高速列车多学科仿真集成可视化平台研究

张绍东，邱利伟，刘振宇，田粟裕，刘志昆

（1.唐山轨道客车有限责任公司, 唐山 063035 ；2.浙江大学 CAD&CG国家重点实验室, 杭州 310027）

高速列车的设计制造是机电一体化的复杂工程，涉及机械结构、电力电子、桥梁道路、空气流场等技术。在高速列车设计过程中，需要进行结构模态、轮轨噪声、车体流场和多体动力学等多学科有限元分析，以确保高速列车的安全性、快速性和舒适性。为了更好地评价多学科有限元分析的结果，并直观地展示高速列车的运行过程，有必要构建一个高速列车多学科仿真集成可视化平台。相对于一般机电产品的多学科仿真[1]，高速列车多学科仿真集成可视化存在两方面难点：多学科有限元分析的结果数据需要通过异构网格的融合处理才能在统一的仿真软件中集成可视化；高速列车的海量数据难以仿真分析和集成显示。

本文在高速列车三维CAD模型进行结构、流场、噪声等多学科仿真分析的基础上，通过各类分析软件与可视化软件之间的数据接口的梳理和开发，研究了模型的网格简化方法及异构有限元模型之间的网格融合技术，实现了高速列车多学科仿真分析结果在同一可视化平台上的集成。

1 多学科仿真集成平台的功能与接口

高速列车多学科仿真集成可视化平台建立的基本思路是：在高速列车的三维CAD模型的基础上进行结构、流场、噪声等多学科仿真，然后将多学科仿真结果在统一的软件界面中可视化；整个多学科仿真流程和仿真数据由统一的多学科仿真数据管理系统来整合管理；某种型号的高速列车集成可视化的数据文件可以存储在数据库中，供用户使用。高速列车多学科仿真集成可视化平台的架构如图1所示。

图1 高速列车多学科仿真集成可视化平台的构架

在多学科仿真过程中，高速列车的原始CAD模型采用Pro/E构建，有限元仿真部分采用ANSYS进行结构模态分析，采用SIMPACK进行动力学分析，采用FLUENT进行流场分析，采用VIRTUAL LAB进行轮轨噪声分析。本文提出了将有限元分析结果在ENSIGHT软件中实现集成可视化。整个仿真流程由数据管理系统整合管理，仿真结果及中间文件存储在底层Oracle多学科仿真数据库中，供用户使用。用于多学科集成可视化的ENSIGHT软件具有强大的接口导入功能，能够识别大部分有限元软件的分析结果，但缺少动力学分析软件SIMPACK以及振动噪声软件VIRTUAL LAB的接口，因此进行了自行开发。针对高速列车多学科仿真集成可视化平台，有限元分析软件的仿真结果需要提取的物理量以及与ENSIGHT软件的接口情况如表1所示，virtual.lab接口开发如图2所示，simpack软件接口开发如图3所示。

表1 Ensight与分析软件接口情况

图2 virtual.lab接口开发

图3 simpack软件接口开发

2 高速列车网格模型的简化

高速列车多学科仿真的显著特点是海量数据，体现在两个方面：高速列车CAD三维模型的数据量很大；有限元分析结果的数据量也很大。以高速列车动车组的头车为例，一个车头的Pro/E三维模型就有3 G数据量。如此大的数据模型不仅难以在普通计算机内存中储存，也难以导入有限元软件中分析。多个学科有限元分析的结果数据要导入ENSIGHT软件中集成显示，形成的海量数据难以实时可视化。

采用二次误差测度QEM方法[2～3]对高速列车的Pro/E原始三维模型进行简化。图4是车头骨架的STL格式的原始模型，图5是骨架简化50%的结果，图6是骨架简化90%的结果，可见得到的简化结果在只有原来节点数目10%的情况下，能保证几何特征和轮廓误差要求，能够满足可视化要求。

图4 原始模型

图5 简化50%

图6 简化90%

大规模有限元仿真分析的结果简化涉及到网格面片的几何模型和节点信息的物理属性。有限元仿真分析中运用的单元模型众多，必须将单元模型三角化，从而能够基于统一的网格模型来简化。在有限元分析的结果数据中，存在很多辅助边界面片信息，因此需要剔除。由于节点具有物理属性，因此需要将属性值作为节点的权值，从而在简化过程中将物理属性与几何模型同时考虑。考虑到上述问题，项目组在原几何模型简化的基础上进一步完善，将节点几何误差与节点物理属性误差综合考虑，从而建立节点收缩代价链表，进行逐步简化，具体算法步骤如下：

Step1：在有限元分析的结果数据中，按照几何数据量要求和模型分析可视化要求，抽取出关键简化部件，去除冗余信息；

Step2：将有限元分析结果模型转化为几何结构模型，从而建立点、边、面的拓扑结构。建立待简化模型的边节点数据链表，实现模型的边链表和节点存储，以便于整个模型的边链表和节点搜索；

Step3：根据节点物理属性建立节点向量，并赋予初始权重值，构建各三角形面片的顶点及其物理属性的网格模型；

Step4：搜索所有的有效边链表，建立各边的有效收缩点，从而建立所有边的收缩代价链表，使收缩后面积变化最小；

Step5：在边收缩代价链表中，选择代价最小的进行收缩，然后更新边链表的代价链表，继续上述收缩操作，直到达到预定的简化数目为止；

Step6：将简化后的几何模型，转化成有限元仿真分析模型的结构形式，建立单元模型拓扑结构，生成用于集成可视化的数据文件。

按照上述算法，以高速列车横风仿真分析结果为例，简化前几何模型数据为16 073 K、物理属性文件为3 097 K，而简化95%的模型导出后的几何模型数据为295 K、物理属性文件为26 K，满足高速列车多学科仿真集成可视化的要求。

3 多学科仿真异构网格的融合

高速列车多学科仿真的分析结果将在ENSIGHT软件中实现集成可视化。由于ENSIGHT软件支持单个有限元软件分析结果的可视化，但无法实现多种有限元软件分析数据的集成可视化，因而需要对多学科仿真结果进行异构网格的融合处理。各类有限元软件网格模型的数据结构各不相同，通常有限元分析的结果数据由两部分组成[4]：（1）几何信息，包括网格节点、网格单元、特征线以及特征面等元素；（2）物理属性，包括有限元边界条件、施加的载荷、节点对应的场量值等信息。

异构网格融合的前提是构建统一的有限元网格模型。网格模型的基本数据结构如下所示，统一有限元模型中的节点数目和单元大小根据集成可视化的要求确定。

在统一的有限元网格模型的节点上赋予物理属性值，这需要进行空间节点间的插值运算，算法步骤如下：

Step1：根据统一模型中某节点的空间坐标值，记为P(xP, yP, zP)，搜索原始有限元分析的结果文件中距离P点最近的节点，并记为Q；

Step2：从Q点开始，在原始有限元分析的结果文件中查找Q点的相邻节点，以及其他相邻点等，将这组节点记为{Q}，使得{Q}构成的单元体包含P点，并到P点的距离之和最小；

Step3：以P点到{Q}中各点的距离为权重，根据{Q}中各节点的物理属性值计算P点对应的物理属性值。

按照上述方法即可获得统一的有限元网格模型中的节点物理属性值，实现高速列车多学科仿真过程中异构网格的融合。

4 高速列车多学科集成可视化实例

目前京沪高速铁路中使用的CRH-3型高速动车组由中国北车集团唐山车辆厂负责研发和生产。在高速动车组列车设计阶段，通过读取Pro/E模型数据和有限元仿真数据，进行CAD网格模型简化和有限元网格模型简化，在多学科异构网格融合的基础上实现了高速列车的集成可视化，在同一平台下同时获知不同物理场的结果信息，更直观地展示出各场间的相互影响和联系。隧道中的运动学和外流场集成可视化如图7所示。内流场与振动模态集成可视化如图8所示。

5 结束语

图7 隧道中的运动学和外流场集成可视化

图8 内流场与振动模态集成可视化

高速列车多学科仿真集成可视化平台，通过对高速列车的三维CAD模型进行结构、流场、噪声等多学科仿真，实现多学科仿真结果的集成可视化。本文开发了相关软件之间的数据转换接口，着重研究了高速列车海量数据的简化与多学科异构网格的融合技术。集成可视化平台可以更好地评价高速列车多学科有限元分析的结果，为研究从多场的角度考虑各单场之间对整车的性能影响以及各单场之间的相互影响关系提供了手段和技术支持。

[1]Gupta R, Whitney D, Zeltzer D. Prototyping and design for assembly analysis using multimodal virtual environments [J].Computer-aided design, 1997, 29(8): 585-597.

[2]卢 威，曾定浩，潘金贵.支持外观属性保持的三维网格模型简化[J]. 软件学报，2009，20（3）：713-723.

[3]张亚萍， 熊 华，姜晓红，石教英. 大型网格模型简化和多分辨率技术综述[J]. 计算机辅助设计与图形学学报，2010， 22（4）：559-568.

[4]刘振宇， 傅 云，谭建荣. 基于异构网格耦合的产品多物理场有限元数据集成与可视化仿真[J]. 机械工程学报，2010， 46（7）：114-121.