林之海，黎榮，韓鑫，張海柱，邱紅銘

（西南交通大學(xué)　機(jī)械工程學(xué)院，成都 610036）

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高速列車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量自動(dòng)計(jì)算方法與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

林之海，黎榮，韓鑫，張海柱，邱紅銘

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，成都 610036）

摘 要：針對(duì)高速列車設(shè)計(jì)階段，需不斷調(diào)整零部件結(jié)構(gòu)參數(shù)與布局所導(dǎo)致的整車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量頻繁計(jì)算問(wèn)題，基于CATIA/CAA開(kāi)發(fā)了一套轉(zhuǎn)動(dòng)慣量自動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)。系統(tǒng)利用CAD軟件快速識(shí)別裝配體模型結(jié)構(gòu)、布局變化的特點(diǎn)，在保證整車結(jié)構(gòu)變化與布局調(diào)整便捷性的前提下，通過(guò)導(dǎo)入實(shí)測(cè)參數(shù)、參數(shù)坐標(biāo)系統(tǒng)一、參數(shù)提取等步驟，實(shí)現(xiàn)整車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的自動(dòng)計(jì)算，并通過(guò)數(shù)據(jù)管理技術(shù)，在保證轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算準(zhǔn)確性的同時(shí)，減少了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算中所需的計(jì)算次數(shù)，提高了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算效率，最后以高速列車輪對(duì)組份為例進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)某高速列車主機(jī)廠。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算；屬性提??；數(shù)據(jù)管理；CATIA/CAA

0　引言

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是衡量物體轉(zhuǎn)動(dòng)部件慣性大小的量化指標(biāo)［1］。在高速列車設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量用于實(shí)現(xiàn)對(duì)車體的“鎮(zhèn)定”作用，從而更進(jìn)一步地消除車體蛇行，抑制轉(zhuǎn)向架蛇行的上傳，控制車體和轉(zhuǎn)向架的失穩(wěn)［2］，影響高速列車整車運(yùn)行平穩(wěn)性與穩(wěn)定性。因此，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算是整車設(shè)計(jì)階段，動(dòng)力學(xué)性能分析重要的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。

在高速列車的整車設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員需要頻繁對(duì)列車子部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行更改，如增大輪對(duì)輪徑、改變門窗大小等。此外，即使在整車結(jié)構(gòu)不變的情況下，設(shè)計(jì)人員往往也需要對(duì)已有子部件進(jìn)行布局調(diào)整，如改變車上座椅，車下設(shè)備等布局。因而在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要不斷重新計(jì)算來(lái)獲取每一次結(jié)構(gòu)、布局變化后所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值。鑒于高速列車作為典型的復(fù)雜產(chǎn)品，其子部件數(shù)量眾多，每次進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算所需的計(jì)算量浩大，若能建立一個(gè)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)其快速計(jì)算，將大大提高高速列車整車的設(shè)計(jì)效率。

因此，本文基于CATIA二次開(kāi)發(fā)技術(shù)與數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，開(kāi)發(fā)了一套面向高速列車的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量自動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用CAD軟件能快速對(duì)裝配體下子模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)更改、數(shù)量增減的特點(diǎn)，在保證整車結(jié)構(gòu)變化與布局調(diào)整便捷性的同時(shí)，通過(guò)數(shù)據(jù)管理技術(shù)有效地減少了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算中所需的迭代次數(shù)，提高了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算效率。

1　轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算方法與系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

高速列車整車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算需首先獲取組成整車各子部件自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值。由于組成高速列車整車的各個(gè)子部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)人員多利用CAD軟件對(duì)此類復(fù)雜部件建模（如列車輪對(duì)踏面曲面造型）并進(jìn)行之后頻繁的部件結(jié)構(gòu)更改，考慮到目前各CAD軟件也均能夠?qū)δＰ妥陨磉M(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值的計(jì)算，并在各種平臺(tái)下（CAXA［3］、UG與ADAMS［4，5］、SolidWorks［6］、ACIS［7］、CATIA［8，9］等）提取屬性參數(shù)。因此在系統(tǒng)中，一部分子部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值的獲取是通過(guò)建立CAD模型，繼而賦予模型材料信息后，利用CAD自帶的計(jì)算功能得到。而模型中還存在另一部分材料屬性復(fù)雜的子部件，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值是根據(jù)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)后，通過(guò)外部的說(shuō)明文件得到。由于CAD無(wú)法直接讀取此類外部說(shuō)明文件格式，且實(shí)驗(yàn)所實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境不同，其數(shù)據(jù)所在坐標(biāo)系也各不相同。因此，系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與其所匹配的中性文件模型的正確導(dǎo)入，并將此類不同來(lái)源的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至統(tǒng)一的坐標(biāo)系下。

此外，在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算過(guò)程中，根據(jù)“兩體質(zhì)心公式”與“平行移軸定理”可知，若一復(fù)雜產(chǎn)品存在n個(gè)子零件，就需要進(jìn)行n-1次迭代運(yùn)算。而高速列車在進(jìn)行結(jié)構(gòu)與布局變化時(shí)，往往針對(duì)其成千上萬(wàn)子部件中的幾個(gè)到幾十個(gè)部件進(jìn)行更改，僅僅由于這極小部分部件的更改而對(duì)整車裝配體模型下所有子部件進(jìn)行重新計(jì)算時(shí)，會(huì)不可避免地產(chǎn)生大量不必要的重復(fù)計(jì)算，影響效率。因此，系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，將之前計(jì)算所得到的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，在計(jì)算時(shí)從中剔除設(shè)計(jì)人員所更改的少數(shù)零部件參數(shù)后，再與變更后零部件的新質(zhì)心坐標(biāo)與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值進(jìn)行迭代計(jì)算，得到該結(jié)構(gòu)、布局方案下的整車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值。

由以上描述，系統(tǒng)計(jì)算方法如圖1所示。

圖1　轉(zhuǎn)動(dòng)慣量自動(dòng)計(jì)算方法與流程圖

系統(tǒng)首先導(dǎo)入所要進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算的裝配體模型，進(jìn)而在實(shí)例數(shù)據(jù)庫(kù)尋找相匹配的實(shí)例數(shù)據(jù)，若不存在，則直接對(duì)裝配體導(dǎo)入實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算；若存在，設(shè)計(jì)人員則選擇是否在此次轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算中存在結(jié)構(gòu)與布局變化，若存在，則在實(shí)例數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇實(shí)例作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并在其中選擇所變化的模型對(duì)應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行剔除，繼而在裝配體中選擇需要重新獲取的模型進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算；若不存在，則直接輸出所選擇實(shí)例的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算過(guò)程包括外部文件數(shù)據(jù)導(dǎo)入、統(tǒng)一不同格式模型坐標(biāo)系、屬性提取與整車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算。最終所得結(jié)果可選擇輸出至動(dòng)力學(xué)分析軟件或者通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)，作為新實(shí)例的形式進(jìn)行存儲(chǔ)。

2　關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn)

2.1實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)識(shí)別與導(dǎo)入

在高速列車裝配體模型下發(fā)生結(jié)構(gòu)與布局變化的子部件，其模型來(lái)源主要有：

1）結(jié)構(gòu)件模型：指主機(jī)廠設(shè)計(jì)、制造的產(chǎn)品模型，或由單一材料構(gòu)成的均質(zhì)產(chǎn)品模型。

2）中性文件格式模型：指是輔助主機(jī)廠的配件廠所提供的配件模型，以及材料組成復(fù)雜的非均質(zhì)模型文件。

結(jié)構(gòu)件模型由CAD軟件建模生成，設(shè)計(jì)人員能夠直接提取其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算時(shí)所需的完整參數(shù)，而中性模型作為一種統(tǒng)一的CAD數(shù)據(jù)交互格式，模型中僅包含了模型大致的特征與幾何信息，其與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算的相關(guān)數(shù)據(jù)一般由實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)提供。接口通過(guò)流（Streams）將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)所在的Excel表格中每一列內(nèi)容分割成若干片段后，篩選出用于存放“名稱”的信息片段與模型中的“實(shí)例名稱”相匹配，從而將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模型一一對(duì)應(yīng)，匹配成功的中性文件模型接收與“名稱”信息同組的整條信息流并將其添加到模型結(jié)構(gòu)樹(shù)節(jié)點(diǎn)上去。成功導(dǎo)入后的模型結(jié)構(gòu)樹(shù)如圖2所示。

圖2　實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)識(shí)別與導(dǎo)入

2.2不同格式模型坐標(biāo)系統(tǒng)一

模型在導(dǎo)入至CAD時(shí)，所在的零件體局部坐標(biāo)系是根據(jù)其相對(duì)于CAD裝配體環(huán)境下默認(rèn)的全局坐標(biāo)系所決定；而實(shí)測(cè)所得到的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相關(guān)參數(shù)由于其實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)試環(huán)境影響，其參數(shù)所在的局部坐標(biāo)系又與全局、局部坐標(biāo)系相異，導(dǎo)致不同格式模型的質(zhì)心位置、自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值等參數(shù)所在坐標(biāo)系不一致，使轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算不準(zhǔn)確。因此，需將兩者所在的局部坐標(biāo)系統(tǒng)一到CAD裝配體環(huán)境下的全局坐標(biāo)系中。

由于裝配體內(nèi)各零件體的裝配關(guān)系與約束已經(jīng)確定，各零件之間擁有固定的相對(duì)位置，因此，可以將裝配體視為一個(gè)剛體，取剛體上任意一點(diǎn)為目標(biāo)點(diǎn)，獲取該點(diǎn)在局部坐標(biāo)系與全局坐標(biāo)系中的兩個(gè)坐標(biāo)值，兩者的差值就是局部坐標(biāo)系與全局坐標(biāo)系之間的差值。中性文件作為CAD產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)間的信息交互文件，諸如SETP、IGES格式文件均可以從中提取其諸如質(zhì)心坐標(biāo)在內(nèi)的部分零件特征參數(shù)［9，10］，因此，選擇中性文件模型中存在的均質(zhì)配件模型質(zhì)心坐標(biāo)為目標(biāo)點(diǎn)，直接提取該點(diǎn)在全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值（kx，ky，kz），繼而與從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中所導(dǎo)入的質(zhì)心坐標(biāo)值（kx′，ky′，kz′）比較，獲取兩坐標(biāo)系間差值Tx、Ty、Tz。

通過(guò)差值構(gòu)建平移變換矩陣，局部坐標(biāo)系（x，y，z）通過(guò)變換矩陣變換后，將新坐標(biāo)系（x′，y′，z′）設(shè)置為中性格式模型所在坐標(biāo)系，完成從局部坐標(biāo)系到全局坐標(biāo)系的變換。

對(duì)于結(jié)構(gòu)件模型，由于其能夠直接提取模型質(zhì)心等參數(shù)信息，因此，提取其在零件體環(huán)境與裝配體環(huán)境下所得到的兩個(gè)質(zhì)心坐標(biāo)，可同理完成其到全局坐標(biāo)系的變換。之后，利用“兩體質(zhì)心公式”與“平行移軸定理”計(jì)算通過(guò)遍歷模型結(jié)構(gòu)樹(shù)所獲取的參數(shù)，得到整車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值。

2.3轉(zhuǎn)動(dòng)慣量數(shù)據(jù)管理

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理功能，即是將每一次高速列車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量結(jié)果作為實(shí)例保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便于在高速列車裝配體模型結(jié)構(gòu)與布局發(fā)生變化時(shí)，作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用。每一實(shí)例中，記錄了整車裝配體下所有子部件名稱、質(zhì)量、質(zhì)心坐標(biāo)、自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)，其在數(shù)據(jù)庫(kù)中所建立的數(shù)據(jù)表如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理

數(shù)據(jù)庫(kù)中所建立的數(shù)據(jù)表中，點(diǎn)頭慣量、搖頭慣量、側(cè)滾慣量代表了模型繞自身三坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，車內(nèi)布局表中的三向定距記錄了模型的質(zhì)心坐標(biāo)。全表以文本文件形式傳輸?shù)轿挥贑ATIA中的計(jì)算系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)人員通過(guò)交互界面選擇需要從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中剔除的模型名稱，便能得到該模型名稱下，所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相關(guān)參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算。同時(shí)，由于數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)表具有可添加性，設(shè)計(jì)人員能夠在得到計(jì)算結(jié)果后，視情況決定是否將結(jié)果與計(jì)算過(guò)程中所用參數(shù)反饋給數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的擴(kuò)充。

3　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量自動(dòng)計(jì)算方法邏輯結(jié)構(gòu)，搭建出符合要求的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　轉(zhuǎn)動(dòng)慣量自動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以Microsoft Visual Studio2008為軟件開(kāi)發(fā)工具，調(diào)用CATIA/CAA對(duì)CATIA軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，并應(yīng)用Oracle建立數(shù)據(jù)庫(kù)。系統(tǒng)可分為提供各項(xiàng)參數(shù)與模型的數(shù)據(jù)源、執(zhí)行系統(tǒng)功能CATIA/CAA平臺(tái)下的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算模塊。

4　系統(tǒng)實(shí)例驗(yàn)證

高速列車整車是典型的復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品，單就其一節(jié)車廂的兩個(gè)轉(zhuǎn)向架部件便含有1600個(gè)左右的子部件。僅僅對(duì)轉(zhuǎn)向架進(jìn)行整體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算，計(jì)算機(jī)需要進(jìn)行16002次計(jì)算。而通過(guò)計(jì)算系統(tǒng)，將原計(jì)算對(duì)象轉(zhuǎn)移到實(shí)例轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值與發(fā)生結(jié)構(gòu)、布局變化的極少數(shù)（如30個(gè)）子部件中，計(jì)算機(jī)所需的計(jì)算次數(shù)將減少到302次，有效減少了計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算效率。

輪對(duì)系統(tǒng)作為高速列車轉(zhuǎn)向架中典型的既含有結(jié)構(gòu)件（車輪、車軸），又包含了外購(gòu)件（制動(dòng)盤）的裝配體模型，在設(shè)計(jì)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)根據(jù)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的變化而進(jìn)行結(jié)構(gòu)（輪對(duì)半徑、軸徑等）與布局的變化，通過(guò)高速列車某型車輪對(duì)組份計(jì)算實(shí)例對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證。

在CATIA中，改變輪對(duì)組份中的結(jié)構(gòu)件—車輪模型的輪徑大小，繼而計(jì)算改變結(jié)構(gòu)后的輪對(duì)組份轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值。根據(jù)國(guó)內(nèi)某車型提供的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)告，改變輪徑后，該輪徑參數(shù)下輪對(duì)系統(tǒng)中主要零部件質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量參數(shù)如表1所示。

表1　某型車輪對(duì)質(zhì)量與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值

系統(tǒng)對(duì)原車輪參數(shù)進(jìn)行剔除，繼而加入結(jié)構(gòu)變化后的車輪參數(shù)并重新計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，即將為制動(dòng)盤等外購(gòu)件模型提供數(shù)據(jù)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)入、坐標(biāo)系統(tǒng)一后，將其與車輪車軸等結(jié)構(gòu)件模型一并計(jì)算整體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，系統(tǒng)計(jì)算關(guān)鍵過(guò)程與結(jié)果如圖5所示。

圖5　輪對(duì)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算

比較表1中輪對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量實(shí)測(cè)值與圖6中轉(zhuǎn)動(dòng)慣量系統(tǒng)計(jì)算值，發(fā)現(xiàn)兩者之間存在3%誤差，其原因是由于輪對(duì)曲面模型與實(shí)體之間存在一定誤差，若增加車輪所含曲面的造型精度，誤差將得到進(jìn)一步減小。此結(jié)果以文本文件形式一方面輸出至動(dòng)力學(xué)軟件Simpack做動(dòng)力學(xué)分析，一方面作為實(shí)例儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，如圖6所示。

圖6　系統(tǒng)輸出

5　結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)目前缺乏針對(duì)高速列車整車模型的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量快速計(jì)算方法，而面向結(jié)構(gòu)、布局優(yōu)化的高速列車列車設(shè)計(jì)又需對(duì)不斷變化的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行高效計(jì)算這一難題，開(kāi)發(fā)了一套轉(zhuǎn)動(dòng)慣量自動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)。解決了因高速列車裝配體下子模型眾多，以及中性文件模型所含參數(shù)不完整而導(dǎo)致的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量難以高效和準(zhǔn)確計(jì)算的問(wèn)題。同時(shí)，也為除轉(zhuǎn)動(dòng)慣量這一參數(shù)外，其他動(dòng)力學(xué)性能參數(shù)的計(jì)算提供了借鑒方法。

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Automatic calculation method of rotational inertia of high-speed train and system development

LIN Zhi-hai， LI Rong， HAN Xin， ZHANG Hai-zhu， QIU Hong-ming

中圖分類號(hào)：TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-0134（2016）05-0027-04

收稿日期：2016-01-18

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目：高速列車轉(zhuǎn)向架概念設(shè)計(jì)建模及設(shè)計(jì)參數(shù)定量分析研究（51305367）；國(guó)家‘863’計(jì)劃項(xiàng)目：高速列車譜系化模塊構(gòu)建與集成設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)（2012AA112002）

作者簡(jiǎn)介：林之海（1990 -），男，浙江溫州人，碩士研究生，研究方向?yàn)樘摂M樣機(jī)與虛擬制造。