面向設計模型的高速列車整機性能動態模擬及參數最佳化

《面向設計模型的高速列車整機性能動態模擬及參數最佳化》是依託西南交通大學，由丁國富擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：面向設計模型的高速列車整機性能動態模擬及參數最佳化
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：丁國富
• 依託單位：西南交通大學

項目摘要

針對高速列車性能設計、分析研究中存在的不足，系統地提出將設計模型貫穿於高速列車整機性能動態模擬過程的思路。通過對高速列車整機性能分析模型在設計環境中的自動抽取、關聯的設計及分析模型向仿真模型的抽象與表達，並結合高速列車運行的線路條件，構建面向設計模型的高速列車動態模擬環境；在此基礎上研究基於高速列車整機動力學分析的性能參數最佳化方法，以獲得滿意的性能參數。該研究充分將數位化設計方法與整機性能分析通過現代計算機仿真建模手段結合起來，以高速列車性能模擬為載體，為高速列車的研發提供一條系統的思路，解決高速列車的設計、分析及性能參數最佳化相對獨立的問題，最終為我國高速鐵路的發展提供技術基礎。

結題摘要

本研究提出一種面向設計模型的高速列車整機性能動態模擬及參數最佳化思路。該思路從系統的角度，將高速列車動力學分析模型融合在產品設計過程中，以獲得合理的性能參數。經過3年的研究，得到如下結果： （1）提出完整的產品不同設計階段的設計分析集成模型（HPDA） 引入面向設計模型的靈敏度分析模型和最佳化模型，擴展MRA表達框架成為滿足複雜多體系統產品設計—分析—再設計的廣義集成框架GMRA（Generalized MRA）。通過在各個設計階段定義和構建GMRA獲得全息的產品設計分析模型HPDA（Holistic Product Design and Analysis Model）模型，針對高速列車的設計分析集成情況，採用HPDA對其實例化研究。並針對整機性能分析提出面向設計模型的廣義多描述架構模型GMRA。 （2）提出基於多體系統理論的高速列車靈敏度分析模型及求解方法 基於設計模型的設計分析集成思路，將輪軌接觸簡化為彈簧-阻尼模型以求解輪軌法向力，建立起面向多體系統的高速列車靈敏度分析模型，將高速列車性能設計參數與動力學關聯起來，通過採用伴隨變數法詳細推導了高速列車性能設計參數對其動力學回響的靈敏度，初步找到了設計參數與性能之間的關係，建立了基於靈敏度的最佳化模型，從而將設計、分析、靈敏度、最佳化集成到產品性能設計的循環中，為性能參數的尋優建立基礎。 （3）提出面向設計模型的動力學分析環境下的動態模擬實時性和逼真性表達方法及算法 通過將設計模型的幾何模型和屬性模型過渡到動力學環境中，採用三維可視化進行高速列車拓撲結構的構建，研究面向CPU、GPU的高速列車運行模擬模型動態干涉算法，實現了基於動力學數據驅動的高速列車運行過程動態模擬，更為真實地表達了高速列車運行模擬的過程。 （4）開發和搭建了高速列車設計、分析集成一體化的原型系統 在主流三維CAD軟體基礎上，通過將包含性能屬性的設計模型無縫過渡到動力學可視化分析環境，並將其自動映射為可供求解的自主研發的仿真模型；以此探索了性能設計參數對動力學性能回響的靈敏度求解算法，從而將設計模型的設計參數與動力學回響關聯起來，建立起可供疊代的最佳化模型，有效地實現產品的設計、分析、靈敏度分析和最佳化的結合。經過以上研究，實現了高速列車在動態可視的環境的動態模擬，並將設計模型與分析模型統一起來，實現高速列車性能的設計、分析集成，達到了預期目標。