虚拟样机(VP)技术是复杂产品设计的一种新方法。论文首先给出了虚拟样机的定义和内涵,并对国内外虚拟样机技术的研究现状及发展趋势进行了综述。根据铁路机车车辆行业中典型的复杂产品——轮轨/磁浮动车组的技术复杂性,论证虚拟样机技术可以缩短轮轨/磁浮动车组的研发周期,最大可能地降低物理样机投资风险的可行性及紧迫性。 以虚拟样机的核心技术——性能仿真为切入点,论文从理论上论证了性能仿真与CAD技术相比可以为产品创造更多技术附加值。论文并依此构建了主要研究方向。 在虚拟样机性能仿真过程中,提高仿真置信度至关重要,而提高仿真置信度的关键却在于建模。论文针对机车车辆行业性能仿真中过分依赖仿真软件的错误倾向,将多年的性能仿真建模经验予以归纳、提炼和升华,总结了四项建模原则,即:能量等效替换原则;定性力学原则;主要矛盾原则;反馈原则。同时,还讨论了边界条件模型化以及如何发现模型中错误等技术问题。论文将这些建模原则及技术具体化,并应用于结构复杂的三个典型产品:时速210公里中空挤压铝型材的高速动车组;不锈钢点焊结构的城市轻轨动车组;中空挤压铝型材/夹层蜂窝板混合结构的中低速常导磁浮动车组。在这三个工程应用中,针对“点传力”的结构特点,提出了位移主—从建模思想;针对蜂窝夹层复合材料蜂窝尺寸极小的结构特点,提出了不丧失蜂窝材料基本功能的等效“大蜂窝”建模思想。三个产品物理样机的测试结果证明了上述建模原则及建模思想非常实用,论文并给出了具体的数据对比。 在动力学仿真方面,论文开展了刚-柔混合建模技术研究,不仅讨论了刚-柔混合建模算法,还讨论了刚-柔混合建模的关键接口技术。轮轨动车组的盘形制动实例给出了一个完整的刚-柔混合建模技术路线。 考虑到轮轨/磁浮动车组多学科交叉的技术特点,论文研究了性能仿真过程中跨平台工具软件仿真的协同与集成技术。基于液-固耦合的动车组水箱起皱机理分析,表明协同与集成是虚拟样机性能仿真的重要平台技术,为此,基于PDM技术管理模式,论文提出了轮轨/磁浮动车组性能仿真中间数据文件的协同管理框架。 由于主动控制已经成为不提高线路等级而提速的核心技术及未来趋势,也由于中低速常导磁浮动车组已对城市轨道交通带来了另一个极有经济、环保潜力,且又可行的新思路,因此,论文最后又开展了轮轨/磁浮动车组主动控制探索性研究。关于轮轨动车组垂向主动控制,论文针对跨平台工具软件算法中的积分步长不协调导致的输出偏差问题;ADAMS环境中控制器代码非光滑连续导致的高频成分误差问题;以及系统动力学线性化的速度敏感性问题,提出了基于模型移植的求解策略,并用工程实例验证了此项技术的实际意义。作为探索,又基于遗传算法对PID控制器三个参数进行了优化,从而提高了控制的平稳性。 关于中低速常导磁浮动车组,论文构建了包括磁间隙在内的磁浮车单转向架动力学仿真模型,并成功地解决了磁转向架防侧滚板的机械耦合问题。 在结论与展望一章,提出了论文的三个创新点,它们是: (1) 在复杂产品结构建模方面,针对点焊结构、铆焊结构的难点,提出了基于主—从关系的点传力建模技术;针对磁浮车蜂窝复合材料建模难点,提出了“大蜂窝”建模技