì)大規(guī)模仿真軟件提供參考．

分析平臺下一步考慮增加和完善以下功能：

（1）動態(tài)黏結(jié)算法實(shí)現(xiàn)弓網(wǎng)系統(tǒng)異構(gòu)分布式仿真，使受電弓和接觸網(wǎng)分別在不同的求解器、計(jì)算機(jī)上求解，通過黏結(jié)算法進(jìn)行聯(lián)合仿真，利用該算法對大型仿真任務(wù)進(jìn)行分割，便于仿真任務(wù)的部署．

（2）集成基于實(shí)時(shí)圖形渲染的后處理模塊，提供拉弧現(xiàn)象、弓網(wǎng)接觸細(xì)節(jié)展示等直觀的弓網(wǎng)系統(tǒng)動態(tài)后處理功能．

（3）進(jìn)一步集成計(jì)算流體動力學(xué)求解代碼和流程，為弓網(wǎng)系統(tǒng)多物理場仿真分析提供完善的軟件工具和設(shè)計(jì)平臺．

（4）擴(kuò)展平臺模塊的基礎(chǔ)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高速列車大系統(tǒng)動力學(xué)的線路、車輛等各子平臺開發(fā)．

致謝：西南交通大學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題資助（2015TPL_T06）；西南交通大學(xué)百人計(jì)劃項(xiàng)目資助（2682014BR033）．

［1］ 沈志云．論我國高速鐵路技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的優(yōu)勢［J］．科學(xué)通報(bào)，2012，57（8）：594-599．SHEN Zhiyun．The superiorities in innovatively developing high-speed train technology in China［J］．Chinese Science Bulletin，2012，57（8）：594-599．

［2］ 張衛(wèi)華，張曙光．高速列車耦合大系統(tǒng)動力學(xué)及服役模擬［J］．西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，43（2）：147-152．ZHANG Weihua，ZHANG Shuguang．Dynamics and service simulation for general coupling system of highspeed trains［J］．Journal of Southwest Jiaotong University，2008，43（2）：147-152．

［3］ 趙飛，劉志剛，韓志偉．隨機(jī)風(fēng)場對弓網(wǎng)系統(tǒng)動態(tài)性能影響研究［J］．鐵道學(xué)報(bào)，2012，34（10）：36-42．ZHAO Fei，LIU Zhigang，HAN Zhiwei．Simulation study on influence of stochastic wind field to dynamic behavior of pantograph-catenary system［J］．Journal of the China Railway Society，2012，34（10）：36-42．

［4］ LEE JH，KIM Y G，PAIK JS．Performance evaluation and design optimization using differential evolutionary algorithm of the pantograph for the high-speed train［J］．Journal of Mechanical Science and Technology，2012，26（10）：3253-3260．

［5］ JUNG SP，KIM Y G，PAIK JS，et al．Estimation of dynamic contact force between a pantograph and catenary using the finite element method［J］．Journal of Computational and Nonlinear Dynamics，2012，7（10）：0410061-1-041006-13．

［6］ 張衛(wèi)華，黃標(biāo)，梅桂明．基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的高速弓網(wǎng)系統(tǒng)研究［J］．鐵道學(xué)報(bào)，2005，27（4）：30-35．ZHANG Weihua，Huang Biao，MEI Guiming．Study on pantograph-catenary system based on virtual prototyping［J］．Journal of the China Railway Society，2005，27（4）：30-35．

［7］ 梅桂明．受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)動力學(xué)研究［D］．成都：西南交通大學(xué)，2010．

［8］ BOBILLOT A，CLEON L M，COLLINA A，et al．Pantograph-catenary：a high-speed European couple［C］∥Proceedings of the World Congress on Railway Research．Seoul：UIC，2008：1-8．

［9］ BECKER K，KONIG A，RESCH U，et al．Cotenaries for high-speed lines：a subject for research［J］．ETREisenbahantechnische Rundschau，1995，44（1／2）：64-72．

［10］ EINBOLD M，DECKART U．Famos-ein programm zur simulation von oberleitungen und stromabnehmer（famos：a program for the simulation of catenaries and pantographs）［J］．ZEV＋DET Glases Annalen，1996，120（6）：239-243．

［11］ VEITL A，ARNOLD M．Coupled simulation of multibody systems and elastic structures［C］∥Proceedings of Euromech Colloquium 404 Advances in Computational Multibody Dynamics．Lisbon：［s．n．］，1999：635-644．

［12］ SONG I，YANG J．A scene graph based visualization method for representing continuous simulation data［J］．Computers in Industry，2011，62（10）：301-310．

［13］ 于萬聚．高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)［M］．成都：西南交通大學(xué)出版社，2003：1-11．

［14］ Open Cascade Company．SALOME platform［EB／OL］．［2012-06-11］．http：／／www．salome-platform．org．

［15］ BERGEAUD V，LEFEBVRE V．SALOME：a software integration platform for multi-physics［C］∥Pre-Processing and Visualization．Tokyo：［s．n．］，2010：21-29．

［16］ CHAULIAC C，ARAGONES JM，BESTION D，et al．NURESIM a European simulation platform for nuclear reactor safety：multi-scale and multi-physics calculations，sensitivity and uncertainty analysis［J］．Nuclear Engineering and Design，2011，241（9）：3416-3426．

［17］ JAY JB，WAEL R E，LEE M H，et al．Designing a component-based architecture for the modeling and simulation of nuclear fuels and reactors［C］∥Proceedings of the 2009 Workshop on Component-Based High Performance Computing．New York：ACM，2009：1-4．

［18］ NUNIO F，MANIL P．SALOME as a platform formagneto-mechanical simulation［J］．IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2012，22（3）：4904904-4904908．

［19］ RIVEROLA F F，GLEZ P D，LOPEZ F H，et al．A JAVA application framework for scientific software development［J］．Software Practice and Experience，2012，42（8）：1015-1036．

［20］ Object Management Group．CORBA：common object request broker architecture［EB／OL］．［2012-08-21］．http：／／www．corba．org／．

［21］ WAEL R E，DAVID E B，LEE A B，et al．Component framework for coupled integrated fusion plasma simulation［C］∥Component and Framework Technology in High-Performance and Scientific Computing．New York：ACM，2007：93-100．．

［22］ PARSONS D，RASHID A，TELEA A，et al．An architectural pattern for designing component-based application frameworks［J］．Software Practice and Experience，2006，36（2）：157-190．

［23］ 楊雙榮，胡沙，李建軍．CAD數(shù)據(jù)交換與互操作性的研究［J］．計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2010，32（7）：1580-1584．YANG Shuangrong，HU Sha，LI Jianjun．CAD data exchange and interoperability［J］．Computer Engineering and Design，2010，32（7）：1580-1584．

［24］ VERGEEST J S M，HORVATH I．Where interoperability ends［C］∥Proceedings of 2001 Computers and Information in Engineering Conference．Pittsburgh：ASME，2001：1-8．

［25］ SONG IH，YANG J，JOC H，et al．Development of a lightweight CAE middleware for CAE data exchange［J］．International Journal of Computer Integrated Manufacturing，2009，22（9）：823-835．

［26］ International Steering Committe．CGNS：CFD general notation system［EB／OL］．［2012-07-15］．http：／／http：／／cgns．github．io／．

［27］ 雷國東，柳貢民，明平劍，等．CGNS API和FVM在非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格計(jì)算中的應(yīng)用［J］．計(jì)算物理，2007，24（3）：277-281．LEI Guodong，LIU Gongmin，MING Pingjian，et al．CGNS API and FVM in unstructured hybrid grid computational method［J］．Chinese Journal of Computational Physics，2007，24（3）：277-281．

［28］ JOACHIM S，SABINE Z，ALMEDIN B，et al．NETGEN：automatic mesh generator［EB／OL］．［2012-08-23］．http：／／www．hpfem．jku．a(chǎn)t／netgen／．

（中文編輯：秦 瑜 英文編輯：蘭俊思）

Holistic High-Speed Train Subsystem Simulation Platform Based on CAD／CAE Integration

TANG Zhao， ZHU Yunrui， NIE Yinyu， ZHANG Weihua
（State Key Laboratory of Traction Power，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

To enable general-purpose commercial multi-body dynamics and finite element software to meet the requirements of simulation and modeling of a high-speed train subsystem，an extensible and flexible framework was set up by utilizing open-source components and the dynamic encapsulating technology．As a case study，a high-speed train pantograph-catenary subsystem simulation platform（TPL．PC）was developed based on this framework．The application result shows that the proposed framework can provide all necessary functions for the high-speed train simulation platform，such as geometric modeling，mesh generation and editing，numerical solution，and 3D real-time visualization．In addition，it can overcome the difficulty of interoperability of geometry models and simulation models in above aspects among different subsystems，which makes the temporal data produced by iterative computation and the result data exchange smoothly．

simulation platform；software architecture；pantograph-catenary system；high-speed train

TPL391．9

A

0258-2724（2016）01-0113-08

10．3969／j．issn．0258-2724．2016．01．017

2013-10-17

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51405402，51475394）

唐兆（1979—），男，助理研究員，博士研究生，研究方向?yàn)檐壍澜煌ǚ抡媾c可視化，E-mail：tangzhao＠swjtu．edu．cn

唐兆，朱允瑞，聶隱愚，等．CAD／CAE集成的高速列車子系統(tǒng)仿真分析一體化平臺［J］．西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，51（1）：113-120．