面向设计模型的高速列车整机性能动态模拟及参数优化

针对高速列车性能设计、分析研究中存在的不足，系统地提出将设计模型贯穿于高速列车整机性能动态模拟过程的思路。通过对高速列车整机性能分析模型在设计环境中的自动抽取、关联的设计及分析模型向仿真模型的抽象与表达，并结合高速列车运行的线路条件，构建面向设计模型的高速列车动态模拟环境；在此基础上研究基于高速列车整机动力学分析的性能参数优化方法，以获得满意的性能参数。该研究充分将数字化设计方法与整机性能分析通过现代计算机仿真建模手段结合起来，以高速列车性能模拟为载体，为高速列车的研发提供一条系统的思路，解决高速列车的设计、分析及性能参数优化相对独立的问题，最终为我国高速铁路的发展提供技术基础。

本研究提出一种面向设计模型的高速列车整机性能动态模拟及参数优化思路。该思路从系统的角度，将高速列车动力学分析模型融合在产品设计过程中，以获得合理的性能参数。经过3年的研究，得到如下结果：.（1）提出完整的产品不同设计阶段的设计分析集成模型（HPDA） .引入面向设计模型的灵敏度分析模型和优化模型，扩展MRA表达框架成为满足复杂多体系统产品设计—分析—再设计的广义集成框架GMRA（Generalized MRA）。通过在各个设计阶段定义和构建GMRA获得全息的产品设计分析模型HPDA（Holistic Product Design and Analysis Model）模型，针对高速列车的设计分析集成情况，采用HPDA对其实例化研究。并针对整机性能分析提出面向设计模型的广义多描述架构模型GMRA。.（2）提出基于多体系统理论的高速列车灵敏度分析模型及求解方法 .基于设计模型的设计分析集成思路，将轮轨接触简化为弹簧-阻尼模型以求解轮轨法向力，建立起面向多体系统的高速列车灵敏度分析模型，将高速列车性能设计参数与动力学关联起来，通过采用伴随变量法详细推导了高速列车性能设计参数对其动力学响应的灵敏度，初步找到了设计参数与性能之间的关系，建立了基于灵敏度的优化模型，从而将设计、分析、灵敏度、优化集成到产品性能设计的循环中，为性能参数的寻优建立基础。.（3）提出面向设计模型的动力学分析环境下的动态模拟实时性和逼真性表达方法及算法 .通过将设计模型的几何模型和属性模型过渡到动力学环境中，采用三维可视化进行高速列车拓扑结构的构建，研究面向CPU、GPU的高速列车运行模拟模型动态干涉算法，实现了基于动力学数据驱动的高速列车运行过程动态模拟，更为真实地表达了高速列车运行模拟的过程。.（4）开发和搭建了高速列车设计、分析集成一体化的原型系统 .在主流三维CAD软件基础上，通过将包含性能属性的设计模型无缝过渡到动力学可视化分析环境，并将其自动映射为可供求解的自主研发的仿真模型；以此探索了性能设计参数对动力学性能响应的灵敏度求解算法，从而将设计模型的设计参数与动力学响应关联起来，建立起可供迭代的优化模型，有效地实现产品的设计、分析、灵敏度分析和优化的结合。经过以上研究，实现了高速列车在动态可视的环境的动态模拟，并将设计模型与分析模型统一起来，实现高速列车性能的设计、分析集成，达到了预期目标。