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从研发到制造、试验的每一个环节,服务于新一代速度更高、更加环保节能的轨道车辆研发工作。
CAE技术在高速动车组研发中的应用
 

CAE技术在高速动车组研发中的应用

   

现代计算机技术和商用有限元软件的高度发展,促使计算机辅助工程(CAE)技术已应用到了工业产品设计的各个领域。轨道交通领域也不例外,特别是随着我国高速动车技术的快速发展,提高企业自主研发能力、缩短研发周期已成为车辆制造企业的新挑战。学习国外先进经验,在新产品研发中大力推进CAE技术已成为行业共识。

     高速列车是当今世界高新技术的集成,需要解决高速轮轨关系、高速转向架、大功率牵引、制动控制、列车运行控制、空气动力学工程、环境噪声、乘坐舒适度、可靠性与安全性等一系列重大技术问题,这就需要将CAE技术应用到高速列车的各个领域中,以下扼要介绍CAE技术轨道交通设计方面的应用情况:

1.  CAE技术在高速列车转向架研发中的应用

   高速转向架是列车高速运行最重要的基础条件之一,作为执行机构,高速转向架在保证列车高速稳定运行时承担列车的减振降噪作用;作为承载结构,高速转向架在各种振动工况下确保结构的强度安全可靠性。高速列车转向架的研发工作主要包括:a.确定高速列车在线路上各种运用工况下安全运行条件;b.研究列车悬挂装置的结构、参数和性能对振动和动载荷传递的影响,并为这些装置提供设计依据,以保证列车高速、安全、平稳的运行;c.确定动载荷特征,为分析列车及其部件的动作用力提供依据。CAE技术贯穿在高速转向架研发的整个过程中,根据上面对高速转向架研发工作的描述,CAE技术在高速转向架研发中的应用主要分为两部分:转向架结构分析和转向架动力学分析,转向架结构分析包括强度、刚度和模态、结构优化等仿真分析工作;转向架动力学分析主要用于研究悬挂装置的结构、参数和性能对振动和动载荷传递的影响。下面具体介绍CAE技术在高速转向架研发中的应用:

转向架的组成包括构架、轮对、一系悬挂、二系悬挂等零部件,首先在设计初期对转向架进行系统设计,主要是转向架动力学性能设计,应用动力学软件对转向架进行动力学仿真分析,根据设计参数(轴重、轴距、踏面形状、一系悬挂刚度、二系悬挂刚度、减振器性能参数等)建立转向架的虚拟模型,选择相应的运行线路谱进行转向架的动力学仿真。通过动力学仿真分析,分析了列车悬挂装置的结构、参数和性能对振动和动载荷传递的影响,同时确定了列车的动载荷特征。根据计算结果,对设计参数优化改进,具体包括改进一系弹簧的刚度,车轮踏面形状,空气弹簧的性能,轴距等,同时根据优化改进后的参数对转向架再次进行动力学仿真,直到得出满足设计要求的最优设计参数。

在完成转向架的系统设计后,开始转向架零部件的设计,转向架作为车辆的重要承载部件,其零部件的强度直接影响到车辆的运行安全性,在完成转向架零部件设计后,需要应用CAE强度分析软件对转向架的各个零部件进行静强度和疲劳强度分析,首先根据三维设计模型建立有限元模型,进行网格剖分,然后根据设计载荷和运行环境对有限元模型施加边界条件,评估结果和结构改进建议提交给设计师,完成最终的设计。

典型例子就是CAE技术在转向架构架设计中的应用,转向架构架相当于转向架的地基,是转向架的各个零部件的载体,200公里转向架构架是全钢焊接构架,主要由侧梁、横梁、纵向辅助梁组成,在侧梁、横梁上焊接有各种零部件的安装座,首先根据系统设计的要求,建立构架的主体框架尺寸,根据轴重要求,应用力学的相关知识计算得出侧梁、横梁、纵向辅助梁的初步截面尺寸,各个安装座根据接口关系进行设计,在完成方案设计的三维模型后,首先应用有限元前处理软件对构架进行网格剖分,然后应用强度分析软件对构架进行强度分析,验证构架的强度,调整安装座的形状,根据仿真结果对方案设计进行完善,得到最终设计方案。

通过CAE技术的应用,转向架设计的周期大大缩短,为后期的试验提供了时间,通过后期的试验,验证了仿真分析的准确性。

2.      CAE技术在高速列车车体研发中的应用

高速列车车体的研发技术难点在于如何保证车体刚度、强度不变的前提下实现车体轻量化的目标;由于车辆速度的提高,车辆的空气动力学性能在进行高速列车车体的研发时必须加以考虑,因此需要对车体的断面进行优化以使车体达到最优的空气动力学性,减少高速列车的动力消耗,也是高速列车车体的研发中遇到的一个急需解决的难题。随着CAE技术在高速列车车体研发中的应用,高速列车车体的研发中碰到的技术难点都一一得到了解决,下面具体介绍CAE技术在高速轨道车辆车体的研发中的应用:

CAE技术在高速轨道车辆车体的研发中的应用,根据研究对象的不同,可分为两部分:车体结构分析和流固耦合分析,车体分析包括对车体的强度、气密强度、刚度与模态以及车体模态与转向架固有模态的关系,车体局部模态与车内振动及车体局部模态与车内噪音的关系进行仿真分析等一系列技术项目,主要解决车体轻量化与车体刚度、强度提高之间的矛盾;流固耦合分析包括对列车表面压力分布、气动阻力、气动升力、交会压力波、侧向力及隧道效应和列车运行的侧风平稳性、气动噪声等诸多方面等数值仿真项目,为提高高速列车车体的空气动力学性能提出解决方案,同时还为车体结构分析提供外部流场载荷,用于结构分析。根据公司前期轨道车辆车体设计和仿真分析的经验,我公司建立了适合高速轨道车辆车体仿真分析的CAE技术平台,制定了科学的仿真分析流程,可以同时进行车体分析和流固耦合分析。

以高速列车车体研发流程为例来介绍CAE技术在高速列车车体设计中的实际应用,首先对高速列车车体的设计方案进行流固耦合分析,应用流体动力学软件对列车表面压力分布、气动阻力、气动升力、交会压力波、侧向力及隧道效应和列车运行的侧风平稳性、气动噪声等诸多方面进行仿真分析,根据仿真结果对车体结构和车体断面尺寸进行优化设计,例如:车体初次设计时在车顶受电弓安装座处没有设计导流罩,仿真计算结果表明该处气动阻力过大,同时产生严重的气动噪声;根据仿真分析的结果,改进了受电弓安装座,并增加了导流罩;在对受电弓安装座以及导流罩的多个设计方案分别进行了仿真分析后,得到了最优的设计方案;从最初的仿真分析到得到最优的设计方案,由于CAE技术的帮助,只需要两周时间,极大的缩短了设计周期。在完成高速列车车体的流固耦合分析后,同时也完成车体结构的方案设计紧接着需要进行车体结构分析,应用结构分析软件对车体的强度、气密强度、刚度与模态以及车体模态与转向架固有模态的关系,车体局部模态与车内振动及车体局部模态与车内噪音的关系进行仿真分析。

车体在车辆运行中受到的载荷包括垂向载荷、端部压缩载荷、气密载荷、三点支撑载荷以及扭转载荷,同时还包括由于振动产生的动载荷等,通过有限元仿真分析模拟车体在车辆运行中的受力情况,对车体的静强度和疲劳强度进行评估,并对不满足强度要求的结构进行改进;同时对车体的刚度与模态进行仿真分析,根据仿真结果,改进结构,提高车体刚度;最后进行优化仿真分析,将最小质量作为优化目标,结构的模态和强度作为优化的约束对车体进行优化分析,跟据优化结果对车体结构进行改进,完成高速列车车体的最终设计。

3.  CAE技术在高速列车隔声降噪方面的应用

高速列车的研发中的一个重要课题就是列车的噪声问题。随着列车运行速度的提高,列车的噪声问题越来越严重,当噪音传入客室内,一般来说,速度每提高10km/h,噪声相应增加12dB(A)。高速列车的噪声源主要包括轮轨噪声和气动噪声。高速列车的噪声传入客室内,直接影响旅客的乘坐舒适度,同时造成铁路沿线的环境污染。传统的车辆噪声研究是应用物理样机在线路上进行试验,然后根据试验结果对结构进行改进,这种方法在延长设计周期的同时,增加了设计成本。我公司在高速列车的隔声降噪设计中引入了CAE技术,CAE技术在高速列车的隔声降噪设计中的应用分为两部分,一是应用结构分析软件和流体动力学仿真软件对高速车辆结构进行分析,改变噪声源的结构,以达到降低噪声的目的,例如优化受电弓安装座的结构,并加装导流罩,可大幅度降低受电弓部位的气动噪声;同时应用噪声仿真软件对噪声在车辆内以及在周围环境中的传播进行仿真,主要针对中低频噪声,应用统计方法对高频噪声进行分析,高速列车的噪声既有中低频噪声,例如轮轨噪声;也有高频噪声,例如气动噪声,通过对客室内噪声场的仿真,优化客室内装结构,达到改善隔音效果的目的,降低了客室内的噪声。

由于CAE技术的应用,高速列车的隔音降噪设计在进行物理样机试验以前就完成,缩短了设计周期的,同时降低了设计成本。

4、总结

  通过上面的介绍,可以看出CAE技术已经广泛的应用于高速列车研发项目中,CAE技术为高速列车研发提供了有力的保证。通过CAE技术在高速列车研发项目各个子项目中的应用,大大提高了研发效率,缩短了高速车研发项目的周期,同时降低了设计成本,放眼未来,公司将建立统一的CAE仿真平台,并与设计平台、制造平台、试验平台实现无缝对接,将CAE技术应用到高速列车从研发到制造、试验的每一个环节,服务于新一代速度更高、更加环保节能的轨道车辆研发工作。

 
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