CAE仿真技术在轨道交通上的应用

2018-06-02 by:CAE仿真在线来源:互联网

近年来,我国以高铁为代表的轨道交通行业得到了快速发展,成为国际市场上强有力的竞争者。深入运用CAE技术是我国轨道交通实现跨越式发展不可忽视的重要因素。本文,我们将从铁路机车、车辆工程和铁路线路土木工程建设两大方面为您全面介绍CAE仿真技术在轨道交通行业的应用。

1、CAE技术在铁路机车和车辆工程中的典型应用

1)铁路机车、车辆车体和关键零部件设计验证分析

车体是铁路机车和车辆的主要的承载结构,它承受着车体自身的重量、车上设备的重量,以及旅客和货物的重量。此外,它还将承受通过车钩传递的牵引力荷载、车辆挂接时的冲击荷载、甚至承受机车、车辆发生碰撞时的巨大撞击荷载。在车体的设计验证中,主要考察车体在设计规范固定的各荷载工况下的强度、刚度和自振特性。

某型号电力机车车体也采用整体式承载结构形式,西南交通大学机车车辆研究所采用ANSYS软件对该机车车体的强度和振动特性进行了仿真分析。

某型号电力机车的等效应力分布云图和扭转振型

2)铁路机车、车辆和列车的动力学分析

铁路列车在钢轨上运行,轨道接头的不平顺、钢轨的波状磨耗引发的轮轨脱离、因车轮擦伤、轮对的材质不均匀、加工过程产生的轮对偏心、不圆等诸多因素都会引发轮轨的相互冲击和振动。这些相互冲击和振动都将直接影响机车和车辆运行的平稳性。

国外公司采用RecurDYN软件模拟车辆和列车通过曲线线路的过程。据此,他们分析研究了车辆和列车的曲线通过能力和横向稳定性,以及轮轨相互作用。

列车通过曲线线路的RecurDYN多体动力学仿真

3)铁路机车、车辆动力系统的设计验证分析

牵引电机是铁路机车车辆牵引动力的直接来源。在铁路牵引电机产品开发设计中,电机电磁场的设计极为关键,它在很大程度上决定着电机产品的性能和质量。因此,在设计过程中对电机电磁场进行准确的分析计算,把握电磁场主要性能指标及其分布情况尤为重要。永济电机厂采用ANSYS对JF218电机进行电磁场分析的有限元模型和分析结果。通过分析,对该电机的结构提出改进建议。改进后的电机的磁通量密度的技术指标满足设计的要求。

某电机1/4模型和改进后模型的磁通密度和磁力线分布

4)磁悬浮列车电磁系统的设计验证分析

磁悬浮列车是一种依靠电磁力将列车悬浮于空中,实现列车与地面轨道间的无机械接触, 再利用线性电机驱动列车运行的理想的陆上交通工具。悬浮电磁铁是磁悬浮列车悬浮系统中的执行元件, 用于完成提供悬浮功能所需要的电磁力, 其工作性能直接影响着整车的技术性能指标及运行的经济性能指标。

西南交通大学机车车辆研究所采用ANSYS对某新型磁悬浮列车的磁浮力进行了仿真计算。

某新型磁悬浮列车的通过曲线时三维有限元模型和电磁场矢量分布云图

5)空气动力学仿真在铁路机车车辆设计中的应用

随着旅客列车运行速度的大幅度提高,空气流动对机车、车辆、列车的运行的影响成为不可忽视的重要因素。列车和空气相互高速相对运动,空气对列车产生纵向阻力、横向力和升力以及侧翻力矩、偏转力矩和俯仰力矩。改进列车气动特性,减少纵向气动力的风阻,有利于提高车速降低能耗。横向气动力影响列车稳定性,甚至导致列车侧翻。

安世亚太公司采用ANSYS/CFX分析了高速列车通过车站时外部流场的情况。

单列列车以每秒50米的速度通过车站时,列车前端、尾端和四周的气流矢量图

2、CAE技术在铁路线路土木工程建设中的典型应用

1)铁路轨道、道床、边坡的结构分析

铁路是建立在铁路线路上的运输系统,铁路线路由轨道和路基组成。其中轨道包括钢轨、轨枕、道床、道岔、连接部件和防爬设备,路基则支撑着轨道。路基的变形、地震活动、山体边坡的稳定、地下水渗流等问题是仿真分析中比较关注的重点和难点问题。

西南交通大学计算工程科学研究所采用ANSYS分析了由钢轨、扣件和轨枕组成的系统在列车轮对的作用下的强度和刚度。

钢轨、扣件和轨枕系统的有限元模型和横向位移云图

2)铁路桥梁结构分析和施工过程仿真

铁路列车除了奔驰在平坦的平原地区以外,还需跨越江河沟壑。承载列车跨江越河的是建在桥梁上的铁路线路。验证桥梁整体结构的安全和稳定性,施工过程中桥梁的安全和稳定性,包括考虑预应力、混凝土徐变、移动荷载等问题以及分阶段施工仿真是桥梁结构分析的难点。桥梁的整桥静力分析、动力学分析、抗震分析以及车——桥耦合动力学分析也是需要考虑的重点。

武汉大学土木建筑工程学院利用ANSYS对某大跨度钢结构拱桥进行强度和屈曲仿真分析的有限元模型和轴力计算结果。经过计算分析,发现某些杆件(红颜色杆件)不满足设计要求,需要重新设计。

某大跨度钢结构拱桥的有限元模型和轴力计算结果

3)铁路隧道、涵洞和其他地下建筑的结构分析和施工过程仿真

隧道是铁路和公路穿越山体的主要方式,也是地下铁路的主要结构形式。涵洞是为方便人员和沟渠穿过铁路路堤修建的结构物。在隧道、涵洞以及其他地下结构的开挖施工中,开挖洞室周围的围岩和土壤结构会随着掘进的进程发生变形和应力再分布,甚至导致坍塌事故,危及施工人员和装备的安全。施工过程的围岩变形和应力分析、施工初期对围岩的锚固和软支护结构的结构分析和安全验证,以及最终的衬砌结构的安全性分析,是隧道设计中主要的CAE应用。

重庆后勤工程学院土木工程系采用ANSYS分析了偏压连拱隧道的开挖过程。

依左先右后、右先左后顺序开挖及同时开挖时隧道连拱的塑性应变分布云图

4)铁路地面建筑物的结构仿真分析

铁路的建筑物与通常的建筑物一样,建筑物和基础的承载能力、结构稳定性、振动和抗震特性等指标计算和验证是建筑物结构安全设计的基础。风荷载是建筑物承受的重要荷载。建筑物的通风、保暖和抵御火灾的能力也是建筑物设计中必须考察的重要因素。

上海二十一世纪中心大厦地下三层,地上四十八层,结构体型复杂,结构体系总体上属于框筒结构并存在转换层。上海现代建筑设计集团有限公司采用ANSYS成功地完成该结构的整体分析和转换层处的局部分析。

上海二十一世纪中心大厦计算模型及其转换层载竖向和横向荷载下的应力分布

5)铁路车站、广场和隧道紧急状况下人员疏散的仿真分析

铁路或地铁车站及其附属设施(广场、站台、售票大厅、候车大楼)都是人员密集的场所。这些场所的正常人流状况,应对突发事件(火灾、爆炸、刑事案件、恐怖袭击等)时的人员紧急疏散能力,是这些场所人群安全性设计的重要参考指标,也是设计制定这些场所的紧急状况应急方案的重要参考依据。

Mott MacDonald Limited公司运用STEPS对某中央广场进行了仿真。中央广场位于地平面的下方7.9m,站台位于中央广场下方5.5m,有2个楼梯和1个自动扶梯连接站台和中央广场,中央广场两端各有一个由12个十字转门和1个服务口组成的检票口,检票口外有1个自动扶梯和4个应急楼梯连接中央广场和站外地面。

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