铁道客车乘坐舒适性建模、仿真与虚拟试验研究

摘要

我国铁路客运正迎来跨越式发展的历史机遇,追求高品质的乘坐舒适性是伴随这一发展历程的必然要求。采用先进的理论分析模型和计算机仿真技术,研究铁路客车的乘坐舒适性是保证列车运行品质的基础内容和关键环节。静态乘坐舒适性和振动舒适性是决定乘坐舒适性的两大重要因素。然而,目前针对铁道客车的静态乘坐舒适性研究,尚缺乏考虑人体特征差异的坐姿舒适性定量分析方法和评价模型。在振动舒适性研究中,尚欠缺综合考虑乘员质量参振作用、车体柔性和空间特征的理论分析模型。对于乘员质量在轻量化高速客车中的参振影响,以及目前的运行平稳性标准在卧车车辆上的适用性问题,还欠缺深入研究。另外,在仿真技术方面,还没有能够将集动力学仿真与视景仿真于一体的虚拟试验技术用于铁道客车振动舒适性的分析模拟。为此,本文对以上问题进行深入系统的研究,具体内容如下：
　　 (1)采用几何建模和特征建模技术,建立了具有不同人体百分位参数化建模功能的人体CAD模型。利用循环干涉检查方法进行人一椅CAD模型自适应匹配,实现了不同尺寸人体“虚拟乘坐”的要求,为坐姿几何舒适性的分析评价提供了客观依据。在此基础上,以性别、人体百分位及坐姿关节角度构成三层因素集,以不同设计方案的座椅构成评价集,建立了列车座椅几何舒适性三级模糊综合评价模型,应用该评价模型可定量分析比较不同设计方案列车座椅的几何舒适性。
　　 (2)分析了坐姿人体振动生物力学特性和柔性车体特征,综合考虑乘员质量和车体柔性的参振影响,建立了坐姿人体-柔性车体垂向耦合动力学模型。在此基础上,建立了包含车体自由度和坐姿人体自由度的耦合振动系统运动方程,通过化多轮激励为单轮激励,实现了轨道不平顺激励下的随机振动仿真。运用该模型对轻量化高速客车在满乘和空载两种情况下的随机振动响应进行了定量对比分析,结果表明乘员质量的参振作用明显,忽略乘员质量的影响会带来较大的计算误差。
　　 (3)分析了卧铺的隔振作用与卧姿人体的垂直振动响应特性,针对卧车的结构特点,建立了“人-铺-车辆”空间振动系统动力学模型。在此基础上,建立了考虑车厢空间位置的卧姿人体头--臀部位的随机振动响应模型。应用卧姿人体全身振动舒适性评价标准,建立了铁路卧铺客车人体振动舒适性仿真流程。运用该模型分析了Speding指标和GB/T18368-2001指标在卧铺客车振动舒适性评价中的差异性、卧铺参数的影响,以及不同铺位振动舒适性的区别。
　　 (4)深入开展了铁道客车振动舒适性虚拟试验方法研究。以虚拟试验场的建立作为虚拟试验的前提基础,采用自建理论模型和多体动力学软件作为虚拟试验计算引擎,以虚拟仪表作为虚拟试验数据可视化工具,构建了铁路客车振动舒适性虚拟试验系统体系结构。在虚拟试验数据传输机制上,以基于虚拟试验场的轨道线路空间数学模型为联系纽带,统一定义虚拟样机环境和虚拟现实环境中的轨道线路工况,有效保证了动力学仿真与视景仿真在虚拟试验过程中的有机联系和集成。
　　 (5)在振动舒适性虚拟试验场的构建研究中,利用三维CAD建模、虚拟现实模型优化、纹理映射和DOF建模技术,建立了列车三维视景虚拟现实模型。建立了基于真实地形DEM数据的虚拟试验场,建立了基于分段函数的轨道线路空间数学模型,实现了分段线路由局部空间坐标向地形空间坐标的映射转换机制。研究了程式化的轨道线路地形空间形位数据的生成方法和实现技术。
　　 (6)开展了基于虚拟样机技术的铁道客车振动舒适性多体动力学仿真研究。通过编制文本解析程序,实现轨道线路拐点数据由虚拟试验场向虚拟样机建模环境的自动转换。基于Adams/Rail实现了面向铁道客车振动舒适性分析的多体动力学仿真,为振动舒适性虚拟实验提供了强大的车辆运动属性支持。
　　 (7)在铁道客车动态视景仿真研究中,利用车辆运动学数据文件集生成的车辆图像帧序列驱动列车视景模型,能够准确地模拟列车在虚拟试验场既定轨道的动态运行。利用Measurement Studio开发工具,建立了铁道客车振动舒适性虚拟试验仪表,实现了车辆运行速度、振动加速度及舒适性指标的实时动态显示。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 铁道客车的静态舒适性与振动舒适性

1.3 国内外研究现状

1.3.1 车辆座椅静态舒适性研究现状

1.3.2 铁道客车振动舒适性研究现状

1.3.3 铁道车辆虚拟试验技术相关研究现状

1.4 目前存在的问题和研究意义

1.5 论文的主要研究内容

第二章 列车座椅几何舒适性分析与评价

2.1 前言

2.2 列车座椅几何舒适性分析基本方案

2.3 我国坐姿人体测量数据及其补充估算

2.4 人体CAD模型的建立

2.4.1 面向座椅几何舒适性分析的人体模型要求

2.4.2 人体CAD模型特征拓扑结构

2.4.3 人体CAD模型的参数化建模

2.5 基于CAD模型的人-椅自适应匹配

2.6 列车座椅几何舒适性评价模型

2.6.1 模糊综合评价方法

2.6.2 列车座椅几何舒适性多级模糊综合评价模型

2.7 列车座椅几何舒适性分析实例

2.8 本章小结

第三章 铁路座车振动舒适性建模与仿真

3.1 前言

3.2 坐姿人体振动生物力学模型

3.3 “坐姿人体—柔性车体”耦合动力学模型

3.3.1 物理模型

3.3.2 运动方程

3.4 铁路座车振动舒适性仿真与评价

3.4.1 轨道随机不平顺激励

3.4.2 “坐姿人体—柔性车体”耦合动力学系统随机振动响应

3.4.3 人体振动舒适性评价

3.5 铁路座车振动舒适性分析

3.5.1 模型验证

3.5.2 乘员质量对铁道客车振动舒适性的影响分析

3.6 车辆运行平稳性模拟振动台试验

3.7 本章小结

第四章 铁路卧车振动舒适性建模与仿真

4.1 前言

4.2 卧姿人体振动模型

4.3“人—铺—车辆 空间振动系统动力学模型

4.3.1 物理模型的建立

4.3.2 模型的简化

4.4 车辆铺位的随机振动响应

4.4.1 车辆空间振动系统数学模型

4.4.2 车厢任意铺位随机振动响应的计算方法

4.5 卧姿人体振动舒适性的计算

4.5.1 卧姿人体的随机振动响应

4.5.2 卧姿人体振动舒适性的评价

4.6 卧铺客车振动舒适性分析实例

4.7 本章小结

第五章 铁道客车振动舒适性虚拟试验系统架构

5.1 前言

5.2 构建铁道客车振动舒适性虚拟试验系统的基础问题

5.2.1 铁道客车振动舒适性的动力学解算途径

5.2.2 车辆虚拟试验中动力学仿真与视景仿真的集成方式

5.2.3 铁道客车振动舒适性虚拟试验系统的要求和特点

5.3 基于虚拟试验场的铁道客车振动舒适性虚拟试验架构

5.4 铁道客车振动舒适性虚拟试验系统的组成部分

5.5 铁道客车振动舒适性虚拟试验系统的实现平台

5.5.1 硬件平台

5.5.2 软件平台

5.6 本章小结

第六章 铁道客车振动舒适性虚拟试验场的构建

6.1 前言

6.2 虚拟试验场景数据库层次结构

6.3 铁道客车动态视景模型

6.3.1 车辆几何模型的建立

6.3.2 模型优化和纹理映射

6.3.3 车辆DOF建模

6.3.4 铁道客车三维视景模型库的建立

6.4 虚拟试验场地形建模

6.4.1 基于DEM数据的地形网格生成

6.4.2 地形投影方式和转换算法

6.4.3 地形网格LOD模型

6.4.4 地形的纹理映射及优化

6.5 虚拟试验场轨道线路建模

6.5.1 轨道线路空间数学模型

6.5.2 轨道线路的几何建模与视景建模

6.6 本章小结

第七章 面向振动舒适性分析的铁道客车多体动力学仿真

7.1 前言

7.2 铁道客车虚拟样机建模

7.2.1 Adams建模基本理论

7.2.2 基于模板的参数化建模方法

7.2.3 铁道客车虚拟样机模型的建立

7.3 轮轨接触模型的建立

7.4 轨道线路试验工况的设定

7.4.1 轨道线路几何形位的设定

7.4.2 轨道不平顺的设定

7.5 铁道客车多体动力学仿真

7.5.1 多体动力学数值求解算法

7.5.2 铁道客车振动舒适性仿真

7.6 视景仿真驱动数据的生成

7.7 本章小结

第八章 铁道客车振动舒适性虚拟试验的实现

8.1 前言

8.2 基于VEGA的视景仿真系统开发

8.3 铁道客车动态视景仿真的实现

8.3.1 车辆图像帧序列的生成

8.3.2 单节车辆视景模型的驱动

8.3.3 列车视景模型的驱动

8.4 基于虚拟仪表的振动舒适性实时分析

8.5 铁道客车振动舒适性虚拟试验实例

8.6 本章小结

第九章 结论与展望

9.1 主要研究成果

9.2 论文的主要创新点

9.3 进一步研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间的主要研究成果