基于Isight的城軌車輛動力學關鍵參數識別

于大方

(西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 610031)

0 引言

列車作為復雜機電系統中的一種，具有功能復雜、結構復雜、運行邊界復雜等特點，很難找到具體的數學公式來表達它的變化規律[1]。因此，如何在高度復雜、模糊的系統中簡化模型，識別關鍵設計參數，減少計算次數與計算復雜度，對于設計人員是一項巨大的挑戰。為此，本文以Isight集成優化軟件為平臺采集車輛動力學性能指標，對數據進行權重分析從而識別列車優化設計的關鍵參數，縮減了設計空間。

1 數據采集平臺搭建

1.1 Isight集成SIMPACK

由于Isight組件庫并未提供SIMPACK集成組件，因此需要通過Simcode程序集成組件來實現與Isight的集成。

Simcode組件是一個將應用程序輸入、執行、輸出進行集成的接口，因此被集成的仿真分析程序必須滿足3個條件：有明確的輸入模型文件,有可執行的自動在后臺運行的程序,有明確的輸出結果文件。

對于SIMPACK而言，模型的設計參數文件是后綴為sys的文件，輸出文件是后綴為CSV的文件，通過編寫腳本文件來驅動SIMPACK進行積分計算并對其進行數據讀寫，集成完成后可以在Isight界面實現SIMPACK的單次運行[2]。

1.2 基于Isight的數據采集平臺搭建

本文所采用的動力學性能評價指標為輪重減載率、輪軸橫向力、輪軌垂向力、脫軌系數、傾覆系數、平穩性指標與臨界速度。其中輪重減載率、輪軸橫向力、輪軌垂向力、脫軌系數與傾覆系數均可以在SIMPACK后處理中計算并導出一個相應數組，由于相同指標的不同車輪為不同的數組，不方便處理，因此需在Isight中編寫腳本將它們的值讀進一個數組當中并用計算器組件求取最大值即可； 平穩性指標可以在SIMPACK中直接計算并讀取相應值； 臨界速度則需要在Isight中設置循環來計算搜索，由于臨界速度為一維變量，因此本文采用二分法來計算臨界速度。

由于需要采集的動力學指標涉及直線、曲線以及風載荷工況，因此需要分別在SIMPACK中設置3個模型，同時使用3個Simcode組件進行集成。采用將3個Simcode串聯的方法搭建數據采集平臺，如圖1所示。

圖1 數據采集平臺

2 列車動力學關鍵參數識別

列車全部的設計參數超過100種，若對這些設計參數全部逐一分析，工作量和計算量都是巨大的。為此先進行一次基于先驗知識的人工初步篩選是十分必要的。本文通過查閱文獻并對照相關標準問詢專家后，得出如表1所示的設計空間并命名。

2.1 試驗方法選擇

試驗設計方法提供了合理而有效的獲得信息數據的方法。樣本數據的有效性是設計空間縮減、代理模型建立與優化的前提，因此需要選擇合適的試驗設計方法。常用的試驗方法有參數試驗法、全因子設計、部分因子設計、正交數組法、中心組合設計、拉丁超立方設計、優化的拉丁超立方設計等[3]。由于本文所涉及的設計變量超過20個，因此需要選擇適合高維設計空間的試驗方法。優化的拉丁超立方試驗設計方法非常適用于高維空間，它能夠以較少的樣本數量充分探索設計空間[4]。因此本文采用優化的拉丁超立方試驗設計方法來進行數據采樣。

表1 動力學參數輸入變量

2.2 列車設計參數權重分析

經人工縮減設計空間后發現設計變量還是超過20個，為了識別關鍵參數進行有針對性的優化同時也減少計算規模，本文采用對每個響應指標分別建立回歸多元二次回歸模型的方法進行分析[5-6]。

使用前文建立的動力學數據采集平臺，按照優化的拉丁超立方方法進行100組試驗，并對每一個動力學性能指標建立數學模型，得到每個性能指標的主效應。

由于這些數值都是絕對值，很難表現出它們的相對重要性，因此將權值的最大值定義為1，將其他權值與最大權值比值的絕對值作為新的權值，并取前五項作為設計關鍵參數。

按上述步驟完成后可得到動力學性能評價指標的權重，如圖2～圖8所示。

圖3輪軸減載率權重圖4傾覆系數權重圖5脫軌系數權重

圖6臨界速度權重圖7橫向平穩性指標權重圖8垂向平穩性指標權重

由圖2～圖8可知：軸箱與二系懸掛參數對動力學性能指標影響較為明顯，這說明了懸掛系統是平衡動力學性能指標的核心部分；車體相關設計參數對車輛動力學性能指標影響也較為明顯，這是因為車體質量、轉動慣量占總體質量轉動慣量比重較高，對總體動力學性能影響較大； 另外，質量作為車體慣性的衡量，也對動力學性能指標具有重要影響。

3 結語

本文在Isight平臺上集成了動力學仿真軟件SIMPACK，根據臨界速度計算的特點搭建了二分法數據采集流程，并與其他指標串聯搭建總體的動力學性能指標數據采集平臺。隨后在設計空間內采集列車動力學性能的指標數據，并對數據進行權重分析，識別出對動力學指標影響較大的關鍵參數，實現了設計空間的降維。