没有合适的资源?快使用搜索试试~ 我知道了~
软件X 19(2022)101103原始软件出版物VEqMon 2D-基于Matlab的二维车辆运动方程生成工具丹尼尔·坎德尔挪威科技大学结构工程系ar t i cl e i nf o文章历史记录:接收日期:2022年收到修订版,2022年4月21日接受,2022年保留字:车辆运动方程动力学多体动力a b st ra ct工具VEqMon2D提供了一个框架,在Matlab中生成2D车辆模型运动方程的解析表达式。这种车辆模型主要用于重点研究基础设施(路面,铁路轨道,桥梁),并加载穿越交通。该工具的主要成果是一个Matlab函数,它提供了矩阵形式的运动方程的解析表达式。用户可以灵活地定义具有多个实体、铰接和轴配置的模型随后,用户可以使用生成的函数来计算车辆模型的系统矩阵,以获得特定的几何和机械特性值。本文档描述了VEqMon2D中可用的各种组件和建模可能性,并描述了与车辆模型相关的相关模型参数和自由度。它还包括使用该工具的说明性例子以及该工具的验证©2022作者(S)。由爱思唯尔公司出版这是CC BY-NC-ND下的开放获取文章许可证(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。代码元数据当前代码版本v1Git hub仓库https://github.com/DanielCanteroNTNU/VEqMon2D代码海洋胶囊https://codeocean.com/capsule/2135304/tree/v1GNU通用公共许可证(GPL)v3.0使用的代码版本控制系统无使用Matlab的软件代码语言、工具和服务编译要求、操作环境和依赖关系如果可用,请链接到开发人员文档/手册问题支持电子邮件daniel. ntnu.no1. 动机和意义公路或铁路车辆的数字建模可以非常详细,这需要车辆的每个机械部件的相当复杂的表示。然而,对于某些应用,可以将模型复杂性降低到平面2D表示,同时仍然提供车辆响应的足够水平的准确性。这是关注基础设施并通过遍历流量加载的研究的情况。然后使用多体动力学由集中质量、刚体和弹性连接的组合制成更简单的模型在道路基础设施研究中,可以找到使用这些类型模型的示例,这些研究侧重于路面退化[1]、在铁路工程领域,这些简化的车辆表示已经被用于例如,电子邮件地址:daniel. ntnu.no。https://doi.org/10.1016/j.softx.2022.101103研究车辆-桥梁相互作用[ 5 ],根据车辆测量结果2D车辆模型的开发可以被认为是简单的。车辆的大型元件被表示为具有集中质量和惯性特性的刚体,而弹性部件(悬架和轮胎)则用弹簧和阻尼器建模。运动方程的推导然而,当这些简单的组件被组合以表示具有更复杂配置的车辆时,困难出现,所述更复杂配置包括组合在一起的多个拖车、铰接件或车轴。系统矩阵的解析推导变得费力且容易出错。市场上有多体软件或通用仿真软件包,如Abaqus [9],可用于开发上述车辆模型。然而,这些解决方案不提供2352-7110/©2022作者。由爱思唯尔公司出版。这是一篇开放获取的文章,使用CC BY-NC-ND许可证(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页:www.elsevier.com/locate/softx丹尼尔·坎德尔软件X 19(2022)1011032==++ +的++Fig. 1. VEqMon2D使用和应用概述。运动方程的解析表达式,而是飞行器系统矩阵的最终数值表达式。尽管如此,获得定义车辆模型的几何和机械特性方面的分析表达式是有利的。这提供了对车辆模型的更好的了解,并且便于例如使用相似的车辆模型但模型参数的数值不同的随机交通的蒙特卡罗模拟。因此,工具VEqMon2D提供了在Matlab中生成2D车辆模型运动方程解析表达式的平台[10]。要使用它,用户需要根据所需的车辆配置定义3个输入数组,指定每个车身的车轴数量,车轴分组该工具VEqMon2D生成一个Matlab函数与所需车辆的运动方程的实施,以及其他有用的信息。生成的函数中的注释清楚地描述了定义数值模型的车辆参数和自由度(DOF)。请参照图1,用户可以随 后 针 对 模 型 参 数 的 特 定 数 值 生 成 该 车 辆 的 运 动 方 程 。VEqMon2D存储库中提供的脚本包含运行它所需的函数以及说明性示例。该存储库还包括一个在Abaqus环境中运行的输入文件[9],该文件定义了一个示例并用作工具的验证。2. 车辆建模本节介绍了不同的配置可能性、车辆部件、机械和几何特性,以及描述车辆行为的定义自由度和关系。在VEqMon2D中定义车辆模型时考虑的可能性范围很广,具体取决于所需的组件类型和数量。图2提供了所有组件和可能性的概述。首先,有车辆的主体,代表牵引车和随后的拖车。每个物体i都是刚体,具有质量mBi和俯仰惯性矩IBi,其特征在于其中心的位置重力。两个相邻的物体可以通过关节连接,也可以不连接。尸体都被吊在上面了。每个悬架j由弹簧和阻尼器组成,分别具有刚度kSj和粘性阻尼cSj。然后将悬架连接到单轴或轴组。而单轴表示为值为mGj的集中质量,轴组是具有质量的刚体mGj和俯仰转动惯量IGj。车轴/车轴组的质量和惯性特性表示通常被称为车辆的“簧下”部分。最后,每个车辆轮胎k由附加的弹簧和阻尼器系统表示,具有刚度的特性kTk和粘性阻尼的特性cTk图3示出了限定车身i、车轴/组j和轮胎k的几何形状的变量。值ai和bi定义了前面,从身体i的重心到相邻关节位置的后距离。 对于第一个物体(i1),距离a1可以设置为零,对于最后一个物体(i n个物体),不需要定义bn个物体,也不需要作为输入。如果物体i和i+1之间没有关节那么总的biai1就是它们的重心之间的距离。悬架的位置被定义为相对于它们所属的物体的重心的水平坐标。如图在图3中,悬架j位于距离车身重心dj值dj还定义了单个轴的位置或轴组的重心。最后,轮胎k的位置用相对于轴/组的重心的水平坐标ek来指定,其中负值表示位于其左侧的轮胎。如果轴/组仅为单个轴,则应将ek的值设置为零。这种飞行器的运动方程建立了某些自由度之间的关系。在VEqMon2D中使用的公式中,所有刚体都有两个自由度,而集中质量有一个自由度。物体的运动可以由它们的重心的垂直位移yBi和围绕平面外垂直轴θBi的旋转来定义。类似地,轴组j的刚体由相对于其重心的相应垂直位移yGj和旋转θGj在单个轴的情况下,则公式中仅包括垂直位移yGj。推导中采用的符号惯例是向上垂直位移和反方向转动为正VEqMon2D中的实现基于牛顿定律和角动量守恒,通过确保力的平衡和力矩的平衡来推导运动方程。推导假定物体和轴组的转动很小,没有变形.没有包括对自由度的其他显式约束。这些假设通常适用于使用这种平面车辆模型的研究领域。车辆响应可以通过求解二阶微分方程组来获得。当量(1)示出了根据系统矩阵(即,质量M、阻尼C和刚度K矩阵)的运动方程的通用表达式,其中x是要求解的自由度的矢量,F包含施加到飞行器的外力的值Mx-+Cxstec+Kx=F( 1)两个物体之间的关节的存在影响自由度的定义。通过铰接连接的物体的位移和旋转通过几何关系[8]联系在一起,这减少了系统的独立自由度的数量对于通过铰接连接的两个主体i和i1,工具VEqMon2D移除与主体i1的垂直位移对应的DOF,即yBi1。该自由度表示为从属自由度,并且始终可以使用几何关系从独立自由度为了完整起见,这个关系也由最终函数/脚本与运动方程一起提供。丹尼尔·坎德尔软件X 19(2022)1011033图二、 车辆模型组件和可能性概述。(前记法)_ G _(?)第1组中的轴)_(轴)组2中的轴).作为一个例子,一个典型的5轴铰接式卡车的符号与串联轴组在拖车的后部和拖车是Vehicle_3A2_G_1_2_2。要使用VEqMon2D工具,用户需要在A01_main.m脚本中定义输入参数的适当值并运行它。该脚本调用必要的函数来处理输入,执行操作并报告结果。输入参数分为以下3个数组:num_axes_per_body=每个主体的轴数数组。该数组的长度对应于主体的总数num_axes_per_group=数组,每组轴数。该阵列的长度对应于轴/组的总数。with_articulation=具有1/0标志的数组,以指示压力图三. 几何定义的参数。3. 软件描述3.1. 软件构架工具VEqMon2D基于用户的输入生成平面车辆模型的解析表达式该工具的输出是一个带有有用注释的新函数,用于生成模型参数的特定数值的模型的系统矩阵(见图1)。①的人。该工具是为Matlab编程语言实现的,并使用Symbolic Mathematica [10]中可用的函数。考虑到VEqMon2D提供的所有建模可能性,重要的是定义一个系统的符号来唯一地标记车辆模型。所采用的符号开始指示每个机构具有的轴的数量:车辆_(.车身1中的轴)_(2). 当两个连续的物体通过一个关节连接时,符号包括轴数之间的字母A相应的机构。此外,如果存在轴组,在模型中,则扩展了先前的符号以指示每个轴/组有多少轴,如下所示:(或不)有无关系。条目i描述了物体i和i+1之间的关节的存在。VEqMon2D中的核心计算在函数B01_calculations. m中执行。为了完整起见,在那里执行的最重要的操作是:1. 输入检查、初始化和辅助变量定义。2. 与每个质量和刚体相关的所有可能的运动方程的符号定义。3. 修正运动方程系统,以考虑由于关节的存在而可能产生的几何关系。4. 生成Matlab函数,将结果打印成适当的格式。3.2. 软件功能VEqMon2D工具的主要成果是生成一个Matlab函数,该函数包含矩阵形式的运动方程(1)所需的车辆型号。用户可以灵活地定义具有多个实体、铰接和轴配置的模型。结果保存在单独的m文件丹尼尔·坎德尔软件X 19(2022)1011034⎡⎢⎢⎣12⎥⎦⎢见图4。2轴车辆模型草图,注明自由度、机械特性和尺寸名称。其名称跟随在用户指定的目的地文件夹中的所述车辆模型符号之后。生成的函数提供了所选车型的名称和自由度顺序的清晰注释以及车辆参数列表。然后,用户可以定义数值图五、 车辆模型示例示意图。注:草图未按比例绘制。为了说明的目的,可以在下面找到描述图2中的2轴车辆的行为的矢量和矩阵的分析表达式。四、当量(2)是自由度的向量。系统矩阵的表达式再现为质量(方程10)。(3))、阻尼(Eq.(4))和刚度(方程(Eq. (5)矩阵。该示例表明,具有更复杂配置(因此具有更多自由度)的车辆模型的解析表达式可能很快变得太大而无法转录到文档中。x={y B1θB1y G1y G2}T(2)这些参数作为生成函数的输入,以获得运动方程的数值表达式此外,生成的函数包括一系列对用户有用的功能,包括:匿名函数和表达式,用于描述因存在关节而产生的依赖和独立自由度之间的关系。• 将自由度的位移转换mB10 0 00IB1 0 0M=0 0mG100 0 0mG2cS 1 + cS 2cS 1 d 1 + cS 2 d 2 −cS 1−cS2 ⎤cS1d1+cS2d2cS1d2+cS2d2−cS1d1−cS2d2−(三)每个轮子的垂直位移。• 每个车轮• 具有轴间距的工具箱存储库还包括一个关于生成的车辆模型函数。文件A03_C=无菌⎡−cS1−cS1d1cS1+cT10−cS2−cS2d20cS2+cT2kS1+kS 2kS 1d 1+kS 2d 2−kS 1−kS 222(四)⎦⎤Simulation_Example.m执行ve的数值分析K=kS1d1+kS2d2kS1d1+kS2d2−kS1d1−kS2d2(五)以一定速度在不规则的台阶上行进的自行车通过运动方程组的直接积分(采用Newmark-β数值格式)获得飞行器的行为。该实例还演示了如何计算节点位移时程的垂直车轮力,包括道路/铁路不规则性的影响。4. 说明性实例为了演示VEqMon2D的用法,本节提供了两个示例。第一个再现了一个相当简单的两轴车辆模型的系统矩阵的解析表达式。第二个例子是一个复杂的车辆模型,它展示了该工具的大部分4.1. 两轴车辆图4显示了2轴车辆模型的示意图,指示了DOF以及相关几何和机械特性的名称可以使用VEqMon2D计算这种2轴车辆的运动方程。该车辆模型的生成函数为Vehicle_2.m,包含系统矩阵解析表达式的实现。−kS1−kS1d1kS1+kT10−kS2−kS2d20kS2+kT24.2. VEqMon2D用于复杂配置图图5示意性地示出了复杂配置的车辆模型,该复杂配置只能通过相当大的方程系统来描述。它由一台单轴拖拉机组成,前部和后部的串联轴组,后面是停靠在牵引车上的铰接件上的半挂车和三重轴组,最后是具有两个单独的单轴的牵引拖车。该示例具有总共8个轮胎和12个独立DOF(由于主体1和主体2之间的铰接 , 加 上 一 个 从 属 DOF ) 。 这 种 车 辆 模 型 的 符 号 为Vehicle_3A3_2_G_1_2_3_1_1,其对应的输入数组为:Inputs.num_axes_per_body =[3,3,2];Inputs.num_axes_per_group =[1,2,3,1,1];Inputs.with_articulation= [1,0];带有这些输入数组的脚本A01_Main.m生成一个名为Vehicle_3A3_2_G_1_2_3_1_1.m的Matlab函数,包含车辆运动方程的公式现在,该函数可用于找到特定车辆特性的系统矩阵·⎥⎤⎣⎢⎥⎦丹尼尔·坎德尔软件X 19(2022)1011035运行该函数所需的输入在函数中进行了解释,其定义示例如下所示。对于该示例,选择的机械性能与文献[8]中类似车辆模型的机械性能相当。图5还示出了示例的几何特性,即,主体和铰接件之间的距离(ai,bi)、悬架相对于主体的位置(d,j)以及轮胎相对于车轴/组的位置(e,k)。同时,该示例也用于VEqMon2D的验证。车辆模型通过软件自身 的 输 入 文 件 结 构 独 立 构 建 为 Abaqus 模 型 。该 文 件(Abq_Vehicle_3A3_2_G_1_2_3_1_1.inp)的副本也包含在存储库中。将VEqMon2D模型的模态分析(使用A02_Validation_Vehicle_3A3_2_G_1_2_3_1_1.m ) 与 Abaqus 模型的模态分析进行比较。两个模型的固有频率列表完全匹配,从而验证了所提供的工具。5. 影响工具VEqMon2D已在最近的测试中使用,参见[11,12]。这些数值研究需要使用具有不同车身配置和车轴布置的更精细的车辆模型。从VEqMon2D获得的函数便于生成具有不同参数值的许多车辆通道,模拟随机交通产生的负载此外,还需要进行更多的研究,以解决新型车辆对基础设施的影响。近年来,允许在世界范围内的道路上行驶的车辆配置的类型已经增加,包括具有多个拖车的传统卡车但是,具有多个密集轴的特种运输车辆和具有非常规轴间距的移动起重机的数量也在激增[2]。这些车辆配置可以很容易地用VEqMon2D建模。此外,该工具还为车辆建模的未来开发和改进打开了大门。它提供一个系统的框架来处理符号变量并导出分析表达式。清晰的符号和扩展的注释的目的是提供一个直观的易于遵循的实现。这使得未来的用户可以轻松地调整所提供的脚本和所产生的功能,以满足自己的需求。6. 结论工具VEqMon2D基于用户的输入生成平面车辆模型的解析表达式该工具的输出本文件描述了可能的建模组件和配置、相关几何和机械特性以及描述数值模型的自由度的列表。工具说明最后给出了实例和验证案例。该工具以前曾在已发表的研究中使用过,并有可能在新的研究中经常使用,同时在必要时允许进一步开发。竞合利益作者声明,他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系,可能会影响本文报告的工作引用[1]Taheri A,OBrien EJ,Collop AC. 路面损伤模型描述车辆动力学和三维路面表面。IntJPavementEng2012;13(4):374-83.http://dx.doi.org/10.1080/10298436.2012.655741网站。[2]OBrien EJ,Canadian D,Enright B,González A.中小跨径公路桥梁极端交通 荷 载 事 件 的 特 征 动 力 增 量 。 工 程 结 构 2010;32 ( 12 ) : 3827-35 。http://dx.doi.org/10的网站。1016/j.engstruct.2010.08.018。[3]Nguyen T,Swolana P,Lechner B,Wong YD.评价道路不平度引起的乘客乘坐舒适性的重型城市客车数学模型的实验比较。Math Comp Mod Dyn Sys2021;27:203-21. http://dx.doi.org/10.1080/13873954.2021.1887276网站。[4][10]杨晓,李晓,陈晓.利用过往车辆进行间接桥梁监测的综述。Shock Vib2015;286139. http://dx.doi的网站。org/10.1155/2015/286139。[5][10]杨文辉,陈文辉,陈文辉.列车-轨道-桥梁建模和参数审查。 结构工程2016;12(9):1051 http://dx.doi.org/10.1080/15732479.2015.1076854网站。[6]OBrien EJ,Quirke P,Bowe C,Canadian D.利用在役铁道车辆惯性响应测定 铁 道 轨 道 纵 断 面 。 结 构 健 康 监 测 2018;17 ( 6 ) : 1425-40 。http://dx.doi.org/10.1177/1475921717744479.[7] [10]杨文辉,陈文辉. 使用在通过的列车上测量的转向架过滤位移数据的铁路 轨 道 刚 度 损 失 检 测 。 结 构 2021;6 ( 6 ) : 93. http://dx.doi 的 网 站 。org/10.3390/infrastructures6060093。[8] 放大图片作者:Canadian D,O'Brien EJ,González A.在车辆基础设施中对车辆进行建模动态相互作用问题研究ProcIMechE部分K:JMulti-BodyDyn2010;224(2):243-8.http://dx.doi.org/10.1243/14644193JMBD228.[9]史 密 斯 M 。 ABAQUS/Standard 用 户 手 册 , 版 本 2019 。 Providence , RI :Dassault Systèmes Simulia Corp;2019.[10]TheMath Works,Inc.MATLAB,版本2020a。The Math Works,Inc; 2020.[11] 坎伯兰湾基于桥梁响应信号的移动点荷载近似及其在桥梁动态称重中的应用。工程结构2021;233:111931。http://dx.doi.org/10.1016/j.engstruct.2021.111931网站。[12] Sarwar MZ,Canadian D.利用多辆车的响应进行桥梁损伤评估的深度自动编码器结构。工程结构2021;246:113064。http://dx.doi.org/10.1016/j.engstruct.2021.113064网站。
下载后可阅读完整内容,剩余1页未读,立即下载
cpongm
- 粉丝: 4
- 资源: 2万+
上传资源 快速赚钱
- 我的内容管理 收起
- 我的资源 快来上传第一个资源
- 我的收益 登录查看自己的收益
- 我的积分 登录查看自己的积分
- 我的C币 登录后查看C币余额
- 我的收藏
- 我的下载
- 下载帮助
会员权益专享
最新资源
- 基于单片机的瓦斯监控系统硬件设计.doc
- 基于单片机的流量检测系统的设计_机电一体化毕业设计.doc
- 基于单片机的继电器设计.doc
- 基于单片机的湿度计设计.doc
- 基于单片机的流量控制系统设计.doc
- 基于单片机的火灾自动报警系统毕业设计.docx
- 基于单片机的铁路道口报警系统设计毕业设计.doc
- 基于单片机的铁路道口报警研究与设计.doc
- 基于单片机的流水灯设计.doc
- 基于单片机的时钟系统设计.doc
- 基于单片机的录音器的设计.doc
- 基于单片机的万能铣床设计设计.doc
- 基于单片机的简易安防声光报警器设计.doc
- 基于单片机的脉搏测量器设计.doc
- 基于单片机的家用防盗报警系统设计.doc
- 基于单片机的简易电子钟设计.doc
资源上传下载、课程学习等过程中有任何疑问或建议,欢迎提出宝贵意见哦~我们会及时处理!
点击此处反馈
安全验证
文档复制为VIP权益,开通VIP直接复制
信息提交成功