導(dǎo)語：計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1軌道交通車輛設(shè)計(jì)中的計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)的概述

計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)，即CAE技術(shù)的提出將產(chǎn)品當(dāng)中的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了有機(jī)的組織，將有關(guān)的信息集成并使其產(chǎn)生、存在于產(chǎn)品的整個(gè)生命周期當(dāng)中，是一個(gè)包括了相關(guān)人員、經(jīng)營管理、技術(shù)、信息流、物流等方面的有機(jī)集成與優(yōu)化運(yùn)行的復(fù)雜系統(tǒng)。軌道交通車輛設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念是構(gòu)思、繪制草圖、方案比較、設(shè)計(jì)計(jì)算、確定工程圖、加工制造并以實(shí)物樣機(jī)作為最終的結(jié)果，在這個(gè)過程當(dāng)中耗費(fèi)了大量的時(shí)間與成本，并且要想達(dá)到產(chǎn)品定型的生產(chǎn)階段通常需要經(jīng)過多次的反復(fù)。CAE在三維實(shí)體建模的基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)際使用條件來對產(chǎn)品進(jìn)行仿真與結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)性能需求來進(jìn)行設(shè)計(jì)與綜合評判，有助于從多個(gè)設(shè)計(jì)方案當(dāng)中選擇出最優(yōu)的方案，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從設(shè)計(jì)階段開始便能不斷地完善設(shè)計(jì)概念。目前城市軌道交通車輛設(shè)計(jì)當(dāng)中常用的CAE軟件主要包括ANSYS軟件、ADAMS軟件等。其中，ANSYS是由美國ANSYS公司開發(fā)的可以同多數(shù)CAD軟件接口來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與交換的軟件，其模塊主要包括：提供了強(qiáng)大實(shí)體建模與網(wǎng)格劃分工具的前處理模塊；包含了結(jié)構(gòu)分析和流體動力學(xué)、聲場、電磁場等分析并且能夠模擬多種物理介質(zhì)間相互作用的分析計(jì)算模塊；將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線、矢量、立體切片等圖形方式顯示出來或用圖表、曲線形式來顯示與輸出計(jì)算結(jié)果的后處理模塊。ADAMS軟件是由美國MDI公司所開發(fā)的機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析軟件，它使用交互式圖形環(huán)境、零件庫、約束庫和力庫來創(chuàng)建出完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，可以用來預(yù)測機(jī)械系統(tǒng)的性能、碰撞檢測、運(yùn)動范圍等，并且可以對有限元的輸入荷載進(jìn)行計(jì)算。除此之外，還有I-DEASMasterSeries分析軟件、MRAC有限元分析軟件、ABAQUS非線性有限元分析軟件等。

2軌道交通車輛設(shè)計(jì)中計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)的應(yīng)用

1）車輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)。軌道交通車輛的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是確保車輛可靠性、安全性的一個(gè)重要指標(biāo)，應(yīng)當(dāng)在采用先進(jìn)試驗(yàn)方法鑒定車輛承載零部件強(qiáng)度的同時(shí)，借助先進(jìn)的計(jì)算方法來實(shí)現(xiàn)車輛強(qiáng)度的理論分析。車輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析包括保障車體與轉(zhuǎn)向架及各個(gè)零部件結(jié)構(gòu)安全的結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析、確保運(yùn)動車輛的動強(qiáng)度與動剛度的結(jié)構(gòu)動強(qiáng)度分析、給預(yù)測構(gòu)件疲勞壽命和結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)提供重要條件的疲勞強(qiáng)度分析。例如可采用I-DEASMasterSeries分析軟件創(chuàng)建鉤舌模型來對鉤舌的靜強(qiáng)度做出有限元的分析計(jì)算。

2）車輛碰撞安全性的設(shè)計(jì)。車輛的碰撞過程當(dāng)中伴隨著大變形，在對車輛碰撞的安全性進(jìn)行分析時(shí)應(yīng)當(dāng)綜合考慮車輛材料以及其同自身、其他物體之間發(fā)生的接觸，這就使得車輛的耐撞性成為了一個(gè)高度非線性的問題。對于車輛大變形碰撞的研究方法包括實(shí)物試驗(yàn)、理論研究、數(shù)值仿真。其中理論研究可以抓住問題的本質(zhì)，給實(shí)物試驗(yàn)、數(shù)值仿真與建模帶來方向性的建議與指導(dǎo)。由于列車的碰撞安全性試驗(yàn)的耗資巨大且破壞性強(qiáng)，目前世界范圍內(nèi)僅美國對實(shí)車碰撞試驗(yàn)進(jìn)行了開展，在這種背景下，利用CAE技術(shù)的計(jì)算機(jī)仿真給車輛碰撞的安全性分析提供了主要的研究方法。車輛碰撞的安全性分析主要包括對車輛碰撞過程當(dāng)中的車體和轉(zhuǎn)向架等相關(guān)部件的變形、動態(tài)響應(yīng)的有限元方法研究；對人體在不同的碰撞條件下的響應(yīng)的研究，并有效地評估乘員在碰撞過程當(dāng)中所受到的傷害；模擬車輛的碰撞全過程，并評價(jià)設(shè)計(jì)的安全性。

3）制動的設(shè)計(jì)。城市軌道交通車輛的制動系統(tǒng)主要包括氣制動系統(tǒng)、電制動系統(tǒng)這兩種，以電制動為主要制定控制原則并在制動力不足的情況下來補(bǔ)充氣制動。電制動系統(tǒng)分為電阻制動、再生制動，氣制動依據(jù)基礎(chǔ)制動元件的不同分成盤式制動、踏面制動。通常速度＜100km/h的車輛可采用踏面制動，而速度≥100km/h的車輛可選用盤式制動。在制動分析當(dāng)中包含了基礎(chǔ)制動參數(shù)的優(yōu)化、制動過程的動態(tài)仿真、制動粘著的分析、制動距離與時(shí)間的計(jì)算、制動閥的動態(tài)仿真等等。

4）車輛動力學(xué)的設(shè)計(jì)。車輛動力學(xué)研究的是在高速運(yùn)行時(shí)的位移和加速度等各種運(yùn)用情況下車輛及其主要零部件所產(chǎn)生的動力作用，主要為了對車輛在線路上的安全運(yùn)行條件進(jìn)行確定、對車輛懸掛裝置與牽引緩沖裝置的參數(shù)和結(jié)構(gòu)等的研究、對荷載特征的確定。車輛的動力學(xué)分析包括了提供輪軌接觸幾何參數(shù)與蠕滑參數(shù)等數(shù)據(jù)的輪軌關(guān)系研究、改善車輛蛇行運(yùn)動穩(wěn)定性和曲線通過以及隨機(jī)響應(yīng)性能的垂向與橫向動力學(xué)分析、給車鉤緩沖裝置設(shè)計(jì)提供列車運(yùn)行與沖擊時(shí)縱向作用力的縱向動力學(xué)分析、把人作為車輛的一部分并以系統(tǒng)來分析人的舒適度的人機(jī)工程學(xué)分析。例如，可借助ADAMS或Rail軟件的建模模板來創(chuàng)建拖車模型，對動車組進(jìn)行動力學(xué)仿真。

5）車輛舒適性的設(shè)計(jì)。舒適性是旅客選擇交通工具時(shí)所考慮的僅次于時(shí)間、價(jià)格、方便程度以外的一個(gè)重要因素。列車在運(yùn)行的過程當(dāng)中影響旅客乘坐舒適度的因素主要包括線路不夠平順而造成的車廂振動、車廂當(dāng)中的溫度與濕度等環(huán)境因素、輪軌沖擊下所產(chǎn)生的噪聲等。利用CAE技術(shù)可以通過采用多種主動、半主動有源懸掛參數(shù)的優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)整車振動性能的大大改善，并通過在駕駛室和車廂壁板、車頂和底板等位置增裝吸音、隔音材料或設(shè)備來對車廂內(nèi)的噪音品質(zhì)做出改善，此外還可根據(jù)車廂內(nèi)溫度場的分布來研究熱源的布置和溫度的設(shè)置等。

3結(jié)語

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷加快，許多城市對發(fā)展軌道交通都給予了越來越高的重視。在設(shè)計(jì)軌道交通車輛時(shí)必須綜合考慮乘客的旅行行為、乘坐方式、城市環(huán)境、生活設(shè)施等多方面的因素，以使其符合城市化消費(fèi)的需求。計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)在軌道交通車輛設(shè)計(jì)當(dāng)中的推廣和應(yīng)用，能夠極大地促進(jìn)企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，從而實(shí)現(xiàn)軌道交通車輛開發(fā)周期的有效縮短，同時(shí)可降低開發(fā)的成本，提升車輛設(shè)計(jì)的質(zhì)量。

作者:劉潔 單位:南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院