行業：鐵路/運輸

     挑戰：開發一套用于在碰撞時保護鐵路工程師的新安全系統。

     Altair 解決方案：設計和測試新的工程師保護系統 (EPS) 并進行關聯和樣機制作。

     優點：達到所有性能目標；最小化軌道車輛的額外新增成本和重量；系統不會對現有的駕駛艙造成任何妨礙

     項目介紹

     火車與火車之間的碰撞可能不常見，但一旦發生，造成的沖擊是巨大的， 對于通常都沒有任何防護的鐵路工程師們則更是一場災難。軌道車頭的內部建構可以承受中等到強烈的沖擊，但工程師操作臺則幾乎沒有保護，使工程師承受可能會危及生命的沖擊傷害。

     Sharma & Associates (SA)為鐵路行業提供工程解決方案。專門從事鐵路 機械和基礎設施工程，以及汽車和消費電子行業的機械工程項目。自1995年起，SA便一直為客戶提供了安全、有效且高效的解決方案，服務的客戶包括美國鐵路管理局(FRA)、美國鐵路協會(AAR)、鐵路與運輸機構、軌道車輛制造商和軌道車輛組件制造商。

     SA與美國國家運輸機構VOLPE合作。VOLPE隸屬于美國運輸部，旨在幫助運輸社區預測技術、運營和體制事務中新產生的問題，他們與公共和私人組織合作，共同滿足運輸行業內的需求。 SA 開始對構建一個工程師保護系統 (EPS)概念開展研究，并將此作為VOLPE資助活動進行申請。

     挑戰

     當時， SA 不熟悉必要的安全要求、可用的系統或沖擊環境的總體性能協調，因此需要一個合作伙伴來幫助開發新的系統。該團隊已通過使用 HyperWorks仿真套件而與Altair建立了積極的合作關系，所以他們與Altair進 行了聯系，了解是否可在碰撞情景和人員受傷條件的知識上提供協助。 SA 選擇了 Altair ProductDesign來幫助進行一項為鐵路駕駛室開發EPS研究項目， 目的是在撞車后工程師撞擊到駕駛室內的設備時能更好地保護他們的頭部、胸部、頸部和雙腿。要取得成功必須做到：EPS不能由工程師觸發，并且不能影響工程師進出控制車。 

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     "我們在僅僅兩次試驗中就成功滿足了 100% 的性能標準，其中Altair  ProductDesign 的專業技術和HyperWorks軟件套件功不可沒。”

Anand Prabhakaran

副總裁 

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      解決方案

     Altair ProductDesign的首個任務是為標準鐵路操作艙的內部創建精確的有限元（FE）模型，團隊在這一過程中使用了 HyperWorks前處理軟件HyperMesh。接下來，團隊向環境中引入了一個假人模型，將其置于工程師的座位上, 面朝控制面板。

     Altair ProductDesign 的碰撞專家之后能夠對各種氣囊類型、規格、位置和氣流進行實驗，并開發一個新的可變形護膝墊板來吸收撞擊時的沖擊力。

     多個成品安全氣囊充氣機的數據和外殼幾何結構詳情由Key Safety Systems （KSS）提供，安全氣囊幾何結構、 旋轉/包裝詳情和漏損量由 Altair ProductDesign 和 KSS 共同調整，旨在確保最終解決方案能夠制造并能夠與組件級的樣機安全氣囊降塔試驗相關聯。此外， Altair ProductDesign 將初始的有限元安全模型與 KSS 提供的分析性MADYMO （數學動態模型）結果相關聯，以便為模型提供一個基準。然后可調整FE模型，獲取項目的適當性能指標。 Altair ProductDesign 快速且高效地將FE組件級細節關聯到安全氣囊本身與護膝墊板支架的硬度，使團隊能夠將整個安全系統調整到最佳的性能。

                                                        在考慮了多套安全系統和安全氣囊結構后,才得到最終設計（右）

 

                                                       分析安全氣囊和護膝墊板性能

 

                                                       仿真結構與物理測試之間具有極高的關聯度

      團隊開發的EPS系統使用了汽車乘客類型的安全氣囊系統，并結合了可壓碎式護膝墊板，整個系統旨在將傷害降至最低，并滿足區域劃分以及未系安全帶乘員疏散和功能要求。

     為了獲得并展現出系統級的性能，在開發過程中進行了系統和子系統級的分析建模，并用 HyperWorks 的 RADIOSS 求解器進行了一系列的準靜態和動態臺車試驗。新安全系統設計可在虛擬環境中良好工作后， Altair ProductDesign再讓KSS構建用于測試的駕駛室樣機，并令其提供進一步仿真所需要的可用安全硬件的重要細節。 執行了臺車測試并記錄了測試假人所受的力。

     首次測試反映出，Altair ProductDesign構建的虛擬模型精確預測了趨勢，ATD （仿人測試裝置）的響應與物理碰撞結果在大部分嚴重傷害響應上達75%到85%的精確水平，在動力學上僅與ATD存在一些微小差異，這對于首次測試而言是一個非常優秀的精度水平。通過使用這些結果，團隊對模型進行了一些小幅的改進，以便更好地將分析性能模型與物理測試相關聯。之后進行了第二次臺車試驗，確定了性能與新的虛擬模型相匹配，并且這一次未發現任何動力學問題，嚴重傷害的響應精度也進一步提高到了 85%到 95%。

     結論

     此項目證實，通過使用最先進的分析技術和測試方法是可以開發一套能通過應用現代化乘員保護技術來有效保護駕駛室內工程人員的防護系統。

     旨在安裝于現有軌道控制車輛同時也能夠根據新設計進行調整的 EPS 系統現已完工，隨時可供鐵路制造商使用 和實施，幫助提高工程師在二次撞擊上的安全水平。

     SA和Altair繼續保持堅實的合作關系，SA會在需要時繼續使用HyperWorks和Altair ProductDesign服務。

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