基于Simulink的车辆动力学仿真模型研究

基于Simulink的车辆动力学仿真模型研究

信息技术 岳三玲，等 基于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的车辆动力学仿真模型研究

基于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的车辆动力掌仿真模型研究

岳三玲。卜继玲，傅茂海

Ｉ西南交通大学机械工程学院，四川成都６１００３１）

摘要：采用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ分别建立了车辆垂向一横向空间动力学模型、垂向动力学模型以及横向动力学模型，并根据三者的动力学性能仿真表现，对比提出了三种动力学模型的适应工况。关键词：Ｓｉｍｕｌｉｎｋ；仿真模型；动力学性能中图分类号：ＴＨＩｌ３；Ｕ２９２．９；ＴＰ３９１．９文献标志码：Ｂ文章编号：１６７１－５２７６（２０１０）０１－０１２７－０４

Ｒｅｓｅａｒｃｈ

ｏｎ

ＤｙｎａｍｉｃＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ

Ｍｏｄｅｌｓ

ｏｆＶｅｈｉｃｌｅＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄ

ｏｎ

Ｓｉｍｕｌｉｎｋ

ＹＵＥＳａｎ－ｌｉｎｇ，ＢＵＪｉ ｌｉｎｇ。ＦＵＭａｏ—ｈａｉ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｎｎｇ，ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００３１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｎｅｅｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌｓ

ａｒｅ

ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙｂｕｉｌｔｂｙＳｉｍｕｌｌｎｋ．ｔｈｅｙ

ａｒｅ

ｖｅｒｔｉｃａｌ ｌａｔｅｒａｌｓｐａｃｅｄｙｎａｍｉｃ

ｍｏｄｅｌ，ｖｅｒｔｉｃａｌ

ｄｙｎａｍｉｃ

ｍｏｄａｌ

ａｎｄｌａｔｅｒａｌ

ｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌ．Ｔｈｅａｄａｐｔｉｖｅ

ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｔｈｒｅｅ

ｍｏｄｅｌｓ

ａｒｅ

ｐｒｏｐｏｓｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｉｒｄｙ。

ｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｉｍｕｌｉｎｋ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

ｍｏｄｅｌ；ｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ

轨道车辆是一个复杂的动力系统，在线路运行过程

模型，减少自由度数目，如３自由度模型【２—１（车体横移和中，系统中各组成构件由于各种激扰的作用会产生力和位测滚、构架的横移），５自由度模型心’４ｏ（轮对横移、构架和移的动态变化，这是机车车辆系统动力学的研究内容。采车体的横移和测滚），７自由度模型¨＇４．６１（两个构架的横用商业动力学仿真分析软件如ＡＤＡＭＳ，Ｓｉｍｐａｃｋ，ＮＵＣＡＲＳ移和摇头、车体的横移、测滚和摇头），１０自由度模型ｐｏ等，可以快速有效地建立传统常规车辆的动力学模型。但（四个轮对的浮沉、两个构架的浮沉和点头、车体的浮沉随着铁路运输的发展，特别是进入高速化阶段以来，为了和点头），１５自由度模型¨１（四个轮对的横移和摇头、两个提高车辆的各种动力学性能，各国对车辆及其零部件的结构架的横移和摇头、车体的横移、测滚和摇头），１７自由度构和技术进行了许多的改进和创新，如主动悬挂装置、自模型陋．ｓ１（四个轮对的横移和摇头、两个构架的横移、测滚动控制系统等新技术，这就需要进行软件的二次开发才能和摇头，车体的横移、测滚和摇头）。现已分别建立了１０建立起仿真模型，提高了对研究人员的要求。

自由度垂向动力学模型，１７自由度横向动力学模型和３１ＭＡＴＬＡＢ是目前世界上最为流行的以数值计算为主自由度的垂向一横向空间模型Ｈ－（表１）。

的软件，其自带仿真工具包Ｓｉｍｕｌｉｎｋ可以方便地建立框图表１车辆系统动力学模型的自由度

式动态系统模型，通过仿真不断的优化和改善用户的设计。无论是离散的、连续、条件执行的、多采样的或混合系统，Ｓｉｍｕｌｉｎｋ都是描述动态系统模型的有力工具，与传统的仿真软件相比，具有更直观、方便、灵活的特点。现采用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建立了车辆系统的垂向、横向以及垂向一横向空间动力学模型，并对比分析了三个模型的仿真结果。

１

车辆动力学模型

车辆系统是复杂的非线性多体系统，由于车体、转向架

构架和轮对等质量体的刚度相对其悬挂系统的刚度大很多，故可以不考虑其弹性，这样就可以把车辆系统简化为多刚体２

Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建模

系统。其动力学问题可以借助多体系统动力学进行分析，即整个车辆系统的动力学问题可以采用如下方程表达…：

［肘］｛茹，｝＋Ｃ（髫，主）＋Ｋ（菇，菇）＝Ｆ（ｔ）

（１）

２．１刚体建模

式中：ＪＩｆ为质量矩阵；Ｃ为阻尼矩阵；Ｋ为剐度矩阵；茹为状系统中车体、构架和轮对均被视为刚体，根据式（１）态向量；Ｆ为激扰力矢量。

建立每个质量体的运动微分方程，利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ标准模块一般情况下需要根据研究目的的不同尽量简化车辆

库中的模块建立图形化的微分表达式，并将每个刚体的多

作者简介：岳三玲（１９８５一）．女，湖南邵阳人。硕士研究生，研究方向为车辆设计与理论。

　万Ｍａｃｈｉｎｅ方数据Ｂｕｉｌｄｉｎｇ凹Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｆｅｂ２０１０，３９（Ｊ）：１２７—１３０

１２７

基于Simulink的车辆动力学仿真模型研究

信息技术 岳三玲，等 基于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的车辆动力学仿真模型研究

模块得到相应的状态，作为悬挂子系统的输入，经过一定的运算处理，得到系统的悬挂力，输入到相邻刚体的运动子系统。值得注意的是，对于其中的非线性悬挂特性，一般采用分段线性的方法进行处理，在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中利用选择子系统（ｉｆｓｕｂｓｙｓｔｅｍ）可以实现，例如抗蛇行减振器的动态框图如图ｌ所示。

’

个运动微分方程组合在一起，构建子系统，从而使得整个模型更加简洁、可读性更高。其中激扰力为子系统的输入项，刚体的运动加速度为子系统的输出。

２．２悬挂系统建模

根据相邻刚体子系统的输出加速度通过标准的积分

ｄｉ觑ｆａｎ＿ｃ）ｄｉｆｆ（ｆａｎ＿ｔ）

ｄｉ丘∽诅舅ｍ

ｄｉｆｆｆ（ｂｅｔａ＿ｔ）

一／

——同事于，Ｈ司刮。－ｍ馏，Ｅ≮丫‘

Ｉｆ…’

Ｉ

ｖ。卜Ｊ

ｌ撇：‰一广１磊订。

一唑冬，到

图Ｉ抗蛇行减振器的动态框图

２．３轮轨接触几何建模

轮轨接触几何关系是典型的非线性环节，先编程计算轮轨的接触位置，并做成数表形式，然后根据轮对的横向位移通过一维查表模块（１００ｋ－ｕｐｔａｂｌｅ），通过线性插值求得各个接触几何参数，其中车轮踏面和轨头横断面外形的半径，仍可以通过选择子系统实现。

２．５轨道随机不平顺建模

轨道不平顺通常采用功率谱密度函数表示。需要采用适当的时频转换方法，得到随里程变化的轨道随机不平顺空间样本。这里采用的是基于频域功率谱的方法…’，根据双边功率谱密度采样出的频谱幅值加上随机相位，得到频谱，再通过傅里叶逆变换得到轨道不平顺的时域样本，输入到车辆模型中。

２．４轮轨接触作用力建模

轮轨接触的动作用力是一个复杂的非线性过程，如果采用标准模块，模型会相当复杂，且不利于模型的检查和修改，这里通过ｓ一函数（Ｓ—Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）¨训实现，简单直观，逻辑性强。

３仿真分析比较

计算车辆的部分结构参数列于表２，轨道随机不平顺采用德国高于扰轨道谱，假设车辆运行速度为３１０

ｋｍ／ｈ，

表２车辆部分结构参数

对三个动力学模型分别进行仿真计算，并将空间动力学模型中的仿真结果与垂向模型和横向模型的结果分别进行了对比，如图２一图７所示。

通过图２～图４的横向振动加速度对比可以发现：在空间模璎和横向模型的仿真结果中，车体上横移、侧滚和摇头加速度在幅值、频率分布上差别不大，这说明在进行车辆动力学研究时，如果只考虑车体的横向振动情况，那么采用相对简单的横向模型也可以，表３中的横向平稳性指标的对比以及图４车体横移振动的频谱分析也验证了这一点。但是通过对两个模型的构架横向振动情况的对比可以发现，由于考虑了车体与构架之间以及构架和轮对之间的的垂向和横向耦合相互作用，两个模型中构架上的横向振动情况还是存在一定的差异，尤其是侧滚角加速度，其差别更加明显。从图５的频谱分析也可看出，构架的侧滚角加速度在两种模型分析结果中，其频率分布基本相当，但是垂向一横向耦合模型中，构架的侧滚角加速度要偏大一些，其主

要原因就是在耦合模型中考虑了垂向和横向的相互作用，对于侧滚运动来说影响更大。同时，这种影响对于处于悬挂系统中间的构架比处于悬挂系统上的车体影响更加明显。因此如果需要考虑车扭杆刚度对于车辆振动性能的影响时，简单的横向模型的分析精度就不够了。

Ｏ．０７０．０６

‰１ｊ霉馨

Ｏ．０５０．０４Ｏ．０３０．０２０．０ｌＯ．００

图４空间模型和横向模型的车体横移振动的频谱分析

Ｅ．ｍａｉｌ：ＺＺＨＤ＠ｃｈａｉ眦ｊｏｕｒｎａｌ．ｎｅｔ．ｃｎ《机械制造与自动化’

万方数据　

１２８

ｈｔｔｐ：ｆｆＺＺＨＤ．ｃｈｉｎａｊｏｕｍａｌ．ｎｅｔ．Ｃｒｌ

基于Simulink的车辆动力学仿真模型研究

信息技术 岳三玲，等 基于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的车辆动力学仿真模型研究

为构架的点头运动主要受一系横向悬挂力、一系纵向悬挂力、二系纵向悬挂力和抗蛇行减振器作用力的影响，其中一系纵向悬挂力则主要由构架的摇头和点头运动以及轮对的摇头运动决定，垂向模型中，不考虑构架的摇头和轮对的摇头运动，仅仅只受到构架的点头运动影响，而它对一、二位的一系悬挂力的影响正好是相反，故垂向动力学模型中。一系纵向悬挂力的总体作用力效果为零。因此如果需要综合考虑结构参数如一系悬挂参数对车辆振动性能的影响，就

晒

％—乍－

。

需要采用空问模型才能提高分析的精度。

。

晒

“ｓ

图２空间模型和横向模型的车体横向加速度对比

２４６８１０

图６空间模型和垂向模型的车体垂向加速度对比

前构架沉浮加速度

图３空问模型和横向模型的前构架横向加速度对比

ｔ／ｓ

ｌ２ｌＯ

．；

前构架点头角加速度

奄

趔孽

Ｏ８０６

Ｏ４

！，｝。．卜。．．．。。一Ｌ８，。。．也，。ｉ．止一．．．：…一。’Ｔ

一ｒ

ｒ１’！”『”＇Ｙ７７１１’ｒ一“ｆ。ｉ”ｉ１

０２ＯＯ

０

１０

２０～。

３０４０５０

频率Ｈｚ

图７空间模型和垂向模型的前构架垂向加速度对比

。’

图５空间模型和横向触的黼架侧滚振动的频谱分析速度雾主蒜嚣乏器警篓翥警黧？“

通过图６和图７的垂向振动加速度对比可以发现：在空间模型和垂向模型的仿真结果中车体的沉浮、点头振动加速度基本一致，这说明在进行车辆动力学研究时，如果只考虑车体的垂向振动情况，那么采用相对简单的垂向模型就能满足要求，表３中的垂向平稳性指标的对比验证了这点。但是通过对两个模型的构架垂向振动对比可以发现，由于考虑了车体、构架和轮对之间的垂向和横向的耦合相互作用。两个模型中构架上的点头运动差别明显。这是因

ＭａｃｈｉｎｅＢｕｉｌｄｉｎｇ日Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ。Ｆｅｂ２０１０，３０（Ｊ）：１２７—１３０

４结论

随着高速铁路的发展，对车辆动力学性能提出了更高

的要求，车辆的垂向和横向运动之间的耦合也进一步增强，如果只需要考虑车体的横向或垂向振动情况，采用简单的横向或垂向仿真模型就能满足要求。但是如果需要综合考

虑结构参数对车辆性能的影响，采用垂向一横向空间模型

１２９

万方数据　

基于Simulink的车辆动力学仿真模型研究

信息技术

表３

仿真模型

性能

岳三玲，等 基于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的车辆动力学仿真模型研究

Ｓｐｅｒｆｉｎｇ指标对比

垂向模型横向模型

Ｅ

既

矿

垂向一横向空间模型

哆

ＡＷ０／％

△形／％０

一

速度／Ｉｋｍ／ｈ）

【４］Ｓｉｎｈａ

ｌａｔｅｒａｌ

Ｐ

Ｋ，ＷｏｒｍｈｙＤＮ．ＨｅｄｒｉｃｋＪＫ．Ｒａｉｌ

ｐａｓｓｅｎｇｅｒ

ａｃｔｉｖｅ

ｖｅｈｉｃｌｅｃｏｎｔｒｏｌ

ｄｙｎ枷ｃ

ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｔｈｒｏｕｇｈ

ｏｆＡＳＭＥ．１９７８．

３如３∞３舳

１．８４２５２．３６２ｌ１．８５０

１

［ｃ］．Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ

［５］王振来．轨道车辆平稳性频域建模与仿真［Ｄ］．长春：吉林大

学．２００７．

１．８２５２１．４０３０１．８２５２１．４５３８

１．８５１７

２。４２７２１．８５２

ｌ１

［６］Ｃｅｌｎｉｋｅｒ

ＧＷ．ＨｅｄｒｉｃｋＪＫ．Ｒａｉｌｖｅｈｉｃｌｅａｃｔｉｖｅｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｆｏｒ

２．３４６７０．４１

２．３７９

ｌａｔｅｒａｌｒｉｄｅａｎｄｓｔａｂｉｈｔｙＡＳＭＥ，１９８２．

ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ［Ｃ］．Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅ

０．０２２．０２

３．４９０．６６［７］ｖｉｊａｙ

Ｋ

Ｇａｒｇ，Ｒａｏ

Ｖ

Ｄｕｋｋｉｐａｔｉ．车道系统动力学［Ｍ］．沈利

入，译．成都：西南交通大学出版社，１９９８．

是必要的。采用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ可以简单快捷地建立车辆动力学［８］ＲｏｇｅｒＭＧｏｏｄａｌｌ，ＪｏｈｎＴＰｅａｒｓｏｎ．Ｉａｎｐｍｔｔ．Ｄｅｓｉｇｈｏｆｃｏｍｐｌｅｘ

仿真模型，跟踪各个状态变量的变化，并进行数据的后处

理，是进行车辆系统动力学仿真分析的有力工具。参考文献：

［１］卜继玲，等．机车系统动力学仿真模型研究［Ｊ］．机车电传

动，２００４．

ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓｆｏｒａｃｔｉｖｅｓｅｃｏｎｄａｒｙｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｓ

ｏｎ

ｒａｉｌｗａｙｖｅｈｉｃｌｅｓ

［Ｍ］．Ｖｅｈｉｃｌｅ

ＳｙｓｔｅｍＤｙｒｍｍｉｃ，１９９６．

［９］翟婉明．车辆一轨道耦合动力学［Ｍ］．３版．北京：科学出版

社，２００７．

［１０］李颖，等．Ｓｉｍｕｌｉｎｋ动态系统建模与仿真基础［Ｍ］．西安：西

安电子科技大学出版社，２００４．

【２］张开林．机车车辆横向平稳性主动控制的研究［Ｄ］．西安：西

南交通大学。１９９７．

［３］ＳａｒｍａＧＮ，ＫｏｚｉｎＦ．Ａｎａｃｔｉｖｅ

１ａｔｅｒａｌｄｙｎａｍｉｃｓｏｆ

ａ

［１１］陈果。翟婉明．铁路轨道不平顺随程的数值模拟［Ｊ］．西南

交通大学学报．１９９９，（２）：１３８ １４１．

ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍ

ｄｅｓｉｇｎｆｏｒｔｈｅ

ｏｆ

ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄｗｈｅｅｌ Ｉａｉｌｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ

ＤｙＭｍｉｃ

Ｓｙ８ｔⅫ，Ｍｅ∞ｕｒ鲫ｅｎｔ，ａｎｄ

Ｃｏｎｔｒｏｌ，Ｄｅｃ．１９９７．

收稿日期：２００９一０６一０３

（上接第６２页）

表示湍流的脉动速度。所以湍动能从本质上间接反映了湍流脉动速度的大小。从图６湍动能的分布图可以看出，湍流脉动速度在等速流核的表面和末尾明显加大。

２）喷嘴收缩段静压、动压梯度均很大，但变化趋势刚好相反；３）流场的湍动能在等速流核区的表面和末尾表现十分明显。数值模拟得出的结论与理论分析基本相符合。

参考文献：

［１］杨林，唐川林，张风华．高压水射流技术的应用与发展［Ｊ］．洗

净技术，２００４，２（１）：９一１４．

［２］郭鸿志．传输过程数值模拟［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，１９９８．［３］Ｖｅｌ＇ｓｔｅｅｇ

ＨＫ，ＭａｌａｌａｓｅｋｅｒａＷ．Ａｎｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ

ｔｏ

ｃｏｕｐｕｔａｔｉｏｎａｌ

Ｙｏｒｋ，

ｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃｓ：１１１ｅｆｉｎｉｔｅｖｏｌｕｍｅ１９９５，１０１—１３８．

ｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．Ｗｉｌｅｙ，Ｎｅｗ

［４］吴迪宏．射流喷嘴性能影响的分析与评价［Ｄ］．天津：天津科

技大学，２００３．

［５］周文会．高压水射流喷嘴内外部流场的数值模拟研究［Ｄ］．

图６喷嘴流场湍动能分布图

兰州：兰州理工大学。２００８。１ｌ－１３．

［６］王福军．计算流体动力学分析—ｃＦＤ软件原理与应用［Ｍ］．

北京：清华大学出版社．２００５．

３

结论

通过数值模拟得出如下结论：１）流体的速度在喷嘴

的收缩段迅速增加，在喷嘴出口处形成一个等速流核区；

收稿日期：２００９—０５—２１

万方数据　

１３０

ｈｔｔｐ：＃ＺＺＨＤ．ｃｈｉｎａｊｏｕｍａｌ．ｎｅｔ．ｅｌｌ

Ｅ—ｍａｌｌ：ＺＺＨＤ＠ｃｈａｉｎａｊｏｕｍａｌ．ｎｅｔ．ｃａ《机械制造与自动化）

基于Simulink的车辆动力学仿真模型研究

基于Simulink的车辆动力学仿真模型研究

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

岳三玲， 卜继玲， 傅茂海， YUE San-ling， BU Ji-ling， FU Mao-hai西南交通大学,机械工程学院,四川,成都,610031机械制造与自动化

MACHINE BUILDING & AUTOMATION2010,39(1)

参考文献(11条)

1.翟婉明 车辆-轨道耦合动力学 2007

2.陈果;翟婉明 铁路轨道不平顺随程的数值模拟 1999(02)3.李颖 Simulink动态系统建模与仿真基础 2004

4.Roger M Goodall;John T Pearson;Ianpratt Desigh of complex controllers for active secondarysuspensions on railway vehicles 1996

5.Vijay K Garg;Rao V Dukkipati;沈利人 车道系统动力学 1998

6.Celniker G W;Hedrick J K Rail vehicle active suspension for lateral ride and stability improvement 1982

7.王振来 轨道车辆平稳性频域建模与仿真 2007

8.Sinha P K;Wormley D N;Hedrick J K Rail passenger vehicle lateral dynamic performance improvementthrough active control 1978

9.Sarma G N;Kozin F An active suspension system design for the lateral dynamics of a high-speedwheel-rail system 1997

10.张开林 机车车辆横向平稳性主动控制的研究 1997

11.卜继玲 机车系统动力学仿真模型研究[期刊论文]-机车电传动 2004(4)

本文链接：/Periodical_jxzzyzdh201001043.aspx

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/zwz1.html