基于iSIGHT的铁道车辆横向稳定性优化设计

基于iSIGHT的铁道车辆横向稳定性优化设计 基于iSIGHT的铁道车辆横向稳定性优化设 计 第3O卷第2期 2010年4月 铁道机车车辆 RAIIWAYL0C0M0TIVE&CAR Vol_3ONO.2 Apr.2010 文章编号:1008—7842(2010)02—0019—03 基于iSIGHT的铁道车辆横向稳定性优化设计 钟睦,曹炜洲,黄尊地 (中南大学交通运输 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院,湖南长沙410075) 摘要提出了一种铁道车辆横向稳定性的优化集成设计 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ,其基本原理是采用多体系统动力学分析软件 SIMPACK建立铁道车辆动力学模型,采用优化软件iSIGHT,实现与SIMPACK的数据传递与过程集成,运用多 岛遗传算法和序列二次规划算法相结合的优化策略,对铁道车辆悬挂参数进行优化设计,提高铁道车辆的临界失 稳速度,改善其横向稳定性.实际分析计算 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,该设计方法可显着提高设计效率. 关键词车辆;稳定性;优化;iSIGHT;SIMPAcK;多岛遗传算法;序列二次规划 中图分类号:U270.11文献标志码:A 机车车辆在直线轨道上运行时,会产生具有自激 振动特性的蛇行运动,通常称为横向稳定性.当机车车 辆失稳时,自激振动会变得十分激烈,导致车辆运行品 质的恶化,部件磨损和疲劳的加快,也限制了列车速度 的提高,甚至危及行车安全.因此提高横向稳定性是机 车车辆设计的一个重要方面. l理论基础 铁道机车车辆系统的运动微分方程组可表示为l1]: 厂,] [M]{}+{[c]+}{a)+ {[K]JrEKwR]}{q}一0(1) 式中[M]为惯性矩阵;[c]为黏性阻尼矩阵;[c]为 蠕滑阻尼矩阵;[K]为刚度矩阵;[KwR]为蠕滑刚度和 接触刚度矩阵;[q]为位移向量(列矩阵);72为车辆运 行速度. 系统的稳定性可根据式(1)的特征值来判别.如果 特征值的实部出现正数,则系统失稳.系统特征值与车 辆运行速度有关,系统开始失稳时对应的速度称为临界 失稳速度.临界失稳速度反应了横向稳定性的优劣. 临界失稳速度越高,横向稳定性越好. 在机车车辆设计中,可以通过合理选择悬挂参数, 来获得较高的I临界失稳速度.优化设计作为现代设计 的一个重要手段,在对复杂的铁道车辆多刚体动力学系 统进行优化时,是合理选择悬挂参数的有效途径.但是 由于车辆动力学模型和优化算法的复杂性,其难度和工 作量很大,而且难于综合考虑多个参数和获得全局最优 解. 利用多学科优化软件iSIGHT,实现与多体系统动 力学分析软件SIMPACK的数据传递和过程集成.采 钟睦(197O)男,湖南邵阳人,博士生(收稿日期:2009—11—25) 用iSIGHT提供的多岛遗传算法和序列二次规划算法, 对铁道车辆的悬挂参数进行优化设计,提高其I临界失稳 速度.通过把大量需要人工完成的工作交由软件实现 自动化处理,大大提高设计效率. 2优化设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 针对ManchesterBenchmarks中的客车Vehicle 1l2进行横向稳定性优化,以车辆悬挂参数为设计变量, 以临界失稳速度为目标函数.车辆的其他参数参见文 献[2]. 优化问题的数学模型为: maXkVcrkA x (2) 式中为临界失稳速度;X为设计变量;X为设计变 量的下限;X为设计变量的上限. 铁道车辆运行中,影响其横向稳定性的一般为横向 和纵向悬挂参数?3j.因此,设计变量共选取7个悬挂参 数,分别是一系横向刚度,纵向刚度,横向阻尼,纵向阻 尼,二系横向剪切刚度,纵向剪切刚度,横向阻尼.考虑 到悬挂元件的实际情况,对悬挂参数的上,下限进行约 束,如表i所示. 表I设计变量表 20铁道机车车辆第3O卷 3优化设计流程 车辆临界失稳速度的求解由多体系统动力学分析 软件SIMPACK完成,优化过程的实现由优化软件 iSIGHT完成.优化算法采用iSIGHT提供的多岛遗 传算法和序列二次规划算法.iSIGHT读入SIM— PACK动力学模型的变量,并驱动SIMPACK计算车 辆临界失稳速度,完成两者之间的数据集成和过程集 成.具体过程如图1所示. 图1优化设计流程图 3.1车辆动力学模型的建立 车辆动力学模型的建立在SIMPACK软件中完 成.SIMPACK软件是多体系统动力学分析软件,包含 多个专业模块.其中Wheel/Rail模块是世界领先的轨 道车辆动力学仿真工具. 在SIMPACKWheel/Rail中定义轮轨接触关系, 建立包括轮对,转向架,车体,弹簧,阻尼器等在内的完 整的车辆模型,定义线路,对车辆的动力学行为进行分 析计算. 为便于SIMPACK动力学模型和iSIGHT软件之 间数据的传输,实现优化过程的自动化,在使用SIM— PACK构建铁道车辆动力学模型的过程中,采用了参 数化建模方法,定义对应于表1列出的悬挂参数. 建立好的车辆动力学模型如图2所示. 图2车辆多体动力学模型 3.2优化过程集成 优化工作在iSIGHT软件中完成.iSIGHT是过 程集成,优化设计和稳健性设计的软件.iSIGHT提供 了完备的优化工具集,用户可交互式选用,并可针对特 定问题进行定制.更重要的是iSIGHT提供一种多学 科优化操作,可以与其他分析软件集成,解决复杂的优 化设计问题. 针对车辆动力学优化问题,为实现优化过程的自动 进行,需要将动力学模型的参数化修改,动力学计算和 优化,评判等过程进行集成. 在iSIGHT中,过程集成由输入,仿真运算,输出3 部分组成.如图3所示,vehicle.sys是SIMPACK建 立的动力学模型文件,属于输入部分.simpaek8607. bat是执行SIMPACK动力学分析的批处理文件,起仿 真运算作用.out.txt文件是SIMPACK仿真计算得到 的结果文件,属于输出部分. 图3过程集成 优化设计是一个反复迭代的过程,其步骤为: (1)利用iSIGHT的文件解析功能,对SIMPACK 动力学模型文件进行分析,提取车辆动力学模型构建过 程中定义的参数变量,并将其转化为iSIGHT中的变量 参数,使之可以动态调整.完成一次迭代后,根据选定 的优化算法,修改变量参数的值.通过iSIGHT自动更 新SIMPACK动力学模型. (2)由iSIGHT调用批处理文件simpack8607. bat,实现SIMPACK的自动运行,并通过SIMPACK的 命令语句,完成车辆临界失稳速度的计算,输出计算结 果文件. (3)利用iSIGHT的文件解析功能,从仿真运算结 果文件中获取目标函数值. (4)对目标函数进行评判,判断是否继续迭代计 算. 3.3优化策略的确定 完成仿真流程的定义后,即可确定优化策略.本文 第2期基于iSIGHT的铁道车辆横向稳定性优化设计21 采用多岛遗传算法和序列二次规划算法相结合的方法. 首先采用多岛遗传算法进行全局寻优,然后以其优化结 果作为初始点,采用序列二次规划算法进行局部寻优. 遗传算法能够同时搜索解空间的许多点,避免了其 他算法容易在局部最优解附近徘徊的缺点,达到充分而 快速的全局收敛,因此被成功地应用于多参数及全局优 化问题.遗传算法是通过模拟自然进化过程搜索最优 解的方法. 多岛遗传算法是一种改进的遗传算法,它将每个种 群都分为若干个子种群(也称为岛)_2.分别在各子种 群中进行传统的遗传算法,一些个体被选出来周期地 "迁移"到其他岛上.有两个参数控制着迁移过程:迁移 问隔(每次迁移之后繁殖后代的个数),迁移率(迁移个 体所占的百分比).这种迁移操作通常使多岛遗传算法 比其他遗传算法更加高效j. 序列二次规划是处理中,小规模非线性规划问题 最优秀的算法之一:,其基本思想是通过求解一系列二 次规划(QP)子问题来求解原最优化问题.这些二次规 划子问题的目标函数是原约束最优化问题的Lagrange 函数的某种二次近似,其约束条件是原约束条件的线性 逼近.在某个近似解处,将原非线性规划问题简化为处 理一个二次规划问题,求取最优解,如果有,则认为是 原非线性规划问题的最优解,否则,用近似解代替构 成一个新的二次规划问题,继续迭代. 4优化结果 完成动力学建模与优化过程集成后,即可根据制定 的优化策略,按优化方案进行迭代计算.得到优化后的 临界失稳速度为99.6m/s,与初始值78.5m/s相比, 提高了26.8,效果明显.相应的悬挂参数的优化结 果见表2. 表1设计变量表 5结论 (1)通过建立基于iSIGHT的多学科综合优化集 成框架,实现了铁道车辆横向稳定性的优化设计.在统 一 的数据环境中,通过软件的自动化处理,大大提高了 设计效率. (2)通过对铁道车辆7个悬挂参数进行优化,结果 表明,采用多岛遗传算法和序列二次规划相结合的优化 策略,对提高铁道车辆临界失稳速度,具有实用价值. (3)所采用的方法可进一步扩展,将车辆运行稳定 性,安全性,舒适度综合考虑,实现车辆动力学性能的多 目标优化. 参考文献 Eli张定贤.机车车辆轨道系统动力学[M].北京:中国铁道 出版社,1996. [2]ManchesterMetropolitanUniversity.TheManchesterBench— marksforrailvehiclesimulation[S].March1998. [3]王福天.车辆动力学(第2版)[M].北京:中国铁道出版 社,1994. [43Engineious.iSIGHTReferenceGuide[Z].USA:Engi— neiousSoftware,2004. [5]SingiresuS.Rao.EngineeringOptimization[M]JOHN W11EY&S()NS.INC.2009. OptimalDesignofRailwayVehicleStabilityBasedoniSIGHT ZHONGMu,CA0Wei—zhou,HUANGZun—di (CollegeofTraffic&TransportationEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410075Hunan,China) Abstract:AdesignmethodtOoptimizerailwayvehiclesstabilityispresented.Theprocessis:multi—bodysystemsoftware,SIM— PACK,isusedtObuildtherailwayvehicledynamicsmode1.Datatransferandprocessintegrationarecarriedoutinoptimizationsoft— ware,iSIGHT.MultiIslandgeneticalgorithmandsequentialquadraticprogrammingareusediniSIGHTtOoptimizethesuspensionpa— rametersofvehicle,SOtoimprovethecriticalspeedofvehicles.Theanalysisshowsthatthisdesignmethodcanincreaseefficiencyand hasengineeringsignificanceonthedynamicperformanceofrailwayvehicles. Keywords:vehicle;stability;optimization;iSIGHT;SIMPACK;multiislandgeneticalgorithm;sequentialquadraticprogramming