MATLAB-SIMULINK通信系统建模与仿真实例分析
MATLAB-SIMULINK通信系统建模与仿真实例分析,Simulink在通信上应用，非常实用的一本书。內容簡介本書系統地介紹了通信建模仿真方法和模型驗證技術,並結合作者近年在教學科硏中所設計的大量基礎的和較深入的建模仿真實例,詳細討論了 Matlab/ Simulink作為仿真實現平台在電子與通信工程中應用的基木方法、技巧和難點。木書重點討論了建模仿真原理和相鬨的數值計算方法、模擬通信系統、模數轉換、調製貝編碼、信道模擬、載波與符號同步、信道均衡、跳頻系統和直接擴頻系統、通信模型正確性評估、仿寘數據驗證和數據處理技術等內容,並在仿真實例中展示了科學研究論文和報告所必須的數據處理和表現技巧本書提供了約150個建模仿真實例,80多道思考題,以及全部實例代碼和一個電子教案這些實例根據基木數學原理,結合 Simulink的S凼數編程,也使用了通信工具箱、信婋處理工具箱和相關模型庫的模塊和函數,以便於讀者追源求本,深入理解建模和仿真的實質。本書可作為高等院校通信工程、電子信息類專業的本科生和硏究生系統仿真課程的教材或進行相關課題硏究的參考書,也可作為相關專業課程設計和畢業設計等綜合性實踐教學的指導材料,還可供通信工程專業技術人員、教師等作為解決通笮系統設計、評估和建模仿真領域實際問題的參考資料。前Matlab語言由於其語法的簡潔性、代碼接近於自然數學措述方式以及具有豐富的專業凶數庫等諸多優點吸引了眾多的科學研究工作者,越來越成為科學研究、數值計算、建模仿真以及學術交流的事實標準。 Simulink作為 Matlab語言上的一個可視化建模仿真平台,起源於對自動控制系統的仿真霱求,它採用方框圖建模的形式,更加貼近於工稈習慣。目前, Matlab/ Simulink的應用已經遠遠超越了数值計算和控制系統仿真等傳統領域,在幾乎所有理工學科中形成了為數眾多的專業L具庫和函數庫,口益成為科學研究和上程設計中口常的計算和仿真試驗工具。隨著 Matlab/ Simulink通信、信號處理專業函數庫和專業工貝箱的成熟,他們日益為廣人通信技術領域的專家學者和工程師所熟悉,在通信理論硏究、算法設計、系統設計、建模仿真和性能分析驗證等方面的應用也更加鷹泛。 Simulink可化仿真工具能夠以很直觀的方框晑方式形象地對通信系統進行建模,並以「實時」和動畫的方式來將模型仿貞結果(如波形、頻譜、敷據曲線等)顯小岀來,更便於對通信系統的物理概念和運行過程的直覲理解,所以近年來在通信工程專業中得到了廣人師生的重視和廣泛應用,在理論教學、課程實踐環節以及理論和技術前沿的研究中發揮了重要作用。本書以通信原理為主線,從系統建模原理和仿真的數值計算方法入手,詳細介紹了 Matlab/ Simulink在通信系統建模和仿貞中的應用原理、內容方法和特點,並結合作者在科研和教學中的應用硏究,列舉了大量的仿真實例。通過這些實例,以期逹到兩個目的:其一是通過系統建模過程對 Matlab/ Simulink基本建模仿真方法的實質性理解,以掌握通信系統仿真的思維方法;其二是通過仿真過程和仿真結果分炘對基本通信系統原理的理解,並逐漸培養系統建模和設計的自主能力和創造力本書的特點是:(1)本書重黠討論通信工程相開專業旳系統仿真原理和應用,以通信系統媾成為主線介紹系統仿真方法,以微分方程的數偵求解和概率論為數學基礎,注重介紹通信仿真技術中基礎性的,本質性的內容,並強調仿真的數學原理和方法,而不作為一本 Matlab語言或仿真編程的介紹手間哩論的學習必須要有實踐的支持,理諍的檢驗和驗證也必須通過實踐。數理基礎在通信工程專業中的地位應當得到重視。系統仿真技術是專業理諭和系統實驗相結合的有效途徑之一,學習通信系統仿真不是學習某個系統仿真軟件的功能,而是在紮實的數理基礎和通信理論基礎上以系統仿真軟件作為工具平台的實踐活動。基於這種認織,本書沒有系統介紹 Matlab/ Simulink軟件的使用方沄和編程函數,而是把 Matlab/ Simulink視為一種方便的仿真軟件工只在通信系統建模和仿真中加以應用。因,掌握本書所介紹的系統仿真思想方法也就意味著可以使用任何計算機語言來進行通信系統的建模仿真實踐(2)本書詳細請述了 Matlab/ Simulink的建模仿真原理,把S函數作為掌握 Simulink仿真的根本,並將 Simulink可視化建模和 Matlab語言編程統一起來。並通過眾多的實例,加強了對仿手段、思想方法以及系統原理等抽像內谷的理解和應用。讓者可以運行這些實例,或改變實例中系統模塊的參敷來進行實驗,甚仝可以在這些實例的基礎上媾建更加複雜的系統模型。(3)本書在內容編排上注意由淺入深,逐本求源,由普遍方法論到實際建模實驗,中通信單元模塊的建模到綜合系統仿真,循序漸進,便於閱讀和學習。本書對通信系統建模的敭學原哩的講述比峧詳細,重視數哩基礎在通信程中的應用,注重原理的論述,授人以漁以 Matlab/ Simulink作為實驗台。特別注重講解通信系統建模和仿真理諭中根本性的和基礎性的內容。(4)鑒於通信系統仿真涉及的內容廣泛,對數學基礎要求和的通信基本理論的理解要求較髙,又特別強調矩陣數值計算方法的編程實現能力,因此在每章之未總結了主要內容並對相開的參考資料進行了綜述,以供讀者進“步深入學習相開內容時參考。本書共分八章。第一章概述了通信系統仿真的原理和方法。對仿真建模的意義、模型的類型以及仿真的數學方法進行了論述。第二章是本書的基礎,主要介紹了 Matlab/ Simulink編程和建模仿真的原理,並通過大量的實例演示了應用 Matlab/ Simulink建模仿真的方法、關鍵問題和處理技巧。希望通過這些實例和實驗實作來使讀者對 Matlab/ Simulink的建模和仿真有一個實質性的理解第三章以通信系統的基本構造為主線,對通信系統基本模塊的原理和建模方法進行了剖論,並介紹了 Matlab/ / Simulink通信τ具箱和信號處理工具箱中的常用模塊及其原理和使用方法。以這些基本模塊為元素,給岀了通信系統中從信源、調製、信道到接收解調、同步等基木單元的仿真實例第四章簡要闡述了通信系統整體構架和層次伈建模的思想要點,比較了模擬通信系統和數字通信系統的仿真框架和兩者的異冋點,並討論了描述通信系統質量和性能的主要指標第五章對模擬通信系統的建模和彷寘問題進行了詳細的討論,包括對調幅廣播波形和頻譜、傳輸、接收機自動增益控原理和性能、檢波和解調、單邊帶通佁機、調頻立體聲系統以及彩色電視信婋和系統的仿真實例。對模擬通信系統運行原理的理解能力可以视為無線電和電子工程師最基本的專業素質來衡量第六章討論了模擬信號數字化問題的原理和仿寘實例,內容包括採樣定理的原理性仿真、Δ①D轉換、非均勻量化的原理和性能仿真、pCM編解碼過程、自適應PCM以及增量調製的原理仿真和性能結果等等。第七章以數字通信系統的關鍵技術和一些較深入的問題為饼究對象,討論了以誤碼率為性能指熛的蒙特卡羅仿真建模方法,基帶數據傳輸的碼型設計與仿真,基帶帶限傳輸系統、眼圖以及信道均衡問題,數字調製的波形和頻譜仿寘問題等等。以仿真實例介紹了擴頻抗干擾系統的原理和性能分析,包括直接序列擴頻系統和跳頻系統的仿真實例第八章討諭了通信系統模型評估和仿真結果的正確性驗證等問題。鮫詳細地介紹了苳特卡羅仿真方法的實現要點,隨機數的產生,各種隨機分佈以及他們之間的關係,並討諭了以數理統計方法為主的模型和仿真數據評估方法,插值和擬合等實驗數據處理方法等。對特卡羅仿真方法的試驗精度等方面進行了性能分析。全書所有實例的模型文件和程序代碼在 Matlab(R13)版本下調試通過。另外,還提供了個電子教案。讀者需要只有微積分、概率賏統計、信號貝系統、數字信號處理和通信原理的背景知識。本書計劃學時為40學時,課堂上重點是講述通信系統仿真的概念、方法和實例應用,而在教學實踐環節中可以通過本書的眾多實例以及各章的思考題來加深對仿真方法的掌握。建議讀者在哩解仿貞原理的基礎上,對本書列舉的實例給岀自己的仿貞模型和設計參數,然後與本書的模型和程序結果進行對比,這樣比單純運行、硏究實例模型將吏能夠激發讀者的創造力,也更具趣味性和挑戰性。本書給岀的思考題一般是對實例問題的深化或拓展以及對正文的補充。許多思考題在仿真條件、系統建模上給讀者預留了很大的創造空間,解答可以靈活多樣感謝澳大利亞新南威籣士大學電了與電氣工程學院的 Jinhong Yuan教授,在我做訪問學者期間,他提供了良好的學術研究環境。在與他以及他的同事們的學術交流中得到了許多啟迪,促成了本書的完成。本書在成書過程中得到了許多專家、教授的關心和幫助,特別是在與徐眀遠教授、姚紹文教授、龍華教授、劉增力卲教授等前輩和專家的父流中深受教益。在本書的寫作和相關課程教學和輔導工作中得到了宋耀蓮、楊秋萍、朵晽老師的幫助和攴持。龍洋、吳熹等研究生也幫助完成了本書部分章節的校閱工作。清華大學岀版社的魏江冮編輯對本書的策劃、編輯和校對付出了辛苦的勞動,在此對他們表示衷心地感謝。最後要感謝我的家人,沒有他們的關心和支持,本書是不能完成的本書可作為高等院校通信工程、電子信息類專業的本科生和硏究生系統仿真課程的教材或進行相闋課題硏究的參考書,乜可作為相關專業課程設計和畢業設計等綜合性實踐教學的指導材料。現代通信系統仿真技術不僅僅是對通信理論的驗證于段,也日遆成為通信新理論硏究、新協議、新算法開發和系統總體設計的重要實驗硏究途徑,因此,本書所介紹的系統仿真思想方法對於從事通信系統設計的專業技術人員也很具有參考價值。限於筆者水平,木書定有不妥甚至錯誤之處,懇請讀者予以批評指正。作者的聯繄電子郵件地址是: shaoyun999 sina. cor。邵玉斌零零七年|二月目錄前言第1章通信系統仿真的原理和方法論1.1通信系統仿真的現實意義·11.2計算機仿真的過程1.2.1系統仿真的數學基礎1.2.2計算機仿真的一般過程1.3通信系統模型的分類1.3.1按照系統層次分類1.3.2按照信號類型分類1.33按照系統特徵分類1.4通信系統仿真的方法14.1基於動態系統模型的狀態方程求解方法∵·14.2基於概率模型的蒙特卡羅方法∴1.43混合方法171.5通信系統仿真的優點和局限性1.6系統建模仿真方法與仿真工具···16.1系統建模仿真方法與仿真工具的關係1.6.2仿真環境的構成和要求1.6.3常用仿真工貝的選擇1.7小結舆文獻綜述1.8思考題第2章 Matlab/ Simulink系統建模和仿真基礎」2.1 Matlab編程仿真的方法21.1概述2.1.2靜態系統的 Matlab編程仿真2.1.3連續動態系統的 Matlab編程仿真2.1.4離散動態系統的 Matlab編程仿真2.1.5基於數據流和基於時間流的仿真方法2.2 Simulink仿真基礎2.1系統模型的方程和圖形化描述222 Simulink仿真平台2.2.3構建一個簡覃的 Simulink仿真系統224 Simulink子系統構建、封裝和自定義模塊庫23 Simulink的工作原理—S函數23.1S函數的工作原理2.32用 Matlab語言編寫S函數2.4用S函數編寫 Simulink基本模塊·2.4.1信源模塊·.··2.4.2信宿和信號顯示模塊952.4.3信號傳輸模塊2.5 Simulink仿真的數據結構和編程調用方法1082.51 Simulink中數據流的向量和矩陣形式2.52 Simulink中數據結構的轉換·253 Simulink與 Matlab的交互·1212.5.4編程調用仿真模型1242.6 Simulink在電子與通信系統仿真中的幾個關鍵問題12626.1系統仿真速率的設計和選擇12626,2並/串轉換和混合速率系統仿真2.6.3不同層次的仿真模型1302.6.4用 Simulink求解方程·……2.6.5同一數學模型的多種計算機仿真實现方法1372.7聲卡在 Simulink仿真模型中的應用·13727.1 Matlab興聲卜的接口函數∵1382.7.2 Simulink與聲卡的接口模塊139273在 Simulink中組建虚擬儀器2.8小結與文獻綜述1452.9思考題146第3章基本通信模塊的建模與分析1493.1濾波器模型1493.1.1濾波器的類型、參數指熛與設計1493.L.2瀘波器的實現1593.2信源模型1623.2.1確定信源1623.2.2偽隨機碼源1633.2.3統計信源一噪聲源1643.3信號參數的測量和分析3.3.1信號的能量和功率1653.3.2信號直流份量和交流份量1653.3.3離散時間信號的統計參數1663.3.4信號的頻域參數1693.4信道模型1903.4.1加性高斯白噪聲信道1903.42帶限加性噪聲信道·19134.3離散時間信道指標的定量計算1923.4.4錯誤概率信道∵1943.5調製舆解調3.5.1調製的通帶和基帶模型1973.5.2模擬調製與解調模型3.5.3數字調製與解調模型2043.6鎖相環和載波提取20636.1鎖相環的構成和建模仿真·2063.6.2用於或波提取的鎖相環仿真3.6.3鎖相頻率合成器的仿真3.7小結舆文獻綜述··2193.8思考題第4章構建通信系統仿真模型2214.1通信系統的基本模型4.1.1模擬通信系統基本模型·4.1.2數字通信系統基本模型234.2通信系統主要性能指標2244.3通信系統建模的要點4.4小結和文獻綜述·2:304.5思考題·第5章模擬通信系統的建模仿真5.1詞幅廣播系統的仿真5.2調幅的包絡檢波和相干解調性能仿頁比較5.3頻分復用和超外差接收機的仿真模型·365.4自動增益控制(AGC)原理與仿真2385.5調頻立體聲廣播系統的建模仿真55.1調頻立體聲廣播的信號結構和仿真模型··5.5.2調頻立體聲接收機模型5.6單邊帶調幅系統的建模仿真·445.6.1希爾伯特變換445.6.2單邊帶調嗝與解調原理56.3一個簡化的單邊帶電台仿真57彩色電視系統的建模仿真2535.7.1電視掃瞄原理的仿真5.7.2彩色電視信號的構成和頻譜仿真5.7.3簡化的彩色電視接收機仿真5.8小結與文獻綜述59思考题第6章模擬信號數字化6.1採樣定理的原理仿頁62A/D和D/A轉換器的仿真2676.3PCM編碼和解碼6.3.1信號的壓縮和擴張2686.3:2PCM編碼和解碼2716.4DPM編碼與解碼2766.5增量讖製2796.6小結與文獻綜述6.7思考题.第章數字通信系統的建模仿真857.1進制傳輸的錯誤率仿真·7.2基帶傳輸碼型設計··2877.2.1二電平碼2887.22三電平碼·7.3帶限基帶傳輸系統的仿真2947.3.1眼圖和無碼間串擾波形·7.32基帶傳輸系統的仿真2977.3.3定時提取系統的仿真7.3.4信道的時域均衡·3007.4數字調製的仿真3057.4.1信號的向量表小∵·3064.2數字調製信號的向量表示和仿真3077.5擴頻系統的仿真5.1偽隨機碼的產生7.5.2直接序列擴頻系統53跳擴類系統··317.6小結興文獻綜述3347.7思考题第8章通信系統建模仿真的評估3378.1概运8.2概率模型和蒙特卡羅方法∵3398.3隨機數的產生和常用隨機分佈8.3.1均勻分佈隨機數的產生3108.32產生其他常用隨機分佈的方法833產生任意指定區間上的均勻分佈3438.3.4三角分佈
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最新的simpack学习资料！包括了铁路模块建模的较详细描述！为数不多的simpack学习资料！参考文献…316第1章绪论11背景介绍铁路的发展历史已绎将近一个世纪,现代轨道车辆应用最为广泛的就是旅客和货物运输。近二十年来,随着科技技术的迅猛发展,轨道车辆面临着髙速运行、降低能耗和缩减运营费用等迫切要求。由于车辆运行速度的不断提高,安仝和舒适度是人们一直关心的核心问题。这就对髙速列车的车辆的动力学特性设计提出了更为严格的要求,需要探明一系列影响列午运行安全的关键问题,诸如如何有效识别影响午辆舒适度和脱轨问题的动力学参数匹酉问题等,以便确保列车良好的安全特性。当然,对于车辆运行的舒适度和平稳度等问题,可以通过控制振动源和噪声源进行有效改善;对于脱轨和蛇形运动问题需要了解车辆的轮轨参数匹配和其他动力学特性参数设置。轨道车辆一般包括两种形式:一种是集中动力式列车,它主要由机车和车辆组成,机车负责牵引,木身并不载运旅客和货物,载运的任务主要由车辆承担;另一和就是分散动力式列车,常见的就是动车组,没有专门的机车提供动力,每节或几节车辆均具有牵引动力。从车辆动力学的角度看,机车和车辆具有相似的振动特征,而轮轨系统是车辆动力学分析的核心内容。车辆是具有弹簧悬挂和减振器等装置的多自由度振动系统,在运行过程中会产牛各种复杂的振动特性。而这些复杂的振动是由若干基本形式的振动组合而成。如今车辆逐步发展成为札械、力学和控制相互耦合的大系统,整夲的动力学特性的奷坏直接影响着夲钠运行的安全和舒适度。由于计算多体力学的进步和计算机软硬件技术的发展,人们可以通过并行⊥程仿貞的技术,建立详细的轨道车辆数学和物理计算模型,考虑各种复杂的边界条件因素,有效地硏究车辆动丿学性能,开发出高质量的新产品,提出列车运行的安全准则,因此车辆动力学的分析软件必然会在现代轨道车辆的研制过程中发挥越来越重要的角色,动力学分析涉及到内容主要包括如下几点:蛇形运动模拟,蛇形运动是轨道车辆在行驶过程中的一种特殊的现象,即当列车行驶时,突然出现车体和转向架开始剧烈左右偏转的不稳定振动现象。它容易导致车辆舒适度降低,出现破坏轨道,甚至发生脱轧、倾覆等安全事故。曲线通过能力计算如何保证车辆的良好曲线通过能力,使得车辆在曲线通过时,车轮对于轨道的横向作用力最小?舒适度评价车辆在各种复杂环境因素条件下的舒适度,诸如在轨道随机激励和冲击、设备振动、启动/制动、气动影响、高速会午,进出隧道压力波等条件下的车辆舒适度评价。脱轨和倾覆安全性评定研究保证车辆在高速运行吋不会脱轨机制,以及如何保证车辆在曲线通过时槓风的作用下防止车辆倾矍的问题。车辆被动和主动悬挂设计方式的选择悬挂方式的优化,以及如何有效地将控制技术应用在列车或车辆的动力学控制系统设计中,通过控制技术的运用,提高列车运行的安全性和舒适度。1.11铁路动力学分析软件的比较下血首先对国际上铁路领域流行的主要车动力学分析软件徹一个简单的介绍。o ADAMS( Automatic Dynamic Analysis of Mcchanical Systcms )/Rail ExftADAMS/Rail软件包是目前铁路车枘系统动力学数值分析的主流分析软件之ADAMS是由关国MDI公司于1980年推出的机械系统仿真软件,1993年,MDⅠ公司与荷兰铁路技术咨询公司合作,将现代轮轨动力学理论的计算方法逐步引入到软件中。1995年ADAMS/ Rail开始正式进入铁道车辆动力学分析领域。1996年MD公司与 Arge Care公司合作,采用 MEDYNA( SIMPACK公司的前身)软件的轮轨接触元素,2002年与英国的AEA公司( VAMPIRE软件的拥有者)形成战略合作关系,进一步增强了轮轨的计算能力。2002年MDⅠ公司为 MSC Software公司收购,并且逐步融入MsC的软件系统,在轮轨接触问题和计算速度上都有所提高, ADAMS软件在2005年前后被德国 Vi-Grade公司接管,软件开发日前进展不大。AMPIRE(Ⅴ ehicle dyn Amic Modeling Package In a Railway Environment)软件由英国铁路道比研究所1989年推出的 VAMPIRE软件,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,能够完成包括轮对模拟、蠕滑丿计算、轨道曲线、轨道不平顺输入以及动力学特性预测,程序也可以考虑刚体的模态。软件采用相对坐标系,通过人杋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建模比较方便,计算效率高,但仅能用于不带刚性约束的车辆系统分析计算,VAMPIRE侧重客车系统建模,计算功能全面。同样可以实现包括动力学、特征值、频域、随机振动、付或积分等计算分析及数据和图形、动画的后处理功能● NUCARS( New and Untried Car Analytic Regime Simulation)软件NUCARS软件是由北美铁路协会(AAR)下属的普耶勃罗试验中心(TC)开发的,其1.0版本在1989年面世, NUCARS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上的铁路机车车辆进行模拟计算,因此程序中嵌入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 MEDYNA那样庞人, Version2.1及以前版本的机车车辆系统数据准各均在文本环境竟中进行,在: Version23的版本中增加了较强的可视化前后处理功能。 NUCARS软件能够考虑玍体的一阶模态,可以进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。●UM( Universal mcchanism)软件UM软件( Universal mechanism(简称UM))是俄罗期新一代的机械系统运动学力学仿真分析软件,通过建模求解,可以分析多体系统的振动特性、受力及位移、速度、加速度等参数,进而预测复杂多体系统的运动学动力学性能。它是由俄罗斯布良斯克国立理工大学( Bryansk State Technical University) Dmitry Pogoreloⅴ教授为团队研发的动力学分析软件UM是目前俄罗斯和部分东歐国家通用的机械动力学/运动学仿真分析软件之一。俄罗斯轨道车辆生产企业90%以上的车辆动力学仿真分析工作是使用UM完成的。UM的突出特点表现在:具有高效易用的前后处理功能,并支持并行计算技术;模坎众多,如汽车模块、铁道车辆(包括杋车、客车和货车〕模块、列车模垬、疲劳分析模垬及优化模块,还设有CAD软件、有限元软件及控制软件的接口;功能强人、适用性强,其子系统建模技术、冈柔耦合系统建模技术、强大的轮轨关系处理功能(如实时绘制轮轨两点接触作用力的曲线等)都使其具有良好的应用前景;UM软件还在轨道车辆的动力学研究中不断探索,如UM4中的道碴模型经过疒级后,可以硏究罐车的液固耦合振动问题,还可以研究运煤敞车、粮食漏斗车等散装物运输货车的压力分布。UM5已经丌始考虑车桥耦合振动问题。模型修改非常方便、计算速度较快。此外,UM软件还在内部嵌套了人量的便用功能,如计算器、滤波器等,使用非常方便。对计算三大件式转问架货车及机车的动力学性能来说,具有一定的优势。● Gensys及其他软件Ansys软件目前在车辆动力学的分析中也较为广泛,但是相对而言,资料比较缺乏,所以这里不再详细介绍。其他的还有很多国家相继研发了轨道车铟的动力学分析软件。这里仅介绍部分专业软件。具体如A’GEM( Automatic Generation of Equations of Motion)软件是由加拿大的 Queens University机械工程系硏制的。其轨道乍辆模块使用 AutoCad的图形界面,程序使用DOS执行处理的模块,可以计算轨道车辆的稳定性、舒适度、曲线通过性能,还可以计算其他轨道车辆的动力学性能。但是其在图形用界面、时频分析以及动画方面还有待改进。世南交通大学牵引动力国家重点实验室也相继廾发了 TPL Train的列车动力学分析软件和其下属列车线路研究所开发的“车辆轨道垂冋相互作用仿真分析系统ⅵCT”和车辆-轨道空间耦合动力学仿真软件系统 TTISIM软件”等铁路玍辆专业软件分析包。前者主要用于面对列车的纵向、横向和垂向动力学进行系统模拟研究;后二者主要用于研究机车车輖对轨道结构的动力作用问题,以及机车车辆在实际弹性轨道上的运行安全性与平稳性,只有很强的专业性正如基础教程中所介绍的那样, SIMPACK软件是国际著名的机槭系统运动学/动丿学仿真分析软件,其轮轨模块最新的市场占有率更是占有超过近60%的国际市场份额。其所具备的分析内容可以包括:整车系统振动特性、各部件的受力状况、加速度等:描述并预测复杂多体系统的运动学/动力学性能。轮轨模块〔包括:常规 wheel/rail模块、道岔分析模块和最新开发的轮轨磨耗(wear)预测模块)是德国宇航中心(DLR)集合20多年来轮轨接触模拟的经验和现代先进的模拟技术及常用模拟工具于一体的技术结晶,也是当前先进铁路车辆动力学仿貞软件的先驱之由于 SIMPACK软件立足自身开放性和非常灵活的建模概念,使其无论从独立轮对还是乍辆主动/被动控制系统,都可以支持设计者自由的设计思想,使得设计者能将更多的精力投入到只体设计工作的创新中。利用它人们可以对铁路复杂系统的动力学特性进行综合的仿真分析。 SIMPACK软什还具有和有限元分析(FFA)、 CAD/CAE以及CACE(控制)等软件的接冂程序,具有友好的操作界面,功能强大。且其轮轨模块经过大量铁路车辆试验验证具有很高的仿真精度和效率,长期不懈的努力和技术创新使得 SIMPACK已经成为国际上铁路领域多体系统动力学仿真工具领域的领导者之一。 SIMPACK的特色主要包括:(1)已经成为国际铁路行业设计标准的制定者目前为止,全球至少有100多种著名型号的跨国公司的轨道车辆是在 SIMPACK的帮助完成的设计,因此 SIMPACK软件凵经成为了目前全球铁路车辆系统动力学仿真的标准廾发工具。在DLR拥有20多名国际著名的铁路专家长期进行 SIMPACK软件的轮轨接触模型的开发,并进行了大量的匚程领域动力学分析的试验验证工作(2)不断创新,采用全新的轮轨接触模型。最新版本的 SIMPACK轮轨模块的具体特点在下一章节进行介绍。12 SIMPACK轮轨模块特点目前最新的 SIMPACK版木8900中具有全新的轮轨接触模型特点,木文主要还是以8800作为主要的软件进行介绍1)轮轨接触力采用新的计算方法计算轮轨接触斑上的接触力,获得车轮的法向力和导向力,它可以通过采用车轮和钢轨运动学约束模型荻得有效的计算结果,而不是传统的接触弹簧阻尼系统来计算得到,这样的优点在于其可以有效考虑轮轨之间的高频接触振动。而实际状况中,含有高频成分的车辆振动行为影响会人人降低时域内积分的步长,但是对于在给定精度内的动力学性能影响不大。因此采用的运动学约束计算方法可以大大地提高动力学计算的速度和精度,从而使得 SIMPACK快速满足行业的应用需求,并能使得其达到期望的水平。SIⅠ MPACK软件采用完全递归的计算方法,以及在相对坐标系中建立运动方程的算法,使其在计算轮轨接触时,可以建立最小数目的约束方程。同时 SIMPACK高效的建模操作和仿真速度,使SIMPACK成为铁路行业仿真分析的领导者。当然,也可以选择用传统的接触弹簣-阻尼模型取代运动学约束模型,来建立轮轨之问的接触关系。2)摩擦力SIMPACK提供了许多模拟轮轨之间的摩擦力的不同方法,最常用的就是 Kalker的简化非线性滚动接触理论,可以在计算结果和仿真精度方面取得较好的统一。软件中凵有用来建立自定义的轮轧摩擦的模块,可以很方便地在 SIMPACK中自定义轮轨接触模型,即允许用户来添加用户化的程序和内部算法到摩擦模型库中。3)等效线性化接触为了满足铁路车辆用于线性计算的)法,例如计算特征值或频域响应分析,需要一个等效线性化的轮轨接触模型。 SIMPACK带有一个高度自动化并经过大量试验验证的轮轨接触线性化模型,即等效线性化和协函数线性化。同时 SIMPACK也提供了利用输入笔效锥度和其它参数的方法来建立线性化模型的选项接触模型的特色:●可以对炣个车轮模拟三点及多点接触(踏面、轮缘和车轮背面);方便地选择不同的接触模型:釆用约束模型-极快的积分速度:单侧的弹簧阻尼模型-允许车轮抬起。考虑轮和轨的弹性,保讦了接触点处理的稳定性(DLR开发的方法);利用 Kalker理论计算切向力,也可以利用其它的(例如 Polach接触)或自定义的轮轨接触模型;摩擦系数和线路距离,车轮外型坐标以及接触点的相对速度有关;轮轨外型没有限制(标准和实测的)可以模拟滚动实验台的试验●简便的线性化的接触函数(等效线性化,协函数线性化)可以计算所有的相关的参数,如车轮力、滑动摩擦系数、接触斑的尺寸大小等;4)具有丰富的车辆建模元素数据库SIMPACK轮轨模块中的建模元素,以及用于建立多体系统中的标准元素是完全兼容的。在软件使用过程中,人们可以利用软件实现参数化和子结构建模,扩展轮轨的模型库快速地建立铁路系统的模型,另外可以利用 SIMPACK对预定义的模型结构。 SIMPAOκ提供了良好的灵活性来文持用于现代铁路系统解决方案的仼何边缘技术。所有车辆部件或线路均可以处理成弹性体,尤其是舒适度分析时,考虑车体的弹性十分的必要。轮对和转向架的弹性也可能对车辆的动力学性能产生很大的影响。目前在 SIMPACK中有两种方法可以处理结构的弹性。利用 SIMBEAM模块来建立结构的弹性;从FEA软件中输入弹性零部件SIMPACK中有一个具备典型铁路车辆的建模圹展库,例如空气弹簧、高圆弹簧和摩擦元素等,任何个元素均可以根据需要进行参数的优化。在 SIMPACK中,所有用于铁路车柄的特殊元素和通用机槭系统的建模元素可以完仝兼容,因此简单的铁路车辆模型可以很方便地扩`展成现代的摆式车和径向转向架模型。通过一个附加的界面友好的轮轨模块中心窗口,就可以得到所有的铁路模型参数。然后通过这个窗口对车轮钢轨的外形尺寸、车辆轮对的车轮半径、线路超高等所有的参数进行修改。设计者还可以充分利用 SIMPACK已有的现成模型,例如两轴客车转向架。货车转向架和单轴转冋架,利用这些标准模块,根据需要改变这些模板中的设计参数,建立自定义的模型。无论是传统的轮对还是独立的轮对,轮轨模垬提供了很多种解决方法,所冇这些都被无缝集成在通用机械的多体分析系统中车轮或独立车轮没有限制车轮装忾●弹性车轮(FE模型的集成)●非正常车轮和多边形车轮几乎任何一个 SIMPACK软件版本中使用的建模儿素都可以添加到数据库中,不仅在几种车辆中可以使用同一种结构形式的转向架,而且任何一个建模细节,例如一个车体元素、空气弹簧、止挡、牵引系统和抗侧滚扭杆等,都可以当成一个独立的给定子结构。对」子结构的修改将会影响到所有的和其相关的主模型,除非选择了在模型中包括子结构,以保讦它不会改变。5)线路定义、轨道不平顺及踏面外形在 SIMPACK的轮轨模块中,线路的定义是通过一条整体线路,然后叠加不平顺线路来生成,它们可以单独处理和生成。线路模型不仅可以包括轨道,而且可以包括线路的不平顺、线路的弹性以及轨道子结构。条完整的线路可以利用标准库中的元素(曲线通过吋的进入、驶出、道岔等参数)和其他少量的参数,如长度、半径和线路界面的超高来定义。直线和曲线端π以根据需要进行连接,可以在维控制窗口中绘制曲线,并自动转换为三维图形表示。另外,对于实测的轨道数据如垂冋和水平曲率、线路超高等都可以直接从文件中读入到模型中软件中可以利用的三种类型的不平顺:确定性函数(正弦、阶跃和锯齿函数),随机函数(用PSD定义)以及给定的溦扰函数(根据现场实测的衣格格式的数据)。不平顺可以独立地作用在每一侧钢轨上,也可以做成一条随两股钢轨轨矩变化的函数。最后为了扩展已有的标准外形库,任意的午轮和钢轨外形是利用一个专门的前处理程序来完成,即利用样条函数来拟合截面的外形,并将其处理成仿真用的数据。截面的外形数据可以用来实际测量的保存为ASCⅡ代码格式的表格形式。其他的特点还包括SIMPACK中的轮轨建模能够实现所有参数化采用标准的线路形式:直线、曲线(考虑进出曲线)S-曲线轨道及道岔等输入实际运行线路图;●线路不平顺(轨道文件输入的ASCⅡ烙式,或者采用功率谱密度PSD多项式形式);●轨枕和或钢轨的弹性扣件;不同的钢轨外形(沿车轮的纵向位置);●每个车轮可以允许有三点接触的转辙(道岔)进行实际线路的滚动试验台的模拟;●考虑线路弹性。6)轮轨的应用领域SMPA(K软件最新版本的轮轨模块可以解决目前几乎所有的铁路车辆的动力学仿真问题,满足在频域或吋域中车辆动力学仿貞计算。每个使用者都可以快速和方便地分析自己建立的动力学模型,这一点对缩短车辆新产品的开发周期也是非常必要的。基于特征值的动力学分析计算模块,可以计算荻得车辆的稳定性轨迹计算。这也是 SIMPACK软件系统的一个标准的通用后处理工具;通过时域积分计算可以计算获得车辆的稳态及动态曲线通过时的可靠计算结果。而且可以对参数化的樸型进行不同的参数变化,研究不同的设计方案(1)对含有轨道不平顺的线路的时域分析中,主要仨务可以包括:车辆乘丛舒适度曲线通过的性能稳定性;轮轨作用力;部件失效;脱轨;●可靠性等。(2)准静态分析(曲线通过性能的分析)(3)线性特征值分析(4)线性系统的分析频率响应,功率谱线性稳定性图(5)参数变化研究及参数优化(6)独有的转辙(道岔)动力学分析(7) SIMPACK新版本的其他几个突出的应用:①车桥耦合SIMPACK软件可以将由有限元描述的弹性桥梁结构引入到 TRACK中,并进行复杂的车桥耥合分析。冋时可以进行道岔分析(也称转辙分析)。这个轮轨模块的新特点也是冋类软件中,目前唯一可以处理和模拟道岔复杂的动丿学问题的分析软件。车辆的道岔动力学分析与常规标准的轮轨分析主要有两个显著的区别:钢轨的外形必须是线路坐标的函数;除踏面和轮缘接触外,在轮缘的背面和导轨、冀轨之间存在接触。为了定义道岔,在 SIMPACK中采用了一个专门的特殊程序,将沿钢轨界面测量得到的钢轨的外形以ASCⅡ的文件格式数据保存,处理成近似的钢轨的外形,并自动产生道岔全三维的外形②悬链系统通过和德国铁路的悬链仿貞⊥具 Prosa的协同仿貞, SIMPACK可以模拟扃速铁路的悬链系统。这样的好处是可以有效地模拟车猁受电弓的动力学特性,使得模型的动力学分析结果更加准确。同时,在车锕动力学模型中将会考虑悬链系统的柔性、控制系统和受电弓等因素的综合影响。经过大量的实际线路的试验验证,可以保证 SIMPACK软件是一个高度实验化的可靠的仿真软件。另外,利用 SIMPACK强大的弹性体处理和接触技术(包含弹性体几何刚度非线性)可以直接利用 SIMPACK软件自身建立悬链系统,在国内外已有应用的案例。③流固耦合SIMPACK软件的最新版本中已经成功地解决货车振动与罐中液体之问的非常复杂的流固耦合的作用。④参数化微分方程的计算需要进行一系列大量的参数优化计算。由于其独特的算法和快速的求解器可以实现参数化,计算过程的控制结构的后处理的自动化。由于 SIMPACK软件开放和先进的数据结构以及大量的和其他软件的接∏,使得它可以成为伴随铁路车辆系统的和设计创新的有利工具。利用 SIMPACK先进的模拟环境,可以保持产品的领先和创新,并具有竞争力成为可能。1995年 SIMPACK最早实现从FEM软件中引入蝉性的车体,加上自身强大的轮轨接触建模和高效的求解器的能力,保证了采用轻量化车体结构的高速列车的舒适度。现在全球许多铁路客户已经丌始使用其FE模态来实现舒适度的动力学计算,为产品降低风险和成本SⅠ MPACK具有通过自身的控制模块和CACE软件例如 MATLAB/Simulink或自己编制的程序来实现杋械系统和控制系统的协调仿真,从而使得现代轨道车辆利用虚拟样机概念向摆式系统驱动系统以及创新的驱动系统方向提供了条件。⑥模型验证轮轨模块重点放在髙水平的车辆动力学仿貞精度上,特别是如何改善轮轨接触模型的建模能丿。 SIMPACK的计算结果都是通过一系列的标准考题(比如ERRI考题; IAVSD考题以及曼彻斯特考题等)和实际测量的数值结果进行严格的验证。最主要的结论也是通过ERRI(欧洲铁路研究所)以及德国铁路管理部门联合进行分析和实验结果的相互验证后待出的结果。实验的方案,⊥要是针对不同类型的货车和一个三节车组成的货物列车进行了大量的反复试验比较,轮轨导向力和轮对的主要动力学分析指标的试验结果和分析计算结果有很好的吻合。另外德国慕尼黑的铁路车辆滚动实验台以及DLR开发的1:5的比例滚动台上进行了大量的试验验证。同时,在每次推出软件新版本的功能开发后,都会进行不同的转向架模型的对比计算和试验。除了 SIMPACK自身的轮轨接触模型试验外,铁路车辆的一些主要的部件和子系统的模型都在进行不同课题内容的重点研究,例如可控的单个车轮的悬挂系统和新廾发的悬链系统(接触网)的饼究等13动力学软件在工程中的应用多体系统动丿学分析软件的主要应用领域还是在车辆动力学的工稈问题研究。目前在国内外机械动力学系统的发展中,动力学分析已经和有限元分析、控制系统等多个并行上程相互结合补充和优化,克服在结构动态设计中很多机械系统纯力学机制存在的缺陷问题,如可以减少因为动载荷过大导致的各种能量损耗、噪音和结构磨损及其他尖效问题的产生。下面结合国外部分文献对国内外部分铁路车锕动力学的发展和应用进行简单地阐述。可以说在这些铁路车辆新产品的每一步开发中几乎都离不开 SIMPACK的帮助。具体如图1.1-1.7所示。199420002007Non linear kinematicsFlexible body simulation New SIMPACK Rail图1. I SIMPACK在铁路产品中开发应用( SIMENS)Verification Behavior of a realistic vehicleModelArticulated train96 degrees of freedom175 force elementss 2 bogies with wheelsets2 bogies with independent wheels1 suspended car bodyScenarios: Non-irearlow-speed narrow CLwith twisthigh-speed curve withunbalanced lateralaccelerationtangent track withstochastic irregularitiess-curve图1.2列车模犁及其采用的元素情况10
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