基于simpack 刚柔耦合车体动力学性能研究

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1、基于SIMPACK刚柔耦合车体动力学性能研究　　摘要：本文介绍了在SIMPACK软件中建立柔性体的方法；建立了刚柔耦合的铁道货车的柔性车体系统模型；对车体系统进行动力学分析，并通过仿真结果与实测数据的比较，证明了刚柔耦合车体模型比刚体车体模型更为准确。关键词：货车；车体；SIMPACK；刚柔耦合Abstract:ThispaperintroducesthemethodofestablishingtheflexiblebodyinSIMPACKsoftware;establishaflexiblebodysystemmodelofrailwayfreight

2、carrigid-flexiblecoupling;dynamicanalysisofthecarbodysystem,andthesimulationresultsarecomparedwithexperimentaldata,provedtherigid-flexiblecouplingvehiclemodelthanrigidbodymodelismoreaccurate.Keywords:truck;vehicle;SIMPACK;rigid-flexiblecoupling中图分类号：O313文献标识码：A0引言8随着国民经济的持续高速发展，人们

3、对铁路运输的质量和水平提出了越来越高的要求。客车高速化、货车重载化、轻量化已成为铁路运输发展的时代主题。其中轻量化使得车体刚度降低，较大的动载荷和较低的车体刚度引起车体大的弹性变形。使得弹性变形对车辆的动力学性能的影响越来越大。车体的振动加速度增大，加速度的频率成份复杂化，出现高频颤振，对货车的运行安全性及货物的安全带来很大的影响，这种颤振表现为车体整体或局部有明显的抖动现象，而且振动频率较高,引起车体疲劳破坏缩短车辆寿命周期。轻量化设计后的重载货车会出现不同程度的车体颤振现象，引起车体垂向加速度的过大。引起颤振的原因初步分析认为车体这种振动与车体弹性振动

4、共振和车体某些耦合振动有关，这些都将会影响到整车的动力学性能及寿命。以往的车辆动力学研究中，通常把架的车体都考虑成为刚体，不考虑结构弹性变形的影响，这对于低速运行的车辆是可以的，但对于高速运行的车辆，特别是车辆结构轻量化的发展，车体的弹性变形对车辆系统振动特性的影响不能被忽略。本文利用ANSYS和SIMPACK软件建立车体的刚柔耦合模型，并将该模型与刚体模型的仿真结果与实测数据进行系统振动响应分析。1刚柔耦合建模理论SIMPACK采用的柔性体离散化方法与继承柔性体模态分析的方法及对集成有限元模型的多体基础理论。模态集成法8模态集成法的基本原理是将柔性体视为

5、有限元模型的节点的集合，相对于局部坐标系有小的线性变形，而此局部坐标系做大的非线性整体平动和转动。每个节点的线性局部运动近似为模态振型或模态振型向量的线性叠加。如果局部坐标系的位置用它在惯性参考系中的迪卡尔坐标和反映方位的欧拉角来表示，模态坐标用（m为模态坐标数）来表示，则柔性体的广义坐标可选为：（1-1）式中：x,y和z是局部坐标系相对于整体坐标系得空间位置；，和是局部坐标系相对于整体坐标系原点的欧拉角；是第m阶模态振幅的振型分量。最后可得到SIMPACK的柔性体方程如下：（1-2）1.2集成有限元模型的多体理论分析在有限元分析中，分析对象划分的网格节点

6、，是相对于对象本身的某一惯性坐标。为了描述方便，一般将惯性坐标固定连载物体的一端，并将坐标的一个轴线与物体的轴线重合。将有限元分析的柔体加入多体系统中，需将柔体作相对的位移，即需要将柔体分析的有限元方程乘以转换矩阵，从而实现由局部坐标向整个模型的惯性坐标的转换。采用拉格朗日方法建立的多体系统动力学，当代入其各项因子后，其简化形式如有限元方程：8（1-3）在SIMPACK软件中，所有的钢体柔体都使用一个随刚体和柔体运动的浮动局部坐标（LocalFloatingReferenceFrame）。当刚体或柔体运动时，对于系统求解的每一步，从局部坐标向惯性坐标系转换

7、的相关矩阵也必须更新，但惯性坐标系下的矩阵不需要重新形成，从而提高了系统的求解效率。如果假定柔体的变形应力在材料的线性变化范围内。关于集成了有限元模型的多体系统的求解是在多体模型的基础上，预先求得柔性体与多体系统的作用点得力、力矩、位移、速度、加速度等边界条件，柔性体以此边界条件求出变形与力、力矩，与多刚体模型的结果进行对比，如果误差较大，可进入下一步求解，此时以柔性体的变形或力、力矩为已知条件，求得系统对此作用点相应的力、力矩或位移。直到误差达到规定的范围。刚柔耦合模型建立在SIMPACK中建立柔性体在SIMPACK中建立柔性体模型，首先需要产生准确的多

8、刚体模型，然后用柔性体取代要考虑成柔性体的结构元件。FEMBS是S