高速列车运动学与外流场仿真集成可视化

本文基于计算机仿真分析与虚拟现实技术，研究高速列车运动学仿真和外流场仿真分析数据的集成可视化，解决不同数据场间的数据转换与映射，提出了一种基于Ensight可视化软件的数据集成可视化方法，实现了沉浸式环境下外流场与运动学仿真数据的集成。结果表明，可在同一沉浸式环境下同时获知不同物理场的结果信息，从多场的角度观察和考虑各单场对列车性能的影响以及各单场之间的相互影响关系，为提高高速列车多学科仿真分析计算能力奠定了基础。

一、引言

高速列车的设计制造涉及到机械结构、电力电子、桥梁隧道、空气流场和人机工程等多种学科多项技术。在高速列车设计过程中，需要进行结构模态、轮轨噪声、流场和多体动力学等各种多学科有限元分析，以确保高速列车的安全性、快速性和舒适性。在高速列车的仿真分析软件中，运动学分析与外流场分析通常采用的是Simpack和Fluent等仿真分析软件。目前，还没有一款软件能同时进行运动学和流场分析；而现所有的可视化方式都是基于单场分析结果的，从而很难在同一平台下同时获知不同物理场的结果信息，也无法从多场的角度考虑和观察各单场之间对列车性能的影响，以及各单场之间的相互影响关系。由此，本文进行了高速列车运动学仿真与外流场分析结果的集成可视化研究，在沉浸式环境下，基于Ensight可视化软件对运动学仿真与外流场仿真分析结果进行集成，从而能够从高速列车整个运动过程进行流场的仿真分析研究，提高高速列车多学科仿真分析计算能力。

二、高速列车运动学参数提取

高速列车动力学仿真分析运用的Simpack软件目前无二次开发接口，要直接得到仿真分析模型和仿真分析结果非常困难。在对高速列车运动学参数进行分析的基础上，对关键动力学参数进行提取。具体方法是将列车仿真分析结果中转向架部件的运动位移、速度、加速度以及角位移、角速度、角加速度等信息提取出来，通过欧拉变换，转化成单个构件中心位置的旋转角度信息，从而能够得到构件任意时刻的中心位移以及其绕中心位置的欧拉角度信息，进而驱动高速列车外流场分析有限元模型的运动。

设欧拉角变换矩阵如下：

由欧拉角度位置变换可知：

其中（φ ，θ ，ψ ）表示欧拉角，φ 为绕z 轴旋转的角度，θ 为进一步绕x 轴旋转的角度，ψ 为进一步绕z 轴旋转的角度。

由定义可知欧拉参数为：

再由欧拉参数变换转化矩阵：

由此反求可得欧拉参数为：

此时可以将高速列车一段时间内动力学分析得到的车厢、转向架以及摇枕等构件的运行位移、速度、加速度、角位移、角速度和角加速度等物理信息提取出来，同时导出各仿真分析时间步信息，然后转化成各构件的位移与欧拉角度数据。

三、数据处理与接口开发

用于流场分析的Fluent软件与Ensight可视化软件有现成的数据接口，但Simpack与其无接口，需要开发。在进行动力学分析时，Simpack分析模型被大量简化，基本只保留关键的车厢、摇枕、转向架及弹簧等，分析结果也主要以图表显示。为了导出高速列车运动学参数，实现高速列车运动学和外流场有限元分析的集成可视化，开发了Simpack软件的数据导出接口，方法是：选择Simpack简化模型部件，通过CSV文件导出其随时间变化的位移、速度、加速度、摆动偏角和振动偏角等物理量，然后建立欧拉变化矩阵，完成坐标轴和坐标位置统一，最后编写Ensight刚体映射驱动的eet、erb文件，驱动几何模型或者有限元分析网格模型。以转向架运动仿真数据为例，数据接口开发流程如图1所示，具体过程如下。

（1）在Simpack中打开转向架运动仿真结果文件。

（2）调整转向架运动速度，如图2所示。

（3）更改积分时间和步数。

（4）做离线积分处理，如图3所示。

（5）选择位移、速度、加速度等输出对象，如图4所示。

（6）导出CSV文件。

（7）读入转向架Ensight模型文件信息，并将模型移到原点位置。

（8）读取Simpack所导出的CSV文件中轮对1（W S1）、轮对2（WS2）和构架（BF1）的时间步、线位移和角位移数据。

（9）根据德国航空标准9300号规则对模型进行旋转变换和平移变换，代码如下所示：

（10）调整位置，以实现在Ensight中轮对1（WS1）、轮对2（WS2）和构架（BF1）的拼装。

（11）输出Ensight刚体运动的case、erb、eet和geo文件，代码如下所示。

四、运动学与外流场尺寸统一与位置匹配

高速列车的运动学分析采用Simpack软件，而外流场分析采用Fluent软件进行分析。不同的分析软件采用的单位量纲不一致，因此由Simpack软件分析的结果与Fluent软件分析的结果单位量纲将不一致，在Ensight中进行集成可视化时，必然遇到单位量纲统一的问题。需要对结果模型进行量纲统一，主要是通过对数字化模型进行相应倍数的缩放操作实现。比如由m m单位量纲转化成m单位量纲时，模型几何数组将除以1000，同时搜索节点或者刚体物理属性信息，对于包含长度量纲的物理属性都进行相应除以1000的操作。此时就实现了多场模型的尺寸统一。

对于有限元分析结果中出现的几何装配信息丢失、装配位置不匹配问题，则需要通过人机交互以及提取CAD中模型中装配信息来解决。将装配信息映射到有限元分析结果模型中，从而调节有限元分析模型在绝对坐标系中的位姿，实现高速列车运动学与外流场仿真分析结果的位置匹配。

五、运动学与外流场时间同步与物理属性映射

获取高速列车外流场有限元分析的瞬态结果信息，将其保存在时间序列数据结构中。同时抽取得到运动学的时间步长信息，一般运动学的时间步长大于外流场有限元分析的时间步长。高速列车外流场的模型复杂，物理属性结果数据量极大。由此对高速列车运动学的物理属性进行操作，使其与外流场的时间同步，也就是将运动学的时间分析范围与有限元仿真分析的范围进行归并，并且以外流场分析的时间步长为基准，搜索运动学的时间数据信息，从而实现时间步长统一。根据外流场有限元分析的数据，对运动学分析数据的物理属性进行插值，并且保存时间同步的结果。

六、高速列车运动学与外流场集成可视化结果

分别在Simpack软件中进行高速列车运动学分析，在Fluent软件中进行高速列车外流场有限元分析，最后基于Ensight软件实现高速列车运动学和外流场集成可视化。实现集成可视化的具体方法及过程如下。

（1）将Fluent仿真分析数据导入Ensight软件，调节位置和显示方法。

（2）将Simpack运动学分析时用到的轮对和转向架模型（STL格式）导入Ensight软件，同时将其导出为case文件格式。

（3）利用Simpack仿真分析数据导出接口将Simpack运动学分析结果中的位移、速度、加速度及偏转角等信息导出。

（4）将高速列车Simpack运动学分析的结果与Fluent外流场有限元分析结果进行时间同步与物理属性插值。

（5）将Simpack运动学的数据转化成欧拉参数，并且与Fluent有限元仿真分析结果映射，从而驱动Fluent仿真分析结果运动，实现高速列车有限元模型能够随时间变化而调节空间位姿。

（6）在Ensight软件中，通过创建clip或者vortex产生流线，然后设置动画的相关信息，就能得到运动学与外流场集成可视化的结果，如图5所示。

七、结语

本文在对高速列车运动学分析和外流场有限元分析的基础上，通过接口开发与数据转换将仿真分析结果数据进行提取和导出，最后在基于虚拟现实技术的可视化软件中进行运动学和外流场的可视化集成，解决了不同仿真分析软件之间数据转换与融合等问题。从而在同一沉浸式可视化环境下同时获知不同物理场的结果信息，实现从多场的角度观察和考虑各单场之间对整车的性能的影响以及各单场之间的相互影响关系。