現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和商用有限元軟件的高度發(fā)展，促使計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)已應(yīng)用到了工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。軌道交通領(lǐng)域也不例外，特別是隨著我國(guó)高速動(dòng)車技術(shù)的快速發(fā)展，提高企業(yè)自主研發(fā)能力、縮短研發(fā)周期已成為車輛制造企業(yè)的新挑戰(zhàn)。學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，在新產(chǎn)品研發(fā)中大力推進(jìn)CAE技術(shù)已成為行業(yè)共識(shí)。

高速列車是當(dāng)今世界高新技術(shù)的集成，需要解決高速輪軌關(guān)系、高速轉(zhuǎn)向架、大功率牽引、制動(dòng)控制、列車運(yùn)行控制、空氣動(dòng)力學(xué)工程、環(huán)境噪聲、乘坐舒適度、可靠性與安全性等一系列重大技術(shù)問(wèn)題，這就需要將CAE技術(shù)應(yīng)用到高速列車的各個(gè)領(lǐng)域中，以下扼要介紹CAE技術(shù)軌道交通設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用情況：

1.  CAE技術(shù)在高速列車轉(zhuǎn)向架研發(fā)中的應(yīng)用

高速轉(zhuǎn)向架是列車高速運(yùn)行最重要的基礎(chǔ)條件之一，作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，高速轉(zhuǎn)向架在保證列車高速穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)承擔(dān)列車的減振降噪作用；作為承載結(jié)構(gòu)，高速轉(zhuǎn)向架在各種振動(dòng)工況下確保結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全可靠性。高速列車轉(zhuǎn)向架的研發(fā)工作主要包括：a.確定高速列車在線路上各種運(yùn)用工況下安全運(yùn)行條件；b.研究列車懸掛裝置的結(jié)構(gòu)、參數(shù)和性能對(duì)振動(dòng)和動(dòng)載荷傳遞的影響，并為這些裝置提供設(shè)計(jì)依據(jù)，以保證列車高速、安全、平穩(wěn)的運(yùn)行；c.確定動(dòng)載荷特征，為分析列車及其部件的動(dòng)作用力提供依據(jù)。CAE技術(shù)貫穿在高速轉(zhuǎn)向架研發(fā)的整個(gè)過(guò)程中，根據(jù)上面對(duì)高速轉(zhuǎn)向架研發(fā)工作的描述，CAE技術(shù)在高速轉(zhuǎn)向架研發(fā)中的應(yīng)用主要分為兩部分：轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)分析和轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)分析，轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)分析包括強(qiáng)度、剛度和模態(tài)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等仿真分析工作；轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)分析主要用于研究懸掛裝置的結(jié)構(gòu)、參數(shù)和性能對(duì)振動(dòng)和動(dòng)載荷傳遞的影響。下面具體介紹CAE技術(shù)在高速轉(zhuǎn)向架研發(fā)中的應(yīng)用：

轉(zhuǎn)向架的組成包括構(gòu)架、輪對(duì)、一系懸掛、二系懸掛等零部件，首先在設(shè)計(jì)初期對(duì)轉(zhuǎn)向架進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要是轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)性能設(shè)計(jì)，應(yīng)用動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)轉(zhuǎn)向架進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)（軸重、軸距、踏面形狀、一系懸掛剛度、二系懸掛剛度、減振器性能參數(shù)等）建立轉(zhuǎn)向架的虛擬模型，選擇相應(yīng)的運(yùn)行線路譜進(jìn)行轉(zhuǎn)向架的動(dòng)力學(xué)仿真。通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真分析，分析了列車懸掛裝置的結(jié)構(gòu)、參數(shù)和性能對(duì)振動(dòng)和動(dòng)載荷傳遞的影響，同時(shí)確定了列車的動(dòng)載荷特征。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化改進(jìn)，具體包括改進(jìn)一系彈簧的剛度，車輪踏面形狀，空氣彈簧的性能，軸距等，同時(shí)根據(jù)優(yōu)化改進(jìn)后的參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)向架再次進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，直到得出滿足設(shè)計(jì)要求的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)。

在完成轉(zhuǎn)向架的系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，開(kāi)始轉(zhuǎn)向架零部件的設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)向架作為車輛的重要承載部件，其零部件的強(qiáng)度直接影響到車輛的運(yùn)行安全性，在完成轉(zhuǎn)向架零部件設(shè)計(jì)后，需要應(yīng)用CAE強(qiáng)度分析軟件對(duì)轉(zhuǎn)向架的各個(gè)零部件進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度分析，首先根據(jù)三維設(shè)計(jì)模型建立有限元模型，進(jìn)行網(wǎng)格剖分，然后根據(jù)設(shè)計(jì)載荷和運(yùn)行環(huán)境對(duì)有限元模型施加邊界條件，評(píng)估結(jié)果和結(jié)構(gòu)改進(jìn)建議提交給設(shè)計(jì)師，完成最終的設(shè)計(jì)。

典型例子就是CAE技術(shù)在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架相當(dāng)于轉(zhuǎn)向架的地基，是轉(zhuǎn)向架的各個(gè)零部件的載體，200公里轉(zhuǎn)向架構(gòu)架是全鋼焊接構(gòu)架，主要由側(cè)梁、橫梁、縱向輔助梁組成，在側(cè)梁、橫梁上焊接有各種零部件的安裝座，首先根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，建立構(gòu)架的主體框架尺寸，根據(jù)軸重要求，應(yīng)用力學(xué)的相關(guān)知識(shí)計(jì)算得出側(cè)梁、橫梁、縱向輔助梁的初步截面尺寸，各個(gè)安裝座根據(jù)接口關(guān)系進(jìn)行設(shè)計(jì)，在完成方案設(shè)計(jì)的三維模型后，首先應(yīng)用有限元前處理軟件對(duì)構(gòu)架進(jìn)行網(wǎng)格剖分，然后應(yīng)用強(qiáng)度分析軟件對(duì)構(gòu)架進(jìn)行強(qiáng)度分析，驗(yàn)證構(gòu)架的強(qiáng)度，調(diào)整安裝座的形狀，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)方案設(shè)計(jì)進(jìn)行完善，得到最終設(shè)計(jì)方案。

通過(guò)CAE技術(shù)的應(yīng)用，轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)的周期大大縮短，為后期的試驗(yàn)提供了時(shí)間，通過(guò)后期的試驗(yàn)，驗(yàn)證了仿真分析的準(zhǔn)確性。

2.   CAE技術(shù)在高速列車車體研發(fā)中的應(yīng)用

高速列車車體的研發(fā)技術(shù)難點(diǎn)在于如何保證車體剛度、強(qiáng)度不變的前提下實(shí)現(xiàn)車體輕量化的目標(biāo)；由于車輛速度的提高，車輛的空氣動(dòng)力學(xué)性能在進(jìn)行高速列車車體的研發(fā)時(shí)必須加以考慮，因此需要對(duì)車體的斷面進(jìn)行優(yōu)化以使車體達(dá)到最優(yōu)的空氣動(dòng)力學(xué)性，減少高速列車的動(dòng)力消耗，也是高速列車車體的研發(fā)中遇到的一個(gè)急需解決的難題。隨著CAE技術(shù)在高速列車車體研發(fā)中的應(yīng)用，高速列車車體的研發(fā)中碰到的技術(shù)難點(diǎn)都一一得到了解決，下面具體介紹CAE技術(shù)在高速軌道車輛車體的研發(fā)中的應(yīng)用：

CAE技術(shù)在高速軌道車輛車體的研發(fā)中的應(yīng)用，根據(jù)研究對(duì)象的不同，可分為兩部分：車體結(jié)構(gòu)分析和流固耦合分析，車體分析包括對(duì)車體的強(qiáng)度、氣密強(qiáng)度、剛度與模態(tài)以及車體模態(tài)與轉(zhuǎn)向架固有模態(tài)的關(guān)系，車體局部模態(tài)與車內(nèi)振動(dòng)及車體局部模態(tài)與車內(nèi)噪音的關(guān)系進(jìn)行仿真分析等一系列技術(shù)項(xiàng)目，主要解決車體輕量化與車體剛度、強(qiáng)度提高之間的矛盾；流固耦合分析包括對(duì)列車表面壓力分布、氣動(dòng)阻力、氣動(dòng)升力、交會(huì)壓力波、側(cè)向力及隧道效應(yīng)和列車運(yùn)行的側(cè)風(fēng)平穩(wěn)性、氣動(dòng)噪聲等諸多方面等數(shù)值仿真項(xiàng)目，為提高高速列車車體的空氣動(dòng)力學(xué)性能提出解決方案，同時(shí)還為車體結(jié)構(gòu)分析提供外部流場(chǎng)載荷，用于結(jié)構(gòu)分析。根據(jù)公司前期軌道車輛車體設(shè)計(jì)和仿真分析的經(jīng)驗(yàn)，我公司建立了適合高速軌道車輛車體仿真分析的CAE技術(shù)平臺(tái)，制定了科學(xué)的仿真分析流程，可以同時(shí)進(jìn)行車體分析和流固耦合分析。

以高速列車車體研發(fā)流程為例來(lái)介紹CAE技術(shù)在高速列車車體設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用，首先對(duì)高速列車車體的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行流固耦合分析，應(yīng)用流體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)列車表面壓力分布、氣動(dòng)阻力、氣動(dòng)升力、交會(huì)壓力波、側(cè)向力及隧道效應(yīng)和列車運(yùn)行的側(cè)風(fēng)平穩(wěn)性、氣動(dòng)噪聲等諸多方面進(jìn)行仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)車體結(jié)構(gòu)和車體斷面尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，例如：車體初次設(shè)計(jì)時(shí)在車頂受電弓安裝座處沒(méi)有設(shè)計(jì)導(dǎo)流罩，仿真計(jì)算結(jié)果表明該處氣動(dòng)阻力過(guò)大，同時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的氣動(dòng)噪聲；根據(jù)仿真分析的結(jié)果，改進(jìn)了受電弓安裝座，并增加了導(dǎo)流罩；在對(duì)受電弓安裝座以及導(dǎo)流罩的多個(gè)設(shè)計(jì)方案分別進(jìn)行了仿真分析后，得到了最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案；從最初的仿真分析到得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，由于CAE技術(shù)的幫助，只需要兩周時(shí)間，極大的縮短了設(shè)計(jì)周期。在完成高速列車車體的流固耦合分析后，同時(shí)也完成車體結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)緊接著需要進(jìn)行車體結(jié)構(gòu)分析，應(yīng)用結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)車體的強(qiáng)度、氣密強(qiáng)度、剛度與模態(tài)以及車體模態(tài)與轉(zhuǎn)向架固有模態(tài)的關(guān)系，車體局部模態(tài)與車內(nèi)振動(dòng)及車體局部模態(tài)與車內(nèi)噪音的關(guān)系進(jìn)行仿真分析。

車體在車輛運(yùn)行中受到的載荷包括垂向載荷、端部壓縮載荷、氣密載荷、三點(diǎn)支撐載荷以及扭轉(zhuǎn)載荷，同時(shí)還包括由于振動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)載荷等，通過(guò)有限元仿真分析模擬車體在車輛運(yùn)行中的受力情況，對(duì)車體的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)不滿足強(qiáng)度要求的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)；同時(shí)對(duì)車體的剛度與模態(tài)進(jìn)行仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果，改進(jìn)結(jié)構(gòu)，提高車體剛度；最后進(jìn)行優(yōu)化仿真分析，將最小質(zhì)量作為優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)構(gòu)的模態(tài)和強(qiáng)度作為優(yōu)化的約束對(duì)車體進(jìn)行優(yōu)化分析，跟據(jù)優(yōu)化結(jié)果對(duì)車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，完成高速列車車體的最終設(shè)計(jì)。

3.  CAE技術(shù)在高速列車隔聲降噪方面的應(yīng)用

高速列車的研發(fā)中的一個(gè)重要課題就是列車的噪聲問(wèn)題。隨著列車運(yùn)行速度的提高，列車的噪聲問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，當(dāng)噪音傳入客室內(nèi)，一般來(lái)說(shuō)，速度每提高10km/h，噪聲相應(yīng)增加1～2dB(A)。高速列車的噪聲源主要包括輪軌噪聲和氣動(dòng)噪聲。高速列車的噪聲傳入客室內(nèi)，直接影響旅客的乘坐舒適度，同時(shí)造成鐵路沿線的環(huán)境污染。傳統(tǒng)的車輛噪聲研究是應(yīng)用物理樣機(jī)在線路上進(jìn)行試驗(yàn)，然后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，這種方法在延長(zhǎng)設(shè)計(jì)周期的同時(shí)，增加了設(shè)計(jì)成本。我公司在高速列車的隔聲降噪設(shè)計(jì)中引入了CAE技術(shù)，CAE技術(shù)在高速列車的隔聲降噪設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分為兩部分，一是應(yīng)用結(jié)構(gòu)分析軟件和流體動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)高速車輛結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，改變?cè)肼曉吹慕Y(jié)構(gòu)，以達(dá)到降低噪聲的目的，例如優(yōu)化受電弓安裝座的結(jié)構(gòu)，并加裝導(dǎo)流罩，可大幅度降低受電弓部位的氣動(dòng)噪聲；同時(shí)應(yīng)用噪聲仿真軟件對(duì)噪聲在車輛內(nèi)以及在周圍環(huán)境中的傳播進(jìn)行仿真，主要針對(duì)中低頻噪聲，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)高頻噪聲進(jìn)行分析，高速列車的噪聲既有中低頻噪聲，例如輪軌噪聲；也有高頻噪聲，例如氣動(dòng)噪聲，通過(guò)對(duì)客室內(nèi)噪聲場(chǎng)的仿真，優(yōu)化客室內(nèi)裝結(jié)構(gòu)，達(dá)到改善隔音效果的目的，降低了客室內(nèi)的噪聲。

由于CAE技術(shù)的應(yīng)用，高速列車的隔音降噪設(shè)計(jì)在進(jìn)行物理樣機(jī)試驗(yàn)以前就完成，縮短了設(shè)計(jì)周期的，同時(shí)降低了設(shè)計(jì)成本。

4、總結(jié)

通過(guò)上面的介紹，可以看出CAE技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于高速列車研發(fā)項(xiàng)目中，CAE技術(shù)為高速列車研發(fā)提供了有力的保證。通過(guò)CAE技術(shù)在高速列車研發(fā)項(xiàng)目各個(gè)子項(xiàng)目中的應(yīng)用，大大提高了研發(fā)效率，縮短了高速車研發(fā)項(xiàng)目的周期，同時(shí)降低了設(shè)計(jì)成本，放眼未來(lái)，公司將建立統(tǒng)一的CAE仿真平臺(tái)，并與設(shè)計(jì)平臺(tái)、制造平臺(tái)、試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接，將CAE技術(shù)應(yīng)用到高速列車從研發(fā)到制造、試驗(yàn)的每一個(gè)環(huán)節(jié)，服務(wù)于新一代速度更高、更加環(huán)保節(jié)能的軌道車輛研發(fā)工作。

來(lái)源：元計(jì)算