CAD／CAE集成的高速列車子系統仿真分析一體化平臺

唐 兆， 朱允瑞， 聶隱愚， 張衛華

（西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，四川成都610031）

CAD／CAE集成的高速列車子系統仿真分析一體化平臺

唐 兆， 朱允瑞， 聶隱愚， 張衛華

（西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，四川成都610031）

為了使現有的通用商業多體動力學與有限元軟件能滿足高速列車子系統仿真建模的需求，利用開源組件和動態封裝技術實現了可擴展彈性仿真平臺架構框架，并基于該框架以高速列車弓網系統為例開發了高速列車子系統仿真平臺（TPL．PC）．該仿真平臺的構建表明，所提出的框架能夠提供幾何建模、網格生成與編輯、數值代碼求解和三維實時可視化高速列車仿真平臺所需的常用功能，解決了子系統幾何模型和仿真模型在這些環節中的互用性問題，使得各異構子系統之間在仿真計算迭代步的中間結果數據和最終仿真結果文件交換通暢．

仿真平臺；軟件架構；弓網系統；高速列車

高速列車大系統動力學（high-speed train vast system dynamics）是為適應高速列車在我國的快速發展而建立起來的工程學科分支［1-2］，涉及弓網、輪軌、流固和機電等多個領域，其中一些子系統（如弓網系統）在仿真分析時，通常采用兩種方式：一種是直接使用通用目的的商業軟件包，另一種是使用專門針對弓網系統的專用軟件包．通用目的的商業軟件包主要指用于一般機械系統的多體動力學或有限元分析的軟件包．基于通用目的的軟件包對弓網系統進行仿真分析已有文獻研究，如使用商業有限元軟件包MSC-Marc建立弓網系統模型，分析隨機風場對弓網系統動態性能的影響［3］；使用商業有限元軟件SAMCEF分析弓網接觸動態性能，進行參數敏感性分析和性能優化［4-5］；利用有限元Ansys和多體動力學軟件Simpack采用虛擬樣機的理念對受電弓零部件強度和剛度進行校核，計算接觸網振動模態和自振頻率，分析接觸網動應力及疲勞可靠性［6］．另一種方式是專門針對弓網系統開發的軟件包，可以分為兩類：一類是自行開發數學模型、前后處理和數值計算方法，如：西南交通大學基于自行建立的受電弓／接觸網耦合系統理論計算模型，開發了PCRUN弓網動力學系統仿真軟件，建立了功能相對完善的弓網系統仿真計算工具［7］；歐洲在2005—2007年間聯合各鐵路機構進行EUROPAC項目研究，其中法國國家鐵路公司（SNCF）開發的有限元軟件OSCAR主要用于接觸網系統的仿真模擬，IST開發DAP軟件工具用于受電弓的模擬［8］，最后整合為EUROPACAS，該軟件可以三維仿真各種類型的弓網系統，也可同時兼顧風載、溫度、路橋等多種工況．德國開發的已實現商業化的CATMOS軟件［9］也是這一類型的代表，國內也有單位應用這一工具進行接觸網優化［6］．另一類是利用通用有限元或多體動力學商業軟件進行開發，如：FAMOS［10］基于有限元軟件包Abaqus；PrOSA［11］基于多體動力學軟件包Simpack．

通用商業軟件包進行弓網系統仿真設計針對性不強，對系統特有力或約束（如弓網接觸力）沒有現成力元組件可用．自行開發的軟件包雖然針對性較強，由于專業局限性，往往沒有完善的前后處理功能．聯合商業軟件進行仿真雖然是一種較好的策略，但由于商業軟件本身出于自身利益的考慮，一些底層功能往往不對用戶開放，不同軟件包之間的數據交互和可操作性有局限性．此外，現有主流商業多體動力學和CAE軟件，其后處理模塊也存在一些缺陷或不足，如對連續數據的可視化操作不支持動態交互操作［12］．在弓網系統中，接觸網三維模型尺寸較大，且受電弓的幾何尺寸相對于接觸網的比例有較大的懸殊［13］，在后處理時需要實時交互才能方便用戶理解其動態行為，因此，平臺需要支持動態交互操作的后處理可視化系統．除了利用相對完善的軟件計算包進行分析以外，許多學者也開發了自己的數學模型和數值代碼進行求解，這些代碼往往沒有完善的前處理或后處理功能，通常只針對某一特定問題，由于知識結構不同，往往也選用不同的語言進行開發，如Fortran、C、C＋＋、Matlab等，這些代碼對解決特定的問題有非常重要的意義．如何將這些代碼有效耦合，提供豐富的前后處理功能，對于提高弓網系統的仿真設計分析水平和效率具有現實意義．

本文提出基于開源代碼實現CAD／CAE高度集成的一體化高速列車子系統仿真設計分析平臺，著重從平臺的功能模塊、架構模型以及數據模型的互操作性等方面給出了解決上述問題的方法．

1 平臺集成架構

1．1 總體架構模型

開發高速列車子系統仿真設計分析平臺需要多個學科和多個領域的軟件組件和模塊，這些基礎組件和模塊雖然單一技術都比較成熟，但重新組合和開發也需要耗費大量的人力和物力．開源軟件（open-source software）為工業仿真提供了許多基礎的組件庫，特別是為大型軟件平臺架構提供了豐富的有用資源．許多成熟的商業軟件廣泛采用協議對應的開源軟件作為基礎組件．美國商業資訊2012年的研究報告指出，在CAD領域，高可用的開源CAD軟件已經影響商業CAD供應的增長．在工業仿真領域，有許多有影響力的仿真開源組件庫和基礎平臺，SALOME就是其中之一［14-15］．歐洲利用SALOME平臺建立核反應堆的多維多物理仿真分析NURESIM平臺［16］，除了使用SALOME提供的前后處理以外，還使用其集成多個數值計算核心代碼．美國能源部參照SALOME組件結構開發了多維多物理核能源建模和仿真程序NEAMS［17］．法國原子能機構結合商業軟件和商業軟件接口開發了用于求解PDEs方程的求解器Cast3M．鑒于SALOME平臺的優越性，甚至使用SALOME替代了基于商業軟件構建的平臺用于超導磁體的機械行為仿真［18］．

高速列車子系統仿真設計分析平臺利用SALOME平臺提供基礎組件和通用的功能，基于SALOME的平臺總體架構如圖1所示．圖1中，平臺利用幾何建模組件實現系統的幾何建模，應用網格劃分模塊劃分有限元網格，結合幾何建模和網格劃分生成求解前處理文件，將內嵌的前處理文件送給求解器進行求解，求解的結果和前處理模型一同傳入后處理模塊進行可視化展示和分析，整個過程一體化完成，不需要對外提供數據接口和交互．

圖1 基于SALOME的平臺總體架構Fig．1 Overall architecture of the simulation platform based on SALOME

1．2 基于動態組件結構的多體動力學與有限元聯合仿真集成架構實現

平臺架構要突破的主要問題是多體動力學和有限元的模型融合和內嵌聯合仿真．由于多體動力學和有限元采用不同的時間積分算法，這為求解代碼的數據交換和求解集成設置了障礙．解決這一問題的抽象實現是使用基于組件的分布異構編程模型，用這一模型將求解代碼所需要的計算資源進行分割，便于程序進行分布式異構部署，基于組件的分布式異構編程模型如圖2所示［19］．

圖2 基于組件的分布式異構編程模型Fig．2 Distributed heterogeneous programming model based on components

圖2中，SALOME平臺采用兩層編程模型來實現，分別為SALOME對象和動態軟件組件，并且使用CORBA［20］進行組件間通信．本文依賴SALOME平臺提供的基礎組件，基于動態組件結構重寫弓網仿真設計分析平臺所需要的功能，構建了幾何建模、網格劃分、前后處理、求解一體化的仿真設計分析平臺．平臺集成的關鍵是開發了模塊黏結組件，在開源組件中，有限元的前后處理功能和多體動力學的前后處理功能分開，在弓網仿真中同時使用兩者，因此，開發了專門的黏結模塊處理動態組件間的功能交叉問題，在黏結模塊中借助SALOME平臺的內嵌文件管理模式來實現．另外，需要考慮后續功能的擴展問題，在功能平臺本身單獨設計了插件機制，在后續功能擴展時不需要重新耦合開源組件，只是為平臺自身寫插件，這樣將開源組件和平臺本身的模塊解耦，在開源組件升級或修改時不影響平臺自身功能．

2 數值求解器集成

在弓網系統這種專業細分領域的數值仿真中，研究人員自行求解模型和相應的計算代碼，這些數值代碼由不同的編程語言（Fortran、C、C＋＋等）實現．為了突破編程語言在模塊接口上的限制，解決與現有求解代碼（home-made software）的集成問題，研究人員做了許多研究，有效的集成和重用有價值的代碼．西班牙的研究人員將這些問題抽象為IPO（input-process-output）模式，應用MVC（model-view-controller）結構開發了JAVA應用框架［19］．為了實現大型仿真軟件各功能模塊解耦，方便已有代碼集成和功能擴展，基于組件的軟件架構模式在大型仿真平臺架構中廣泛應用，美國能源部基于組件結構開發了多維多物理核能源建模和仿真程序NEAMS［17］，指出基于組件結構可以較好地解決在集成原有代碼時所面臨的挑戰．大型耦合集成核聚變等離子仿真平臺也是基于組件框架［21］，也有學者為基于組件的軟件平臺設計了架構模式［22］．

遵照NEAMS等系統采用的組件框架原理，借助IPO模式，在仿真設計分析平臺中將原有的求解器代碼分別進一步抽象為規范的接口，通過編寫自動封裝程序，將組件描述和IDL接口作為SALOME平臺的動態服務組件．這些動態組件可以分布式部署，平臺求解器和前后處理求解可以分別部署在不同的計算機上，為平臺部署提供更大的靈活性．

3 平臺數據集成和互操作性

在高速列車子系統中，弓網系統的受電弓是多體模型，采用多體動力學進行仿真分析．接觸網是典型的有限元模型，采用有限元方法分析．因此，在軟件平臺中有效集成兩個學科工具，CAD和CAE數據在底層進行數據交換和重用．雖然CAD和CAE數據的重用和互換對提高整個系統的分析效率和縮短產品開發周期有很重要的作用，但商業軟件由于商業競爭，各自數據可互換性較差［23］．另外，不同CAD系統數據多采用中性文件格式（IGES，STEP，BREP）和專用接口插件解析兩種方式．采用中性文件格式經常導致幾何信息丟失，并且精度降低［24］，采用專用接口模式除了需要CAD軟件廠商授權外，格式文件的升級換代也會帶來諸多的不便．相對于CAD數據，CAE數據更具有多樣性，結構也更加復雜，目前關于CAE數據的互換性和互操作性研究較少［25］．弓網系統設計到有限元分析和多體動力學分析，對CAE數據和CAD數據除了需要互換性以外，還需要有互操作性需求．因此，弓網設計平臺需要解決的一個主要問題是CAD數據和CAE數據的互換性和互操作性．

為了減少分析人員CFD分析時處理數據的繁雜工作，對CFD輸入輸出數據進行標準化．美國波音公司和國家航空航天局（NASA）聯合提出了CGNS，CGNS對網格、流場解、區域連接、邊界條件和其它輔助信息等都有統一的約定，除了定義標準接口數據結構以外，還提供可擴展的函數庫讀取數據［26］．國內學者采用CGNS標準配合開發了求解器，求解簡化系統數據交換［27］．

本文以SALOME平臺的文件管理系統（HDF）為基礎，參照CGNS標準提出了弓網系統幾何模型和分析數據的互換性和互操作性策略，開發專用的數據集成引擎，在MED文件系統的支持下實現平臺各子系統之間以及平臺與外部的CAD和CAE數據交換和互操作．

弓網仿真設計分析平臺的數據集成方案如圖3所示．

圖3 弓網仿真設計分析平臺的數據集成方案Fig．3 The data exchange and integration solution for TPL．PC

如圖3所示，分析平臺自身提供了幾何建模和網格生成與編輯功能，考慮到商業軟件格式的普遍性，分析平臺以中性文件格式支持商業CAD軟件格式轉換，以Python腳本轉換支持CAE分析數據與系統外部商業數據內核進行交換，這樣充分考慮了系統的彈性和后續可擴展．以SALOME平臺基礎功能作為平臺集成中樞，在應用層提供弓網平臺數據模板定義數據格式，對應CGNS的標準，在引擎層提供弓網平臺數據引擎，對應CGNS的可擴展函數庫，采用SALOME組件和組件容器進行封裝，以動態組件集成到SALOME的CORBA環境中，方便了系統分布式部署和增加系統的彈性．

4 弓網仿真設計分析平臺應用實例

考慮弓網仿真設計分析平臺的功能完備性以及多體動力學和有限元相結合這一特殊性，分析平臺需要提供4個主要功能：三維幾何建模與編輯、有限元網格生成與編輯、數值求解器和后處理．

4．1 三維幾何建模與編輯

現有的商業軟件提供了參數化建模、變量化建模等建模手段和方法，但建立一體化的弓網仿真設計分析平臺需要提供自身的幾何建模功能，這是平臺的基礎要求．因此，TPL．PC除了提供通用的建模方法和手段以外，還針對接觸網和受電弓的模型特點提供參數化和智能化建模功能．借助SALOME提供的基礎功能，TPL．PC可以利用內建的三維幾何建模功能生成弓網模型，也支持從外部商業軟件中導入的中性文件格式，支持中性文件格式有iges、step等，也可從自行開發文件格式插件程序中導入特定的幾何模型．

4．2 有限元網格生成與編輯模塊

分析平臺基于NETGEN技術，提供豐富的網格劃分功能，包括一維網格劃分和三維網格劃分［28］．為了便于幾何模型重用，在網格劃分時，直接利用幾何建模模塊導入或繪制的三維模型以及相關參數提供建模和網格劃分一體化解決方案．

根據弓網系統仿真的需要，在網格劃分時還可以依據跨數、跨距等參數，對劃分的單元進行智能編組，以便后續求解器計算，這樣省去繁雜的人工操作．為了便于觀察網格對應的這個弓網系統的幾何位置，可以同時顯示幾何線框模型和零部件單元網格，如圖4所示．

圖4 弓網系統線框模型和零部件網格Fig．4 The wire-frame model of pantograph-catenary system and the mesh display of parts

4．3 后處理

現有的商業軟件雖然都有較為完善的后處理工具，但對于弓網這種專業程度較高的特定仿真對象，現有的軟件都存在一些缺陷或不足，例如，對連續CAE仿真數據三維可視化展示時無交互操作．分析平臺后處理模塊支持三維動畫展示，實時云圖數據交互操作，也支持二維圖表繪制等基本功能．圖5為分析平臺后處理模塊的應用實例．

利用弓網仿真設計分析平臺的后處理功能可重用在幾何建模和網格劃分模塊所建立的模型和網格文件，也可以方便地訪問求解結果文件．該系統支持海量數據的并行可視化，同時提供與商業三維可視化軟件EnSight的接口，支持立體顯示等功能．

圖5 TPL．PC后處理模塊Fig．5 The post-processing module of TPL．PC

5 結束語

弓網仿真設計分析平臺是一個多體系統軟件和有限元軟件混合體，本文結合CAD和CAE技術自行研發新的弓網系統虛擬設計、仿真和分析一體化平臺，該平臺提供完善的前后處理模塊．針對行業細分領域自行編制數值仿真代碼較多，集成困難的情況，在現有的數值代碼集成和部署模型基礎上，給出了弓網系統有限元和多體動力學數值代碼集成方式，基于動態組件的分布式異構編程實現了現有弓網計算數值代碼與平臺的內嵌集成．鑒于平臺底層數值計算需要集成多體動力學和有限元聯合仿真，討論了兩種學科的數據交換和互操作問題，給出了解決這兩個學科間數據集成和互操作性的引擎架構和處理流程．參照CGNS標準提出了弓網系統幾何模型和分析數據的互換性和互操作性策略，該平臺克服了利用商業軟件底層數據封閉的缺點，為細分行業利用開源擴展彈性架構設計大規模仿真軟件提供參考．

分析平臺下一步考慮增加和完善以下功能：

（1）動態黏結算法實現弓網系統異構分布式仿真，使受電弓和接觸網分別在不同的求解器、計算機上求解，通過黏結算法進行聯合仿真，利用該算法對大型仿真任務進行分割，便于仿真任務的部署．

（2）集成基于實時圖形渲染的后處理模塊，提供拉弧現象、弓網接觸細節展示等直觀的弓網系統動態后處理功能．

（3）進一步集成計算流體動力學求解代碼和流程，為弓網系統多物理場仿真分析提供完善的軟件工具和設計平臺．

（4）擴展平臺模塊的基礎架構，實現高速列車大系統動力學的線路、車輛等各子平臺開發．

致謝：西南交通大學國家重點實驗室自主課題資助（2015TPL_T06）；西南交通大學百人計劃項目資助（2682014BR033）．

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（中文編輯：秦 瑜 英文編輯：蘭俊思）

Holistic High-Speed Train Subsystem Simulation Platform Based on CAD／CAE Integration

TANG Zhao， ZHU Yunrui， NIE Yinyu， ZHANG Weihua
（State Key Laboratory of Traction Power，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

To enable general-purpose commercial multi-body dynamics and finite element software to meet the requirements of simulation and modeling of a high-speed train subsystem，an extensible and flexible framework was set up by utilizing open-source components and the dynamic encapsulating technology．As a case study，a high-speed train pantograph-catenary subsystem simulation platform（TPL．PC）was developed based on this framework．The application result shows that the proposed framework can provide all necessary functions for the high-speed train simulation platform，such as geometric modeling，mesh generation and editing，numerical solution，and 3D real-time visualization．In addition，it can overcome the difficulty of interoperability of geometry models and simulation models in above aspects among different subsystems，which makes the temporal data produced by iterative computation and the result data exchange smoothly．

simulation platform；software architecture；pantograph-catenary system；high-speed train

TPL391．9

A

0258-2724（2016）01-0113-08

10．3969／j．issn．0258-2724．2016．01．017

2013-10-17

國家自然科學基金資助項目（51405402，51475394）

唐兆（1979—），男，助理研究員，博士研究生，研究方向為軌道交通仿真與可視化，E-mail：tangzhao＠swjtu．edu．cn

唐兆，朱允瑞，聶隱愚，等．CAD／CAE集成的高速列車子系統仿真分析一體化平臺［J］．西南交通大學學報，2016，51（1）：113-120．