CAE仿真技術在軌道交通上的應用

2018-06-02 by:CAE仿真在線來源:互聯網

近年來,我國以高鐵為代表的軌道交通行業得到了快速發展,成為國際市場上強有力的競爭者。深入運用CAE技術是我國軌道交通實現跨越式發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兩大方面為您全面介紹CAE仿真技術在軌道交通行業的應用。

1、CAE技術在鐵路機車和車輛工程中的典型應用

1)鐵路機車、車輛車體和關鍵零部件設計驗證分析

車體是鐵路機車和車輛的主要的承載結構,它承受著車體自身的重量、車上設備的重量,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、車輛發生碰撞時的巨大撞擊荷載。在車體的設計驗證中,主要考察車體在設計規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構形式,西南交通大學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力分布云圖和扭轉振型

2)鐵路機車、車輛和列車的動力學分析

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的輪軌脫離、因車輪擦傷、輪對的材質不均勻、加工過程產生的輪對偏心、不圓等諸多因素都會引發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。據此,他們分析研究了車輛和列車的曲線通過能力和橫向穩定性,以及輪軌相互作用。

列車通過曲線線路的RecurDYN多體動力學仿真

3)鐵路機車、車輛動力系統的設計驗證分析

牽引電機是鐵路機車車輛牽引動力的直接來源。在鐵路牽引電機產品開發設計中,電機電磁場的設計極為關鍵,它在很大程度上決定著電機產品的性能和質量。因此,在設計過程中對電機電磁場進行準確的分析計算,把握電磁場主要性能指標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果。通過分析,對該電機的結構提出改進建議。改進后的電機的磁通量密度的技術指標滿足設計的要求。

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的設計驗證分析

磁懸浮列車是一種依靠電磁力將列車懸浮于空中,實現列車與地面軌道間的無機械接觸, 再利用線性電機驅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中的執行元件, 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性能指標及運行的經濟性能指標。

西南交通大學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)空氣動力學仿真在鐵路機車車輛設計中的應用

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,空氣對列車產生縱向阻力、橫向力和升力以及側翻力矩、偏轉力矩和俯仰力矩。改進列車氣動特性,減少縱向氣動力的風阻,有利于提高車速降低能耗。橫向氣動力影響列車穩定性,甚至導致列車側翻。

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技術在鐵路線路土木工程建設中的典型應用

1)鐵路軌道、道床、邊坡的結構分析

鐵路是建立在鐵路線路上的運輸系統,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、連接部件和防爬設備,路基則支撐著軌道。路基的變形、地震活動、山體邊坡的穩定、地下水滲流等問題是仿真分析中比較關注的重點和難點問題。

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

鋼軌、扣件和軌枕系統的有限元模型和橫向位移云圖

2)鐵路橋梁結構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。驗證橋梁整體結構的安全和穩定性,施工過程中橋梁的安全和穩定性,包括考慮預應力、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構分析的難點。橋梁的整橋靜力分析、動力學分析、抗震分析以及車——橋耦合動力學分析也是需要考慮的重點。

武漢大學土木建筑工程學院利用ANSYS對某大跨度鋼結構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果。經過計算分析,發現某些桿件(紅顏色桿件)不滿足設計要求,需要重新設計。

某大跨度鋼結構拱橋的有限元模型和軸力計算結果

3)鐵路隧道、涵洞和其他地下建筑的結構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構形式。涵洞是為方便人員和溝渠穿過鐵路路堤修建的結構物。在隧道、涵洞以及其他地下結構的開挖施工中,開挖洞室周圍的圍巖和土壤結構會隨著掘進的進程發生變形和應力再分布,甚至導致坍塌事故,危及施工人員和裝備的安全。施工過程的圍巖變形和應力分析、施工初期對圍巖的錨固和軟支護結構的結構分析和安全驗證,以及最終的襯砌結構的安全性分析,是隧道設計中主要的CAE應用。

重慶后勤工程學院土木工程系采用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變分布云圖

4)鐵路地面建筑物的結構仿真分析

鐵路的建筑物與通常的建筑物一樣,建筑物和基礎的承載能力、結構穩定性、振動和抗震特性等指標計算和驗證是建筑物結構安全設計的基礎。風荷載是建筑物承受的重要荷載。建筑物的通風、保暖和抵御火災的能力也是建筑物設計中必須考察的重要因素。

上海二十一世紀中心大廈地下三層,地上四十八層,結構體型復雜,結構體系總體上屬于框筒結構并存在轉換層。上海現代建筑設計集團有限公司采用ANSYS成功地完成該結構的整體分析和轉換層處的局部分析。

上海二十一世紀中心大廈計算模型及其轉換層載豎向和橫向荷載下的應力分布

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,應對突發事件(火災、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計的重要參考指標,也是設計制定這些場所的緊急狀況應急方案的重要參考依據。

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個十字轉門和1個服務口組成的檢票口,檢票口外有1個自動扶梯和4個應急樓梯連接中央廣場和站外地面。

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