一種高速列車虛擬限界計(jì)算方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種高速列車虛擬限界的計(jì)算方法，包括如下步驟：1)構(gòu)建外表面離散模型；2)獲得其在不同工況下動(dòng)力學(xué)性能仿真數(shù)據(jù)；3)匹配和映射外表面離散模型與動(dòng)力學(xué)性能仿真數(shù)據(jù)；4)模擬列車真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況；5)采用快速最小凸包估計(jì)方法獲得列車運(yùn)行的包絡(luò)三維模型；6)根據(jù)豪斯多夫距離度量獲得列車任意位置精確運(yùn)動(dòng)極限范圍，并根據(jù)列車限界標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證列車外形設(shè)計(jì)是否達(dá)標(biāo)。本發(fā)明通過(guò)將動(dòng)力學(xué)分析數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)模型匹配、映射、集成與融合，提供了設(shè)計(jì)階段即可精確計(jì)算高速列車行車安全關(guān)鍵性能指標(biāo)之一的列車限界的方法，大大減少新車型外形尺寸設(shè)計(jì)時(shí)反復(fù)實(shí)驗(yàn)樣車制造的成本，且為滿足限界要求的車形尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)方向。
【專利說(shuō)明】
-種高速列車虛擬限界計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于高速列車外形輔助設(shè)計(jì)和分析領(lǐng)域，主要設(shè)及一種高速列車設(shè)計(jì)中運(yùn) 行安全關(guān)鍵因素之一的高速列車虛擬限界計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 高速列車已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)主要的客運(yùn)交通運(yùn)載工具，并且世界各國(guó)政府也將高速列 車運(yùn)輸系統(tǒng)作為其國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的先進(jìn)運(yùn)載工具。我國(guó)在引進(jìn)日本和德國(guó)的高速列車技術(shù) 后，通過(guò)不斷地改進(jìn)和再創(chuàng)新，已經(jīng)逐步趕超德日兩國(guó)高鐵技術(shù)，其實(shí)驗(yàn)運(yùn)行速度已經(jīng)突破 480公里/小時(shí)，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。高速列車技術(shù)逐漸成為我國(guó)高科技重大裝備領(lǐng)域的核 屯、技術(shù)，并逐步邁出國(guó)口走向世界。為了適應(yīng)不同國(guó)家運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)不一致、同一線路不同速度 等級(jí)列車運(yùn)營(yíng)、高速列車運(yùn)行安全性、高速列車座位空間寬敞舒適度W及列車載員數(shù)量等 客戶指標(biāo)要求，其進(jìn)一步提高了高速列車外形設(shè)計(jì)的技術(shù)難度。為了適應(yīng)多樣化市場(chǎng)需求， 提高我國(guó)高速列車的競(jìng)爭(zhēng)力，亟需能夠快速設(shè)計(jì)出滿足列車運(yùn)行速度、列車運(yùn)行安全、列車 室內(nèi)空間舒適和載客量適合等多性能綜合指標(biāo)的列車外形設(shè)計(jì)方法。而高速列車虛擬限界 的精確計(jì)算則是高速列車外形設(shè)計(jì)中關(guān)系到列車運(yùn)行安全、列車室內(nèi)舒適性、列車載客量 等多項(xiàng)指標(biāo)的重要因素。
[0003] 列車限界一直W來(lái)就是鐵路運(yùn)行安全重點(diǎn)專注的指標(biāo)，國(guó)家也制定了標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵 路建筑限界標(biāo)準(zhǔn)(GB 146.2-83)。根據(jù)列車限界標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究者也對(duì)列車運(yùn)行限界 測(cè)量進(jìn)行了大量研究，通過(guò)采用圖像識(shí)別和激光掃描方法(如專利CN101082489A，【公開(kāi)日】 2007年12月5日；專利CN102645165A，公布日2012年8月22日；專利CN103630088A，公布日 2014年3月12日等)能夠比較有效的獲得列車運(yùn)行限界，初步起到了保證了鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)安 全和穩(wěn)定的作用。但是針對(duì)不同國(guó)家和不同需求的新型高速列車設(shè)計(jì)時(shí)，缺乏列車外形設(shè) 計(jì)階段即可對(duì)列車運(yùn)行限界進(jìn)行檢驗(yàn)的有效方法，也缺少傳統(tǒng)方法需要的列車外形設(shè)計(jì)安 全闊值相關(guān)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此往往需要通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)樣車制造方法才能保證列車限界指標(biāo)達(dá) 到合格要求。傳統(tǒng)方法也無(wú)法進(jìn)一步根據(jù)限界要求對(duì)列車外形尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)處理，W 提高列車室內(nèi)空間和列車載客量等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種高速列車虛擬限界計(jì)算方法，該方法能夠使設(shè)計(jì)者在 設(shè)計(jì)階段即可分析和計(jì)算高速列車模擬運(yùn)行狀態(tài)的=維包絡(luò)輪廓，然后根據(jù)包絡(luò)輪廓能夠 驗(yàn)證高速列車運(yùn)行限界安全指標(biāo)，并能夠?qū)α熊囃庑芜M(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，已提高列車室內(nèi)舒適 性和載客量，避免了反復(fù)實(shí)驗(yàn)樣車制造造成的人力物力損耗，有效提高了列車外形設(shè)計(jì)效 率，縮短了高速列車開(kāi)發(fā)周期。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明方法主要包括如下步驟：
[0006] -種高速列車虛擬限界計(jì)算方法，包括如下步驟：
[0007] 1)根據(jù)列車設(shè)計(jì)資料構(gòu)建列車外表面離散模型；
[0008] 2)根據(jù)列車動(dòng)力學(xué)參數(shù)，獲得列車在不同工況下動(dòng)力學(xué)性能仿真數(shù)據(jù)；
[0009] 3)匹配和映射列車設(shè)計(jì)外表面離散模型與動(dòng)力學(xué)性能仿真數(shù)據(jù)；
[0010] 4)根據(jù)動(dòng)力學(xué)仿真數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)外表面離散模型模擬列車真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況；
[0011] 5)根據(jù)列車模擬的真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況，采用快速最小凸包估計(jì)方法獲得列車運(yùn)行的 包絡(luò)=維模型；
[0012] 6)根據(jù)獲得的包絡(luò)=維模型，采用豪斯多夫距離度量獲得列車任意位置的精確運(yùn) 動(dòng)極限范圍，然后根據(jù)列車限界標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證列車外形設(shè)計(jì)是否達(dá)標(biāo)。
[0013] 所述的一種高速列車虛擬限界計(jì)算方法，所述步驟(1)中，首先從實(shí)體設(shè)計(jì)模型提 取列車整體外殼表面模型并分為包括頭車、中車、尾車在內(nèi)的不同車廂外殼表面模型，或者 根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸直接構(gòu)建包括頭車、中車、尾車在內(nèi)的不同車廂的外殼表面模型，然后將外殼 表面模型離散成規(guī)則的網(wǎng)格模型。
[0014] 所述的一種高速列車虛擬限界計(jì)算方法，所述步驟(2)中，從實(shí)體設(shè)計(jì)模型獲得列 車動(dòng)力學(xué)參數(shù)，然后進(jìn)行仿真，獲得各種工況下的包括位移、速度、加速度和角位移、角速 度、角加速度在內(nèi)的動(dòng)力學(xué)性能仿真數(shù)據(jù)，并將仿真數(shù)據(jù)按照列車系列W及列車型號(hào)進(jìn)行 唯一化編號(hào)處理。
[0015] 所述的一種高速列車虛擬限界計(jì)算方法，所述步驟(3)中，根據(jù)步驟(2)中的不同 車型仿真數(shù)據(jù)編號(hào)W及步驟(1)中提取獲得的相應(yīng)列車網(wǎng)格模型實(shí)現(xiàn)模型與仿真數(shù)據(jù)的匹 配。
[0016] 所述的一種高速列車虛擬限界計(jì)算方法，所述步驟(4)中，根據(jù)步驟(2)得到的不 同車型不同工況下動(dòng)力學(xué)性能仿真數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成不同車型空間變換的歐拉參數(shù)，并通過(guò)不 同車型表面離散網(wǎng)格模型連續(xù)空間位姿變換，實(shí)現(xiàn)列車真實(shí)運(yùn)動(dòng)的模擬。
[0017] 所述的一種高速列車虛擬限界計(jì)算方法，所述步驟(5)中，根據(jù)列車模擬的真實(shí)運(yùn) 動(dòng)情況，采用快速最小凸包估計(jì)方法，獲得列車運(yùn)行的包絡(luò)=維模型，包括W下步驟：
[001引步驟1:首先根據(jù)列車外表面網(wǎng)格模型，采用化an凸包計(jì)算方法獲得靜止?fàn)顟B(tài)列車 的=維包絡(luò)即初始包絡(luò)=維模型；
[0019] 步驟2:根據(jù)車體運(yùn)行剛性變換特性，采用去除前向位移的空間位姿變換矩陣，驅(qū) 動(dòng)步驟1中得到的初始包絡(luò)=維模型來(lái)模擬列車運(yùn)行狀態(tài)位姿；
[0020] 步驟3:采用化rvis march算法快速估計(jì)初始包絡(luò)運(yùn)動(dòng)過(guò)程疊加數(shù)據(jù)的最小凸包， 即運(yùn)行列車的動(dòng)態(tài)的包絡(luò)=維模型。
[0021] 所述的一種高速列車虛擬限界計(jì)算方法，所述步驟(6)中，根據(jù)包絡(luò)=維模型和已 知的標(biāo)準(zhǔn)限界=維網(wǎng)格模型，采用豪斯多夫距離度量W獲得列車任意位置的精確運(yùn)動(dòng)極限 范圍，并通過(guò)云圖顯示方式對(duì)運(yùn)動(dòng)極限范圍可視化，再通過(guò)對(duì)比和計(jì)算不同的列車限界標(biāo) 準(zhǔn)模型與列車包絡(luò)=維模型的差異，校驗(yàn)列車外形設(shè)計(jì)是否達(dá)標(biāo)。
[0022] 本發(fā)明通過(guò)將高速列車設(shè)計(jì)階段的多體動(dòng)力學(xué)性能仿真數(shù)據(jù)同設(shè)計(jì)實(shí)體模型匹 配、映射、集成與融合，并通過(guò)疊加和融合列車空間姿態(tài)連續(xù)變換的離散模型，采用分布細(xì) 化的凸包計(jì)算方法獲得列車運(yùn)行包絡(luò)=維模型，最終根據(jù)豪斯多夫距離度量，結(jié)合列車限 界標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)高速列車設(shè)計(jì)階段即可校驗(yàn)列車外形是否達(dá)到列車限界標(biāo)準(zhǔn)要求。本發(fā)明的 主要優(yōu)點(diǎn)是：
[0023] 1)多學(xué)科多性能綜合要求的列車外形設(shè)計(jì)。采用本發(fā)明的方法，能夠在高速列車 設(shè)計(jì)階段綜合檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)列車空氣動(dòng)力學(xué)性能、列車運(yùn)行安全性、列車室內(nèi)空間舒適性W 及列車載客量等多種性能指標(biāo)。
[0024] 2)列車外形設(shè)計(jì)中限界達(dá)標(biāo)自動(dòng)檢驗(yàn)。采用本發(fā)明方法，能夠在高速列車設(shè)計(jì)階 段，自動(dòng)的檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)新型列車外形是否達(dá)到列車運(yùn)行時(shí)的限界要求，避免反復(fù)實(shí)驗(yàn)樣車 制造產(chǎn)生的人力物力的損耗。
[0025] 3)多性能驅(qū)動(dòng)的列車外形設(shè)計(jì)。利用本發(fā)明的方法，通過(guò)將列車外形設(shè)計(jì)尺寸參 數(shù)化，結(jié)合數(shù)值分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)綜合考慮列車空氣動(dòng)力學(xué)、列車運(yùn)行安 全、列車室內(nèi)舒適性W及列車載客量等多種性能指標(biāo)的列車外形優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。
【附圖說(shuō)明】
[0026] 圖1是本發(fā)明高速列車虛擬限界計(jì)算方法的流程圖；
[0027] 圖2是提取的高速列車設(shè)計(jì)外表面模型；
[0028] 圖3是高速列車多體動(dòng)力學(xué)仿真模型；
[0029] 圖4是高速列車x，y，z軸的速度和角速度運(yùn)動(dòng)學(xué)性能數(shù)據(jù)曲線；
[0030] 圖5是高速列車x，y，z軸的位移和角位移運(yùn)動(dòng)學(xué)性能數(shù)據(jù)曲線；
[0031] 圖6是多時(shí)間步高速列車外表面模型疊加融合結(jié)果；
[0032] 圖7是高速列車運(yùn)動(dòng)過(guò)程=維包絡(luò)計(jì)算結(jié)果；
[0033] 圖8是高速列車運(yùn)行過(guò)程動(dòng)畫(huà)模擬可視驗(yàn)證包絡(luò)計(jì)算的準(zhǔn)確性結(jié)果；
[0034] 圖9是根據(jù)限界國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證高速列車是否合格的可視化結(jié)果；
[0035] 圖10是根據(jù)列車限界標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)列車外形設(shè)計(jì)是否合格的結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 本發(fā)明方法的關(guān)鍵步驟為：列車設(shè)計(jì)外表面模型提取、列車多體動(dòng)力學(xué)學(xué)性能仿 真、列車異構(gòu)模型數(shù)據(jù)映射與匹配、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的高速列車運(yùn)動(dòng)模擬、列車各時(shí)間步網(wǎng)格模型 融合、最小凸包方法估計(jì)列車=維包絡(luò)、豪斯多夫距離度量檢驗(yàn)外形設(shè)計(jì)合格性。本發(fā)明方 法流程如圖1所述，主要設(shè)計(jì)思路為：
[0037] 1)通過(guò)提取列車CAD實(shí)體模型或者仿真分析模型的列車表面模型，然后構(gòu)建不同 車型外表面離散模型；
[0038] 2)根據(jù)列車多體動(dòng)力學(xué)仿真性能數(shù)據(jù)，提取列車速度、角速度、位移、角位移等運(yùn) 動(dòng)學(xué)參數(shù)，并對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行唯一編號(hào)處理；
[0039] 3)通過(guò)直接匹配或者交互式配對(duì)等方式，將列車多體動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)映射到 對(duì)應(yīng)列車設(shè)計(jì)外表面離散模型；
[0040] 4)根據(jù)列車多體動(dòng)力學(xué)仿真分析的位移、速度和角位移、角速度等時(shí)間序列參數(shù)， 將其轉(zhuǎn)換成不同車型空間變換的歐拉參數(shù)，并通過(guò)不同車型表面離散網(wǎng)格模型連續(xù)空間位 姿變換，實(shí)現(xiàn)列車真實(shí)運(yùn)動(dòng)的模擬；
[0041 ] 5)采用快速最小凸包估計(jì)方法獲得列車運(yùn)行的包絡(luò)=維模型；
[0042] 6)根據(jù)豪斯多夫距離度量獲得列車任意位置的精確運(yùn)動(dòng)極限范圍，并可根據(jù)列車 限界標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證列車外形設(shè)計(jì)是否達(dá)標(biāo)。
[0043] 其中，步驟1)通過(guò)提取列車CAD實(shí)體模型或者仿真分析模型的列車表面模型，然后 構(gòu)建不同車型外表面離散模型的具體過(guò)程如下：
[0044] 對(duì)于CAD實(shí)體模型，則在S維造型軟件中交互式的選擇外表面特征，然后采用S角 網(wǎng)格離散化方法，將邊界特征表達(dá)的實(shí)體表面特征表達(dá)成=角網(wǎng)格模型，然后將模型保存 為Sll格式，實(shí)現(xiàn)列車CAD實(shí)體模型外表面網(wǎng)格構(gòu)建。對(duì)于空氣動(dòng)力學(xué)等仿真分析的列車模 型，則通過(guò)抽取表面特征方法，獲得列車外表面單元然后通過(guò)表面單元模型=角化，從而獲 得列車表面離散模型。
[0045] 步驟2)根據(jù)列車多體動(dòng)力學(xué)仿真性能數(shù)據(jù)，提取列車速度、角速度、位移、角位移 等運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，并對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行唯一編號(hào)處理的具體過(guò)程如下：
[0046] 采用SIMPACK軟件實(shí)現(xiàn)列車多體動(dòng)力學(xué)仿真，獲得列車運(yùn)行模擬仿真中的速度、角 速度、位移和角位移等運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)信息，然后采用軟件數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能，獲得文本格式的數(shù)據(jù) 文件，接著通過(guò)解析數(shù)據(jù)文件獲得運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析數(shù)據(jù)，并構(gòu)建表達(dá)列車類型、運(yùn)行狀態(tài)的 唯一編號(hào)，構(gòu)建多體動(dòng)力學(xué)仿真分析數(shù)據(jù)和提取外表面模型的映射關(guān)系。
[0047] 步驟3)通過(guò)直接匹配或者交互式配對(duì)等方式，將列車多體動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果數(shù)據(jù) 映射到對(duì)應(yīng)列車設(shè)計(jì)外表面離散模型的具體過(guò)程如下：
[0048] 構(gòu)建同時(shí)包含有列車外表面模型和多體動(dòng)力學(xué)仿真分析數(shù)據(jù)，W及與仿真分析數(shù) 據(jù)步數(shù)相同的時(shí)間序列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。然后根據(jù)多體動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)和列車外表面模型的映射關(guān) 系，構(gòu)建數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)象，同時(shí)也支持用戶交互式配對(duì)多體動(dòng)力學(xué)仿真分析數(shù)據(jù)和列車外表 面模型。
[0049] 步驟4)根據(jù)列車多體動(dòng)力學(xué)仿真分析的位移、速度和角位移、角速度等時(shí)間序列 參數(shù)，將其轉(zhuǎn)換成不同車型空間變換的歐拉參數(shù)，并通過(guò)不同車型表面離散網(wǎng)格模型連續(xù) 空間位姿變換，實(shí)現(xiàn)列車真實(shí)運(yùn)動(dòng)的模擬的具體過(guò)程如下：
[0050] 由列車多體動(dòng)力學(xué)仿真分析的速度和角速度時(shí)間序列數(shù)據(jù)，各時(shí)間步內(nèi)X，Y，Z方 向的平均速度和角速度可W分別表示為：
[0化1 ]
[0化2]
[0053]然后可W構(gòu)建列車運(yùn)動(dòng)空間位姿變化矩陣：
[0化4] Ti = RzRyRxTzTyTx
[0055]其中，Tx, Ty Jz為空間位姿變換矩陣中的平移運(yùn)動(dòng)部分，其具體表示為：
[0化6]
[0057] Rx, Ry, Rz為空間位姿變換矩陣中的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部分，其可W表示為：
[0化引
[0化9]
[0060]
[0061] 由列車空間位姿矩陣，可W得到列車某一時(shí)間步內(nèi)的位姿變換，而列車運(yùn)行過(guò)程 則為空間連續(xù)運(yùn)動(dòng)，其可W通過(guò)矩陣連乘表示：
[0062]
[0063] 最后，通過(guò)構(gòu)建固定時(shí)間步長(zhǎng)的觸發(fā)器，根據(jù)列車空間變換矩陣，連續(xù)觸發(fā)列車做 空間位姿變換，即可用模擬列車=維空間中的真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況。
[0064] 步驟5)采用快速最小凸包估計(jì)方法獲得列車運(yùn)行的包絡(luò)=維模型的具體過(guò)程如 下：
[0065] a)采用化an凸包計(jì)算方法估計(jì)靜止?fàn)顟B(tài)列車的S維包絡(luò)網(wǎng)格模型，并用S = CH(P) 表不；
[0066] b)根據(jù)列車運(yùn)行中剛性運(yùn)動(dòng)特性，采用車體空間位姿變換矩陣堪《，驅(qū)動(dòng)S維包絡(luò) 模型連續(xù)空間位姿變換，模擬列車真實(shí)運(yùn)動(dòng)。各時(shí)間步列車=維包絡(luò)網(wǎng)格模型可W直接通 過(guò)空間位姿變換獲得，具體表示為& 'S .
[0067] C)通過(guò)去除列車前向位移方法，疊加列車各時(shí)間步S維包絡(luò)模型；
[0068] d)采用化rvis march算法快速獲得運(yùn)行列車的動(dòng)態(tài)S維包絡(luò)模型。
[0069] -般列車仿真分析提取的網(wǎng)格模型和實(shí)體設(shè)計(jì)外表面離散模型包含的頂點(diǎn)n數(shù)目 有幾萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)個(gè)，仿真分析的時(shí)間步長(zhǎng)m-般也有幾千步W上。因此，直接采用當(dāng)前效 率最高的化an算法估計(jì)列車外表面模型融合數(shù)據(jù)的最小凸包，其時(shí)間復(fù)雜度為0(n ? mlo曲），其中h為融合模型最小凸包包含的頂點(diǎn)數(shù)目。該方法對(duì)于CPU和內(nèi)存需求很高，普 通電腦難W滿足要求。本發(fā)明上述四步中，a)步的時(shí)間復(fù)雜度為0(nlo曲S)，其中hs為原始模 型最小凸包包含的頂點(diǎn)數(shù)目，其一般小于h"b)和C)步的時(shí)間復(fù)雜度為頂點(diǎn)數(shù)目的線性函數(shù) 〇(n)，d)步的時(shí)間復(fù)雜度為O(mloghs)。因此本發(fā)明方法中最小凸包計(jì)算的總時(shí)間復(fù)雜度為 0(mloghs+nlo曲s+n)，其遠(yuǎn)小于化an算法估計(jì)融合模型最小凸包的時(shí)間消耗。
[0070] 步驟6)根據(jù)豪斯多夫距離度量獲得列車任意位置的精確運(yùn)動(dòng)極限范圍，并可根據(jù) 列車限界標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證列車外形設(shè)計(jì)是否達(dá)標(biāo)的具體過(guò)程為：
[0071] 首先，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的列車限界二維尺寸輪廓線，采用拉伸方法，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)限界= 維網(wǎng)格模型。
[0072] 接著，將列車運(yùn)行包絡(luò)=維模型X和標(biāo)準(zhǔn)限界=維模型Y按照全局坐標(biāo)系對(duì)位置進(jìn) 行匹配操作，并采用化USdorff距離測(cè)度方法估計(jì)模型間的距離，可W表示為：
[0073]
[0074] 其中x，y分別為列車運(yùn)行包絡(luò)S維模型和標(biāo)準(zhǔn)限界S維模型中的點(diǎn)，SUP表示上確 界，inf表示下界，ny為頂點(diǎn)y的法向，Sgn為符號(hào)函數(shù)。
[0075] 最后，根據(jù)距離測(cè)度的定義，當(dāng)d(x，y)為負(fù)值時(shí)，表明列車運(yùn)行過(guò)程出現(xiàn)超出限界 的情況，為正值時(shí)，說(shuō)明列車運(yùn)行安全，且值越大安全域度越高。為了能夠更直觀的表達(dá)列 車運(yùn)行安全狀況，采用云圖顯示方式對(duì)列車運(yùn)動(dòng)極限量可視化。
[0076] 下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明：
[0077] 圖2為高速列車CAD設(shè)計(jì)實(shí)體模型中提取的車廂外殼表面模型，其中2-1為面繪制 顯示的表面模型，2-2為網(wǎng)格繪制的表面模型。本方法同樣支持參數(shù)化設(shè)計(jì)的列車外形模 型，且表面模型離散化時(shí)只需要滿足離散采樣精度即可，不受離散網(wǎng)格模型類型和規(guī)則化 程度影響。
[0078] 圖3為高速列車多體動(dòng)力學(xué)仿真分析模型。為了滿足列車多體動(dòng)力學(xué)仿真分析的 要求，其為設(shè)計(jì)實(shí)體模型的抽象和簡(jiǎn)化的幾何模型，然后設(shè)置列車密度、質(zhì)量參數(shù)，添加運(yùn) 行軌道、彈黃等約束，并施加重力、摩擦力、驅(qū)動(dòng)力W及外部激勵(lì)等，仿真模擬列車真實(shí)運(yùn)動(dòng) 狀況。
[0079] 圖4為高速列車直線運(yùn)動(dòng)過(guò)程中添加低頻外部激勵(lì)的運(yùn)動(dòng)模擬結(jié)果。圖4a、b、c分 另IJ為列車x、y、z方向的速度曲線，由圖4a可知列車W56.5m/s的速度向X方向運(yùn)動(dòng)，由于車體 振動(dòng)的影響，列車在y、z方向有小幅度周期振動(dòng)。圖4d、e、f分別為列車x、y、z方向角速度曲 線，列車運(yùn)行過(guò)程中的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是由于各方向受力不均導(dǎo)致。
[0080] 圖5為高速列車運(yùn)行過(guò)程各方向速度和角速度通過(guò)積分獲得的位移和角位移曲 線，其能夠比較直觀地顯示列車位姿變化W及列車運(yùn)行狀況。通過(guò)將各時(shí)間步間x、y、z方向 平移運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成列車空間變換的歐拉參數(shù)，然后采用列車連續(xù)空間位姿變換， 可實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行過(guò)程模擬和可視化。
[0081] 圖6為采用化an算法估計(jì)列車原始網(wǎng)格模型的最小凸包的結(jié)果。其中6-1為列車原 始網(wǎng)格模型，且用線框模型繪制，6-2為=維包絡(luò)模型，并運(yùn)用透明方式繪制，從而能夠可視 化其內(nèi)的原始列車模型，能夠方便的對(duì)比兩者的區(qū)別。
[0082] 圖7為高速列車設(shè)計(jì)模型與多體動(dòng)力學(xué)仿真分析數(shù)據(jù)映射匹配后，并采用歐拉參 數(shù)驅(qū)動(dòng)列車模型=維包絡(luò)連續(xù)變換的多個(gè)時(shí)間步模型融合結(jié)果。其中，7-1為列車初始位置 時(shí)S維包絡(luò)模型，7-2為列車y向偏移時(shí)包絡(luò)模型，7-3為列車X方向順時(shí)針偏轉(zhuǎn)時(shí)的包絡(luò)模 型，7-4為列車Z向偏移時(shí)的包絡(luò)模型，7-5為列車X方向逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)時(shí)的包絡(luò)模型。圖中示意 了部分時(shí)間步列車包絡(luò)模型融合結(jié)果，實(shí)際使用時(shí)需要將各時(shí)間列車包絡(luò)模型疊加融合。
[0083] 圖8為高速列車模擬運(yùn)行過(guò)程中S維包絡(luò)可視化結(jié)果。其首先通過(guò)化an算法估計(jì) 原始列車模型=維包絡(luò)，結(jié)果如圖6所示。然后根據(jù)列車運(yùn)行模擬仿真數(shù)據(jù)，構(gòu)建空間位姿 變換矩陣，驅(qū)動(dòng)原始列車=維包絡(luò)模型模擬列車運(yùn)動(dòng)，部分時(shí)間步=維包絡(luò)模型如圖7所 示。然后采用化rvis march算法，快速估計(jì)最小S維凸包，獲得列車運(yùn)行過(guò)程中的動(dòng)態(tài)S維 包絡(luò)網(wǎng)格模型。
[0084] 圖9為高速列車運(yùn)行模擬的動(dòng)畫(huà)結(jié)果，各圖中透明部分顯示模型為列車=維包絡(luò)， 網(wǎng)格顯示模型為列車模擬運(yùn)行過(guò)程中各時(shí)間步的列車位姿模型。圖9a、b、c、d分別為列車運(yùn) 行0.0s、1.2s、2.5s、6s時(shí)列車的空間位姿狀態(tài)。通過(guò)運(yùn)種可視表達(dá)方式，可W直觀地對(duì)列車 運(yùn)動(dòng)過(guò)程=維包絡(luò)模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，并為列車外形尺寸修正，提供了準(zhǔn)確 的數(shù)據(jù)支撐。
[0085]圖10為根據(jù)列車限界標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)列車外形設(shè)計(jì)是否合格的結(jié)果。其中圖IOa為根據(jù) 鐵路限界標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建的實(shí)體模型，黑色粗實(shí)線表示的鐵路限界標(biāo)準(zhǔn)二維輪廓線，箭頭方向?yàn)?拉伸方向。圖IOb則為仿真數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)列車模擬仿真過(guò)程計(jì)算獲得的=維動(dòng)態(tài)包絡(luò)。通過(guò)采用 豪斯多夫距離度量，并采用云圖可視化方法，能夠方便清楚地校驗(yàn)列車外形設(shè)計(jì)尺寸是否 合格，其中距離度量為負(fù)值時(shí)，表明列車運(yùn)動(dòng)過(guò)程已經(jīng)超出限界要求，且數(shù)值越大超出越 多;距離度量為正值時(shí)，表明列車運(yùn)動(dòng)過(guò)程是安全的，且數(shù)值越大安全系數(shù)越高。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種高速列車虛擬限界計(jì)算方法，其特征在于，包括如下步驟： 1) 根據(jù)列車設(shè)計(jì)資料構(gòu)建列車外表面離散模型； 2) 根據(jù)列車動(dòng)力學(xué)參數(shù)，獲得列車在不同工況下動(dòng)力學(xué)性能仿真數(shù)據(jù)； 3) 匹配和映射列車設(shè)計(jì)外表面離散模型與動(dòng)力學(xué)性能仿真數(shù)據(jù)； 4) 根據(jù)動(dòng)力學(xué)仿真數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)外表面離散模型模擬列車真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況； 5) 根據(jù)列車模擬的真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況，采用快速最小凸包估計(jì)方法獲得列車運(yùn)行的包絡(luò)三 維模型； 6) 根據(jù)獲得的包絡(luò)三維模型，采用豪斯多夫距離度量獲得列車任意位置的精確運(yùn)動(dòng)極 限范圍，然后根據(jù)列車限界標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證列車外形設(shè)計(jì)是否達(dá)標(biāo)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高速列車虛擬限界計(jì)算方法，其特征在于:所述步驟（1) 中，首先從實(shí)體設(shè)計(jì)模型提取列車整體外殼表面模型并分為包括頭車、中車、尾車在內(nèi)的不 同車廂外殼表面模型，或者根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸直接構(gòu)建包括頭車、中車、尾車在內(nèi)的不同車廂的 外殼表面模型，然后將外殼表面模型離散成規(guī)則的網(wǎng)格模型。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高速列車虛擬限界計(jì)算方法，其特征在于:所述步驟(2) 中，從實(shí)體設(shè)計(jì)模型獲得列車動(dòng)力學(xué)參數(shù)，然后進(jìn)行仿真，獲得各種工況下的包括位移、速 度、加速度和角位移、角速度、角加速度在內(nèi)的動(dòng)力學(xué)性能仿真數(shù)據(jù)，并將仿真數(shù)據(jù)按照列 車系列以及列車型號(hào)進(jìn)行唯一化編號(hào)處理。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高速列車虛擬限界計(jì)算方法，其特征在于:所述步驟(3) 中，根據(jù)步驟(2)中的不同車型仿真數(shù)據(jù)編號(hào)以及步驟(1)中提取獲得的相應(yīng)列車網(wǎng)格模型 實(shí)現(xiàn)模型與仿真數(shù)據(jù)的匹配。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高速列車虛擬限界計(jì)算方法，其特征在于:所述步驟(4) 中，根據(jù)步驟(2)得到的不同車型不同工況下動(dòng)力學(xué)性能仿真數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成不同車型空間變 換的歐拉參數(shù)，并通過(guò)不同車型表面離散網(wǎng)格模型連續(xù)空間位姿變換，實(shí)現(xiàn)列車真實(shí)運(yùn)動(dòng) 的模擬。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高速列車虛擬限界計(jì)算方法，其特征在于:所述步驟(5) 中，根據(jù)列車模擬的真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況，采用快速最小凸包估計(jì)方法，獲得列車運(yùn)行的包絡(luò)三維 模型，包括以下步驟： 步驟1:首先根據(jù)列車外表面網(wǎng)格模型，采用Chan凸包計(jì)算方法獲得靜止?fàn)顟B(tài)列車的三 維包絡(luò)即初始包絡(luò)三維模型； 步驟2:根據(jù)車體運(yùn)行剛性變換特性，采用去除前向位移的空間位姿變換矩陣，驅(qū)動(dòng)步 驟1中得到的初始包絡(luò)三維模型來(lái)模擬列車運(yùn)行狀態(tài)位姿； 步驟3:采用Jarvis march算法快速估計(jì)初始包絡(luò)運(yùn)動(dòng)過(guò)程疊加數(shù)據(jù)的最小凸包，即運(yùn) 行列車的動(dòng)態(tài)的包絡(luò)三維模型。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高速列車虛擬限界計(jì)算方法，其特征在于:所述步驟(6) 中，根據(jù)包絡(luò)三維模型和已知的標(biāo)準(zhǔn)限界三維網(wǎng)格模型，采用豪斯多夫距離度量以獲得列 車任意位置的精確運(yùn)動(dòng)極限范圍，并通過(guò)云圖顯示方式對(duì)運(yùn)動(dòng)極限范圍可視化，再通過(guò)對(duì) 比和計(jì)算不同的列車限界標(biāo)準(zhǔn)模型與列車包絡(luò)三維模型的差異，校驗(yàn)列車外形設(shè)計(jì)是否達(dá) 標(biāo)。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK105956214SQ201610221629
【公開(kāi)日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年4月11日
【發(fā)明人】易兵, 李雄兵, 易敏寒, 楊岳
【申請(qǐng)人】中南大學(xué)