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(guó)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(guó)際市場(chǎng)上強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者。深入運(yùn)用CAE技術(shù)是我國(guó)軌道交通實(shí)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(jī)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(jī)車和車輛工程中的典型應(yīng)用

1)鐵路機(jī)車、車輛車體和關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)驗(yàn)證分析

車體是鐵路機(jī)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(shí)的沖擊荷載、甚至承受機(jī)車、車輛發(fā)生碰撞時(shí)的巨大撞擊荷載。在車體的設(shè)計(jì)驗(yàn)證中,主要考察車體在設(shè)計(jì)規(guī)范固定的各荷載工況下的強(qiáng)度、剛度和自振特性。

某型號(hào)電力機(jī)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(jī)車車輛研究所采用ANSYS軟件對(duì)該機(jī)車車體的強(qiáng)度和振動(dòng)特性進(jìn)行了仿真分析。

某型號(hào)電力機(jī)車的等效應(yīng)力分布云圖和扭轉(zhuǎn)振型

2)鐵路機(jī)車、車輛和列車的動(dòng)力學(xué)分析

鐵路列車在鋼軌上運(yùn)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(duì)的材質(zhì)不均勻、加工過程產(chǎn)生的輪對(duì)偏心、不圓等諸多因素都會(huì)引發(fā)輪軌的相互沖擊和振動(dòng)。這些相互沖擊和振動(dòng)都將直接影響機(jī)車和車輛運(yùn)行的平穩(wěn)性。

國(guó)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(dòng)力學(xué)仿真

3)鐵路機(jī)車、車輛動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證分析

牽引電機(jī)是鐵路機(jī)車車輛牽引動(dòng)力的直接來源。在鐵路牽引電機(jī)產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)中,電機(jī)電磁場(chǎng)的設(shè)計(jì)極為關(guān)鍵,它在很大程度上決定著電機(jī)產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。因此,在設(shè)計(jì)過程中對(duì)電機(jī)電磁場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確的分析計(jì)算,把握電磁場(chǎng)主要性能指標(biāo)及其分布情況尤為重要。永濟(jì)電機(jī)廠采用ANSYS對(duì)JF218電機(jī)進(jìn)行電磁場(chǎng)分析的有限元模型和分析結(jié)果。通過分析,對(duì)該電機(jī)的結(jié)構(gòu)提出改進(jìn)建議。改進(jìn)后的電機(jī)的磁通量密度的技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)的要求。

某電機(jī)1/4模型和改進(jìn)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(jì)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)列車與地面軌道間的無機(jī)械接觸, 再利用線性電機(jī)驅(qū)動(dòng)列車運(yùn)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(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)。

西南交通大學(xué)機(jī)車車輛研究所采用ANSYS對(duì)某新型磁懸浮列車的磁浮力進(jìn)行了仿真計(jì)算。

某新型磁懸浮列車的通過曲線時(shí)三維有限元模型和電磁場(chǎng)矢量分布云圖

5)空氣動(dòng)力學(xué)仿真在鐵路機(jī)車車輛設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

隨著旅客列車運(yùn)行速度的大幅度提高,空氣流動(dòng)對(duì)機(jī)車、車輛、列車的運(yùn)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(duì)運(yùn)動(dòng),空氣對(duì)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(jìn)列車氣動(dòng)特性,減少縱向氣動(dòng)力的風(fēng)阻,有利于提高車速降低能耗。橫向氣動(dòng)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(shí)外部流場(chǎng)的情況。

單列列車以每秒50米的速度通過車站時(shí),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(yùn)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(dòng)、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(diǎn)和難點(diǎn)問題。

西南交通大學(xué)計(jì)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(duì)的作用下的強(qiáng)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(yàn)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(dòng)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(diǎn)。橋梁的整橋靜力分析、動(dòng)力學(xué)分析、抗震分析以及車——橋耦合動(dòng)力學(xué)分析也是需要考慮的重點(diǎn)。

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

某大跨度鋼結(jié)構(gòu)拱橋的有限元模型和軸力計(jì)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(huì)隨著掘進(jìn)的進(jìn)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(duì)圍巖的錨固和軟支護(hù)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析和安全驗(yàn)證,以及最終的襯砌結(jié)構(gòu)的安全性分析,是隧道設(shè)計(jì)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(shí)開挖時(shí)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(dòng)和抗震特性等指標(biāo)計(jì)算和驗(yàn)證是建筑物結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)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(jì)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。上海現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)集團(tuán)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(jì)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(chǎng)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(chǎng)、站臺(tái)、售票大廳、候車大樓)都是人員密集的場(chǎng)所。這些場(chǎng)所的正常人流狀況,應(yīng)對(duì)突發(fā)事件(火災(zāi)、爆炸、刑事案件、恐怖襲擊等)時(shí)的人員緊急疏散能力,是這些場(chǎng)所人群安全性設(shè)計(jì)的重要參考指標(biāo),也是設(shè)計(jì)制定這些場(chǎng)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(yùn)用STEPS對(duì)某中央廣場(chǎng)進(jìn)行了仿真。中央廣場(chǎng)位于地平面的下方7.9m,站臺(tái)位于中央廣場(chǎng)下方5.5m,有2個(gè)樓梯和1個(gè)自動(dòng)扶梯連接站臺(tái)和中央廣場(chǎng),中央廣場(chǎng)兩端各有一個(gè)由12個(gè)十字轉(zhuǎn)門和1個(gè)服務(wù)口組成的檢票口,檢票口外有1個(gè)自動(dòng)扶梯和4個(gè)應(yīng)急樓梯連接中央廣場(chǎng)和站外地面。

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