軌道交通領(lǐng)域CAE仿真技術(shù)的典型應(yīng)用有哪些？

近年來，我國以高鐵為代表的軌道交通行業(yè)得到了快速發(fā)展，成為國際市場(chǎng)上強(qiáng)有力的競(jìng)爭者。深入運(yùn)用CAE技術(shù)是我國軌道交通實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展不可忽視的重要因素。

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，可以采用CAE仿真技術(shù)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。

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。

采用CAE仿真技術(shù)可以模擬車輛和列車通過曲線線路的過程，分析研究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。

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)過程中采用CAE技術(shù)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，通過有限元分析結(jié)果可以對(duì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)提出改進(jìn)建議，從而達(dá)到設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

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)。采用CAE仿真技術(shù)可對(duì)磁懸浮列車的磁浮力進(jìn)行仿真計(jì)算。

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，橫向氣動(dòng)力影響列車穩(wěn)定性，甚至導(dǎo)致列車側(cè)翻。通過CAE空氣動(dòng)力學(xué)仿真分析，可改進(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。

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CAE仿真分析中比較關(guān)注的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。

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)。

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。

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)。采用CAE仿真技術(shù)對(duì)建筑物的通風(fēng)、保暖和抵御火災(zāi)的能力進(jìn)行分析考察也是非常重要的。

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)，CAE仿真分析場(chǎng)所設(shè)計(jì)的緊急疏散能力是制定這些場(chǎng)所的緊急狀況應(yīng)急方案的重要參考依據(jù)。

近年來，我國以高鐵、地鐵為代表的軌道交通行業(yè)得到了飛速發(fā)展，完成了從吸收國際先進(jìn)技術(shù)到自主研發(fā)創(chuàng)新的顯著飛躍。在這個(gè)過程中，CAE仿真技術(shù)對(duì)計(jì)算復(fù)雜工程問題、優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)、縮短研發(fā)周期發(fā)揮了非常重要的作用，并且在軌交自主研發(fā)創(chuàng)新中呈現(xiàn)出越來越大的價(jià)值。

來源：技術(shù)鄰CAE學(xué)院