CAE仿真技術(shù)在軌道交通上的應(yīng)用

2018-06-02 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

近年來,我國以高鐵為代表的軌道交通行業(yè)得到了快速發(fā)展,成為國際市場上強有力的競爭者。深入運用CAE技術(shù)是我國軌道交通實現(xiàn)跨越式發(fā)展不可忽視的重要因素。本文,我們將從鐵路機車、車輛工程和鐵路線路土木工程建設(shè)兩大方面為您全面介紹CAE仿真技術(shù)在軌道交通行業(yè)的應(yīng)用。

1、CAE技術(shù)在鐵路機車和車輛工程中的典型應(yīng)用

1)鐵路機車、車輛車體和關(guān)鍵零部件設(shè)計驗證分析

車體是鐵路機車和車輛的主要的承載結(jié)構(gòu),它承受著車體自身的重量、車上設(shè)備的重量,以及旅客和貨物的重量。此外,它還將承受通過車鉤傳遞的牽引力荷載、車輛掛接時的沖擊荷載、甚至承受機車、車輛發(fā)生碰撞時的巨大撞擊荷載。在車體的設(shè)計驗證中,主要考察車體在設(shè)計規(guī)范固定的各荷載工況下的強度、剛度和自振特性。

某型號電力機車車體也采用整體式承載結(jié)構(gòu)形式,西南交通大學(xué)機車車輛研究所采用ANSYS軟件對該機車車體的強度和振動特性進行了仿真分析。

某型號電力機車的等效應(yīng)力分布云圖和扭轉(zhuǎn)振型

2)鐵路機車、車輛和列車的動力學(xué)分析

鐵路列車在鋼軌上運行,軌道接頭的不平順、鋼軌的波狀磨耗引發(fā)的輪軌脫離、因車輪擦傷、輪對的材質(zhì)不均勻、加工過程產(chǎn)生的輪對偏心、不圓等諸多因素都會引發(fā)輪軌的相互沖擊和振動。這些相互沖擊和振動都將直接影響機車和車輛運行的平穩(wěn)性。

國外公司采用RecurDYN軟件模擬車輛和列車通過曲線線路的過程。據(jù)此,他們分析研究了車輛和列車的曲線通過能力和橫向穩(wěn)定性,以及輪軌相互作用。

列車通過曲線線路的RecurDYN多體動力學(xué)仿真

3)鐵路機車、車輛動力系統(tǒng)的設(shè)計驗證分析

牽引電機是鐵路機車車輛牽引動力的直接來源。在鐵路牽引電機產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計中,電機電磁場的設(shè)計極為關(guān)鍵,它在很大程度上決定著電機產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。因此,在設(shè)計過程中對電機電磁場進行準(zhǔn)確的分析計算,把握電磁場主要性能指標(biāo)及其分布情況尤為重要。永濟電機廠采用ANSYS對JF218電機進行電磁場分析的有限元模型和分析結(jié)果。通過分析,對該電機的結(jié)構(gòu)提出改進建議。改進后的電機的磁通量密度的技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計的要求。

某電機1/4模型和改進后模型的磁通密度和磁力線分布

4)磁懸浮列車電磁系統(tǒng)的設(shè)計驗證分析

磁懸浮列車是一種依靠電磁力將列車懸浮于空中,實現(xiàn)列車與地面軌道間的無機械接觸, 再利用線性電機驅(qū)動列車運行的理想的陸上交通工具。懸浮電磁鐵是磁懸浮列車懸浮系統(tǒng)中的執(zhí)行元件, 用于完成提供懸浮功能所需要的電磁力, 其工作性能直接影響著整車的技術(shù)性能指標(biāo)及運行的經(jīng)濟性能指標(biāo)。

西南交通大學(xué)機車車輛研究所采用ANSYS對某新型磁懸浮列車的磁浮力進行了仿真計算。

某新型磁懸浮列車的通過曲線時三維有限元模型和電磁場矢量分布云圖

5)空氣動力學(xué)仿真在鐵路機車車輛設(shè)計中的應(yīng)用

隨著旅客列車運行速度的大幅度提高,空氣流動對機車、車輛、列車的運行的影響成為不可忽視的重要因素。列車和空氣相互高速相對運動,空氣對列車產(chǎn)生縱向阻力、橫向力和升力以及側(cè)翻力矩、偏轉(zhuǎn)力矩和俯仰力矩。改進列車氣動特性,減少縱向氣動力的風(fēng)阻,有利于提高車速降低能耗。橫向氣動力影響列車穩(wěn)定性,甚至導(dǎo)致列車側(cè)翻。

安世亞太公司采用ANSYS/CFX分析了高速列車通過車站時外部流場的情況。

單列列車以每秒50米的速度通過車站時,列車前端、尾端和四周的氣流矢量圖

2、CAE技術(shù)在鐵路線路土木工程建設(shè)中的典型應(yīng)用

1)鐵路軌道、道床、邊坡的結(jié)構(gòu)分析

鐵路是建立在鐵路線路上的運輸系統(tǒng),鐵路線路由軌道和路基組成。其中軌道包括鋼軌、軌枕、道床、道岔、連接部件和防爬設(shè)備,路基則支撐著軌道。路基的變形、地震活動、山體邊坡的穩(wěn)定、地下水滲流等問題是仿真分析中比較關(guān)注的重點和難點問題。

西南交通大學(xué)計算工程科學(xué)研究所采用ANSYS分析了由鋼軌、扣件和軌枕組成的系統(tǒng)在列車輪對的作用下的強度和剛度。

鋼軌、扣件和軌枕系統(tǒng)的有限元模型和橫向位移云圖

2)鐵路橋梁結(jié)構(gòu)分析和施工過程仿真

鐵路列車除了奔馳在平坦的平原地區(qū)以外,還需跨越江河溝壑。承載列車跨江越河的是建在橋梁上的鐵路線路。驗證橋梁整體結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定性,施工過程中橋梁的安全和穩(wěn)定性,包括考慮預(yù)應(yīng)力、混凝土徐變、移動荷載等問題以及分階段施工仿真是橋梁結(jié)構(gòu)分析的難點。橋梁的整橋靜力分析、動力學(xué)分析、抗震分析以及車——橋耦合動力學(xué)分析也是需要考慮的重點。

武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院利用ANSYS對某大跨度鋼結(jié)構(gòu)拱橋進行強度和屈曲仿真分析的有限元模型和軸力計算結(jié)果。經(jīng)過計算分析,發(fā)現(xiàn)某些桿件(紅顏色桿件)不滿足設(shè)計要求,需要重新設(shè)計。

某大跨度鋼結(jié)構(gòu)拱橋的有限元模型和軸力計算結(jié)果

3)鐵路隧道、涵洞和其他地下建筑的結(jié)構(gòu)分析和施工過程仿真

隧道是鐵路和公路穿越山體的主要方式,也是地下鐵路的主要結(jié)構(gòu)形式。涵洞是為方便人員和溝渠穿過鐵路路堤修建的結(jié)構(gòu)物。在隧道、涵洞以及其他地下結(jié)構(gòu)的開挖施工中,開挖洞室周圍的圍巖和土壤結(jié)構(gòu)會隨著掘進的進程發(fā)生變形和應(yīng)力再分布,甚至導(dǎo)致坍塌事故,危及施工人員和裝備的安全。施工過程的圍巖變形和應(yīng)力分析、施工初期對圍巖的錨固和軟支護結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析和安全驗證,以及最終的襯砌結(jié)構(gòu)的安全性分析,是隧道設(shè)計中主要的CAE應(yīng)用。

重慶后勤工程學(xué)院土木工程系采用ANSYS分析了偏壓連拱隧道的開挖過程。

依左先右后、右先左后順序開挖及同時開挖時隧道連拱的塑性應(yīng)變分布云圖

4)鐵路地面建筑物的結(jié)構(gòu)仿真分析

鐵路的建筑物與通常的建筑物一樣,建筑物和基礎(chǔ)的承載能力、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、振動和抗震特性等指標(biāo)計算和驗證是建筑物結(jié)構(gòu)安全設(shè)計的基礎(chǔ)。風(fēng)荷載是建筑物承受的重要荷載。建筑物的通風(fēng)、保暖和抵御火災(zāi)的能力也是建筑物設(shè)計中必須考察的重要因素。

上海二十一世紀(jì)中心大廈地下三層,地上四十八層,結(jié)構(gòu)體型復(fù)雜,結(jié)構(gòu)體系總體上屬于框筒結(jié)構(gòu)并存在轉(zhuǎn)換層。上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計集團有限公司采用ANSYS成功地完成該結(jié)構(gòu)的整體分析和轉(zhuǎn)換層處的局部分析。

上海二十一世紀(jì)中心大廈計算模型及其轉(zhuǎn)換層載豎向和橫向荷載下的應(yīng)力分布

5)鐵路車站、廣場和隧道緊急狀況下人員疏散的仿真分析

鐵路或地鐵車站及其附屬設(shè)施(廣場、站臺、售票大廳、候車大樓)都是人員密集的場所。這些場所的正常人流狀況,應(yīng)對突發(fā)事件(火災(zāi)、爆炸、刑事案件、恐怖襲擊等)時的人員緊急疏散能力,是這些場所人群安全性設(shè)計的重要參考指標(biāo),也是設(shè)計制定這些場所的緊急狀況應(yīng)急方案的重要參考依據(jù)。

Mott MacDonald Limited公司運用STEPS對某中央廣場進行了仿真。中央廣場位于地平面的下方7.9m,站臺位于中央廣場下方5.5m,有2個樓梯和1個自動扶梯連接站臺和中央廣場,中央廣場兩端各有一個由12個十字轉(zhuǎn)門和1個服務(wù)口組成的檢票口,檢票口外有1個自動扶梯和4個應(yīng)急樓梯連接中央廣場和站外地面。

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