动力学主要仿真软件

1、车辆动力学主要仿真软件I960年，美国通用汽车公司研制了动力学软件DYNA主要解决多自由度 无约束的机械系统的动力学问题，进行车辆的“质量一弹簧一阻尼”模型分 析。作为第一代计算机辅助设计系统的代表，对于解决具有约束的机械系统 的动力学问题，工作量依然巨大，而且没有提供求解静力学和运动学问题的 简便形式。随着多体动力学的谨生和发展，机械系统运动学和动力学软件同时得到了 迅速的发展。1973年，美国密西根大学的N.Orlandeo和，研制的ADAM 软件，能够简单分析二维和三维、开环或闭环机构的运动学、动力学问题， 侧重于解决复杂系统的动力学问题，并应用GEAR刚性积分算法，采用稀 疏矩阵技术提

2、高计算效率 1977年，美国Iowa大学在，研究了广义坐标分 类、奇异值分解等算法并编制了DADS软件，能够顺利解决柔性体、反馈元件的空间机构运动学和动力学问题。随 后，人们在机械系统动力学、运动学的分析软件中加入了一些功能模块，使 其可以包含柔性体、控制器等特殊元件的机械系统。德国航天局DLF早在20世纪70年代，Willi Kort tm教授领导的团队就 开始从事MBS软件的开发，先后使用的MBS软件有Fadyna (1977)、 MEDYNA1984),以及最终享誉业界的SIMPAC( 1990).随着计算机硬件和数 值积分技术的迅速发展，以及欧洲航空航天事业需求的增长，DLR决定停止

3、开发基于频域求解技术的MED YN软件，并致力于基于时域数值积分技术的 发展。1985年由DLR开发的相对坐标系递归算法的SIMPACI软件问世，并 很快应用到欧洲航空航天工业，掀起了多体动力学领域的一次算法革命。同时，DLR首次在SIMPAC嗽件中将多刚体动力学和有限元分析技术结 合起来，开创了多体系统动力学由多刚体向刚柔混合系统的发展。另外，由 于SIMPACI算法技术的优势，成功地将控制系统和多体 计算技术结合起来，发展了实时仿真技术。基于多体系统动力学原理的机车车辆分析软件在90年代初的发展已是如 日中天。其中几个比较著名的软件如下：MEDYN软件MEDYN软件是由德国航空航天研究所于

4、1984年推出的多体系统模拟软 件。D.Wallrapp ，C.Futher，W.kortum等为此花了近十年的 时间。该软 件适用于铁路、公路车辆、磁悬浮车辆以及一般机械系统动态模拟计算，程 序用Fortran77编写。其较早的版本均在文本环境中进行包括刚体数目、坐 标位置、刚体间连结、外界激扰及输出变量等的定义，使用较为复杂。MED YN在绝对坐标系中定义系统后由程序自动完成系统方程的生成，通过选择不 同的模块进行包括静力学、动力学、特征值、频域、随机振动、时域积分、准 线性化等计算分析及数据和图形、动画的后处理功能。MED YN的建模、计 算功能极强，提供了带有FEM程序的弹性体前处理模

5、块、广泛的线性分析方法以及较强的 后处理模块。VAMPIRES 件1989年，由英国铁路道比研究所推出的VAMPIRES件，是专门针对铁 路机车车辆系统开发的，软件具有自动建模功能，能完成包括轮对模拟、蠕 滑力计算、轨道曲线、轨道不平顺输入以及动力学特性预测，程序也可以考虑 车体的模态。软件采用相对坐标系，通过人机对话的方式来定义机车车辆结构的几何尺 寸和参数，也可按规定格式输入数据文件，利用建模子程序，自动生成用矩 阵形式表示的系统运动方程，給分析计算提供统一的模型。VAMPIRE!模比 较方便，计算效率高，但仅能用于不带刚性约束车辆系统分析计算， VAMPIRES重客车系统建模，计算功能全

6、面。同样可以实现包括动力学、特 征值、频域、随机振动、时域积分等计算分析及数据和图形、动画的后处理功 能。NUCAR软件NUCAR软件是由北美铁路协会(AAR下属的普韦布洛试验中心(TTC幵发的，其1.0版本在1989年面世，NUCAR软件也是应用 多体系 统动力学方法采用相对坐标系进行机车车辆系统的自动建模，由于其针对以货 车为主的铁路机车车辆进行模拟计算，因此程序中镶嵌了货车所特有的斜楔 减振器以及心盘、旁承等摩擦模块，而且程序不像MEDYN那样庞大， Version2.1及以前的版本的机车车辆系统数据准备均在文本环境中进行，在 Version 2.3的版本中增加了较强的可视化前后处理功能

7、。NUCAR软件能够 考虑车体的一阶模态，可以逬行车辆系统的时域内的动力学数值积分分析， 其缺点是不便于求解特征值问题。图4.1空车分析模型图4.2重车分析模型ADAM软件ADAMS软件是世界上应用最广泛的机械系统仿真软件，由Mechanical Dynamics公司的Chance Orlandea等人于1981年最初 推出的这一软 件，能完成包括运动学、约束反力求解、特征值、频域分析、静力学、准静 力学分析以及完全非线性和线性动力学分析，具有可视化的二维和三维建模能 力，可包括刚体和柔体结构，具有组装、分析、动态显示不同模型或一个模 型在某一过程变化中的能力。它采用先进的数值分析技术和强有力

8、的求解 器，使计算快速、准确。其最初的版本只针对通用机械系统仿真分析，后期 才增加了包含轮轨矢系的铁路模块。图4.3转向架分析模型图4.4车辆分析模型SIMPAC软件SIMPACK件是德国INTEC Gmbh公司开发的针对机械/机电系统 运动学/动力学仿真分析的多体动力学分析软件包。它最初是继基于频域求解 技术的MEDYN软件后，德国航空航天局于1985年开发的基于时域数值积 分技术和相对坐标系递归算法的、以多体系统计算动力学为基础，包含多个 专业模块和专业领域的虚拟样机开发系统软件。该软件首次将多刚体动力学和 有限元技术结合起来，开创了多体系统动力学由多刚体向刚柔多体耦合系统 的发展，并成功

9、地将控制系统和多体计算技术结合，发展了实时仿真技术。 1993年，SIMPAC软件从 德国航空航天局分离出来，由INTEC公司负责 SIMPACI多体动力学软件的开发和市场运作，并于1996年推出 Wheel/Rail 模块。SIMPAC软件可以用来仿真任何虚拟的机械/机电系统，在三维可视化环 境中，利用多体系统的各种基本要素组建复杂多体系统，并自动形成其动力 学方程，利用各种内置的高效率求解方式，可以进行静力学、准静态分析、 运动学、频域模态、时域积分分析等，还有强大的动画与前、后处理功能等。图4.5侧架交叉支撑货车系统SIMPACI模型UM软件俄罗斯布 良斯克国立理工大学（Bryansk

10、State Technical University） Dmitry Pogorelov 教授研发的 Universal Mechanism （简 称 UM 软件是目 前俄罗斯最为通用的机械动力学/运动学仿真分析软件之一，在轨道车辆行业拥 有大量的用户。UM软件具有高效易用的前后处理功能并支持并行计算技术， 模型修改非常方便、计算速度较快。UM软件开发了汽车模块、铁道车辆（包括机车、客车和货车）模块、列车模块、疲劳分析模块及优化模块等功 能强大的专业模块，还设有与CAD软件、有限元软件及控制软件的接口。与 其他车辆动力学仿真分析软件相比,UM软件的突出特点是功能强大、适用性 强，其子系统建模技术、刚柔耦合系统建模技术、强大的轮轨尖系处理功能（如实时绘制轮轨