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ADAMS在汽车制动仿真方面的应用
 MSC.ADAMS在机车车辆设计中的应用实例
发布者:MSC.Software 出处: 日期:2010/6/29 阅读:2231 推荐:0 点评:0
   

引制动系统性能的问题

机车车辆的牵引制动性能是关系到车辆运行安全与否的一个重要因素。机车车辆的牵引制动系统的牵引制动性能除了要考虑牵引电机、传动系统、制动系统之外,还要考虑轮轨接触的影响。通过MSC.ADAMS/Rail可以对机车车辆的牵引制动性能进行精确的仿真。利用ADAMS/Rail的模板建模方式可以很方便的建立牵引制动系统的模板,然后建立牵引制动子系统,再与转向架和车体等其它子系统组装成整车模型。在ADAMS/Rail中可以定义轮轨之间非线性的摩擦特性,随着蠕滑率的变化而变化的摩擦系数是进行牵引或制动性能分析至关重要的特性。同时,还可以定义随着轨道长度方向变化的摩擦系数,这样可以分析钢轨表面干燥/潮湿的影响。下面是这方面的应用实例。

实例1 :

Voith Turbo是德国铁道车辆传动系统的一级供应商,主要开发、制造并组装机械、液压及电动系统。他们提供铁道动车的驱动系统,可使机械系统运转更有效,使车辆运营速度更高,更舒适,并节省能源,减少噪音。(摘自: http://www.voithturbo.com)

Voith Turbo公司的分析部门需要研究驱动系统和动车系统之间在牵引或制动时的相互耦合作用,如在牵引/制动时的轴系的谐振问题。ADAMS/Rail、ADAMS/Flex、ADAMS/Exchange使得Voith Turbo实现了在其产品开发流程内虚拟产品开发的技术。ADAMS/Rail的模版建模方式使得Voith Turbo能够将其建立的驱动系统模型与其他的供应商提供的车辆模型(包括转向架和车身子系统)联合起来建立一个包含驱动系统的整车模型,非常容易测试配置不同驱动系统的车辆的动力学性能。其意义在于可以对驱动系统的谐振和稳定性进行研究,并进行优化,以使驱动系统的悬挂装置所受的冲击加速度不超过许可的范围。

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上图所示为考虑传动系统的整车模型在通过湿滑轨面启动时牵引电机的输出扭矩随着仿真时间的变化过程,通过仿真发现了由于轨面的湿滑而导致输出扭矩的振动现象,这一现象是由于机车经过湿滑轨面时产生了打滑现象,引起了传动系统的扭振,所以电机的输出扭矩出现了上下的波动。

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上面三个图所示为考虑电机的悬挂装置的机车在与其它车辆或固定物发生碰撞时电机的悬挂装置的振动冲击情况的虚拟试验过程,目的是研究由于碰撞冲击引起的发动机悬挂装置的最大加速度。在该模型中牵引电机体悬,悬挂部件通过ADAMS/Flex将有限元的模态分析结果读入ADAMS/Rail,从而可以考虑悬挂结构柔性的影响,使仿真结果更接近实际情况。

实例2 :

庞巴迪运输公司在运输行业处于领先地位,其产品包括长短途的机车、客车及货车,2002年收购Adtranz是一项重要的战略,奠定了庞巴迪成为铁路车辆运输及服务方面在全球设计、制造及销售方面的世界领先地位。通过合并重组,庞巴迪公司可以为用户提供创造性的解决方案以满足用户的各种需求(摘自: http://www.bombardier.com)

一台电力机车可以看作是包含电力系统、机械系统和控制系统的复杂系统。为开发一个新的车型,需要各方面专家团队共同合作。电能需要转化为机械能,电力驱动系统需要满足机械部分空间的要求,这一部分被称作传动系,包括:电机转换器控制部分、异步电机、机械驱动系统(特指齿轮箱)、轮轨接触等。庞巴迪运输公司的苏伊士分部负责开发制造机车转向架驱动系统,在实践中逐步认识到驱动系统是一个整体,单纯改变其中某一个部分而不考虑其他部分是不行的。正因为如此,庞巴迪运输公司的苏伊士分部采用了将各个仿真软件的功能结合起来的方式,结果是使用不同的工具联合仿真来综合考虑整个系统的影响。因此,选择了ADAMS/Rail与MATLAB/Simulink的联合仿真功能。

为了使分析过程标准化,在ADAMS/Rail的建模模板中建立了一系列的转向架及驱动系统的模板,这样可以方便的组装成各种不同的结构型式,其中包括:构架、轴箱、发动机以及传动系,分别按照刚性或柔性来考虑。利用MATLAB/Simulink建立控制系统的模型。通过这种方式,可以考虑转向架及传动系统与控制系统之间的相互耦合作用,在满足牵引性能前提下修改悬挂参数以优化整个系统的性能。采用这种方式,能够在很短的时间内就完成多个工程项目的分析,满足客户的要求。“Commissioning of traction control could be finished in a short time with very good results to the satisfaction of our customer, even though the conditions were very difficult.” 牵引系统工程部的Peter Haese说。
(摘自: “Improving the design of locomotive bogies and drives using ADAMS” – presented by P. Haese, Bombardier Transportation, at MDI European Users Conference, Berchtesgaden, Germany, 15-Nov-01 )

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转向架的某阶振动模态,其中包含考虑柔性的构架、电机、传动系等

实例3 :

Trenitalia是意大利铁路运营商,其官方网站是:www.trenitalia.it。

UTMR (车辆技术部门)是Trenitalia组织的下属部门,要求在现有铁路车辆上安装一种防滑设备以便试验,对这种防滑设备在各种典型的制动工况下的性能比较感兴趣(类似于汽车上的ABS),并且进行了很多试验得到了大量相关的试验数据。UTMR与佛罗伦萨大学合作,利用ADAMS/Rail建立了包括这种防滑设备的转向架的细化模型,该模型利用了ADAMS/Controls与MATLAB/simulink联合仿真的功能,并采用了非线性的粘/滑特性曲线以精确模拟轮轨之间在制动时的接触情况。结果表明:仿真的数据是精确的,并且再现了实际试验中所表现的情况,即在制动过程中,由于施加了制动力矩,车轮会出现滑动现象,车轮的切线速度小于所需要的速度(兰色线)。当车轮的线速度低于预先定义的临界速度时,防滑设备开始工作,降低制动力矩,结果使车轮的线速度加大,再增加制动力矩以降低车速。利用此模型可以优化防滑设备中有关的参数设置。“The proposed model has a behaviour qualitatively and quantitatively analogous to the on line tests.” UTMR Trenitalia的经理P. Presciani说。(摘自:“Railway Wagon Model with Antislip Braking System” – presented by Guido Volterrani, University of Florence, at 16th ADAMS European Users Conference )

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上面三个图所示分别为Trenitalia试验用的盘式制动系统、MATLAB/Simulink控制系统框图和仿真过程中开始制动时车列以及前后四个轮对上的速度随时间变化曲线。

走行稳定性能和曲线、道岔通过性能的问题

随着列车运行速度的不断加快,对机车车辆的走行稳定性和曲线、道岔通过性能的要求也越来越高。机车车辆在铁道线路上运行,机车车辆是由若干零部件所组成的复杂的动力学系统,具有惯性、弹性、阻尼等许多动力学特性,而铁道线路上也存在各种不平顺的因素,如垂向不平顺、横向不平顺、轨距不平顺等等。因此需要分析机车车辆各种不同的悬挂参数以及车轮不同踏面形状对走行稳定性能的影响。通过ADAMS/Rail可以对车辆的走行稳定性能和曲线通过性能进行分析。ADAMS/Rail中提供进行车辆稳定性分析的专用工具,你可以直接指定车轮踏面的等效锥度,即可以得到相应的临界速度,如果你给定车轮踏面等效锥度的变化范围,ADAMS/Rail还可以给出车辆的临界速度与车轮踏面等效锥度的关系曲线,使用起来非常方便。同时利用ADAMS/Rail中提供的动力学分析工具可以定义各种不同的曲线、道岔线路以及轮轨接触特性,分析车辆的曲线、道岔通过性能。

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上图所示为车辆的临界速度与车轮踏面等效锥度的关系曲线的例子

下面是应用ADAMS/Rail进行车辆走行稳定性能和曲线、道岔通过性能分析的实例。

实例1:

SKODA HOLDING a.s.是一家由SKODA PLZEN相关的产品生产派生出来的新公司。SKODA HOLDING主要的股东目前是SKODA a.s., 它管理着SKODA部分资产,公司净资产大约为35亿CZK, SKODA HOLDING a.s.及其子公司拥有7300名雇员。

Skoda机车需要对不同的机车转向架的设计型式进行评估。特别是,他们需要评估以不同的方式悬置电机及齿轮传动箱对机车稳定性能及舒适性能的影响。SKODA HOLDING a.s.分析了两种不同的牵引电机体悬挂方式的影响,一种是牵引电机及传动系统全部采用体悬的方式,另一种是牵引电机体悬,而齿轮箱一边悬置在车体上,另一边悬置在构架上。

使用ADAMS/Rail建立了不同驱动系统不同悬挂方式转向架的细化模型并进行了各种工况下机车的稳定性和舒适性的分析计算,结果用于选择最为经济有效的方案。“Thanks to simulation it has been possible to choose the most cost-effective design for the locomotive bogies, by evaluating the behavior of all different variants.” Skoda机车的Vaclav Kraus说。(摘自:“Dynamic Analysis of High-Speed Electric Locomotive” – presented by Vaklav Kraus, Skoda Locomotive, at 16th ADAMS European Users Conference)

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上面图片所示分别为:Skoda的转向架总装图及车身上垂向加速度在不同的悬挂方式下随时间的变化曲线。

实例2:

Talgo车辆和设备公司经过多年国际化的扩张已经发展成为一个大的跨国公司,公司目前主要致力于开发满足不同国家铁道行业标准的Talgo产品和维修服务方面的技术革新,现在主要使用自己原有的技术进行车辆和铁道设备的设计、制造和维护上,并且为满足ISO 9000标准而努力。目前Talgo集团公司分布在西班牙、德国、美国和芬兰,并在其它国家和地区建有广泛的代表处和机构网络。(www.talgo.com)

在Talgo公司,MSC.ADAMS/Rail作为VPD技术工具贯穿在所有的产品开发的各个设计阶段。Talgo公司更为关心其产品的动力学性能,其制造的产品是一种自适应的摆式车身的高速车辆,其中包含复杂的转向架的设计(包括独立轮对技术、转向架上部的空气弹簧悬挂等)。利用MSC.ADAMS/Rail,Talgo公司完成了四节车厢编组的完整车列模型的仿真,通过ADAMS的各种分析功能对整车的模态、振型、稳定性、舒适性、脱轨安全性以及轮轨力的大小进行了分析。

在Talgo, 使用VPD技术的意义可以用客户的话来说明,“仿真减少了设计的费用,是表明我们技术实力的核心工具,并能有效的保证我们产品的竞争力。使用这一工具,可以很方便的处理设计中的问题,如舒适性及脱轨安全性等。另外,仿真可以让工程师和试验人员完成一些根本无法做的试验,或者可以更为更为经济有效的虚拟试验方式(这种方式无需更多的测试通道,相比传统的试验方式来说更方便也更经济)”Talgo公司走行部经理Emilio Garcia说。(摘自: “SIMULACIONES PARA EL ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DINÁMICO DEL TREN TALGO DE ALTA VELOCIDAD”, Talgo internal presentation)

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上图为Talgo公司的转向架及摆式车身的实物照片

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上图为ADAMS/Rail中Talgo的车进行曲线通过分析的动画,右侧曲线图为车身等通过曲线时摆动的角度随时间变化的曲线。

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上图为Talgo机车在通过不平顺的曲线轨道上时轮轨接触力的变化情况

实例3:

ALSTOM是欧洲一家铁道行业的公司,年销售额超过220亿欧元,在全球70个国家设有分支机构和办事处,雇员超过120,000。在铁路行业产品供应商中,ALSTOM公司是仅次于庞巴迪的铁路车辆制造商,提供铁道全线产品及服务,从集成的运输系统、各种类型的车辆到信号控制系统,以满足客户的需求。(www.Alstom.com )

在意大利都灵市城市轨道车交通系统的设计阶段,考虑到车辆乘坐的舒适性,车辆采用了较低的地板设计及独立轮对的自适应转向架技术,Alstom Ferroviaria决定采用VPD技术进行整车系统的动力学性能分析,以优化曲线通过性能、脱轨和倾覆安全性能。此分析的一个主要目标是要得到的精确的车轮的踏面外形,使得整车性能同时满足安全性和舒适性的要求。

分析车辆的动力学性能,考虑不同的车轮踏面形状,优化轮轨接触关系,目的是要减少轮轨的磨耗,降低该运输系统的维护费用,同时还要保证很高的安全性。由于有较低的地板和较高的重心位置,脱轨和倾覆问题成了考虑的重点。经过ADAMS/Rail软件的初步分析,发现轮轨的踏面形状应该加以考虑。事实上,经过分析表明:采用优化的没有过急轮缘的踏面外形可以将这种影响降至最低。ALSTOM的车辆现在解决了脱轨、倾覆等安全方面的问题后,曲线通过性能突出出来了,还要考虑转向时轮对的磨耗问题。下一步需要考虑的同样重要,就是要优化车辆的配置,需要考虑运营网络的特性(如线路等级、不平顺、曲线特性等),需要对车辆的重量、弹簧/阻尼等悬挂设备进行协调以满足整个产品寿命周期成本的要求。“The simulation produced results in agreement with all service conditions and the overall dynamic behavior. Derailment and rollover stability measurements have been matched with a maximum error of 3%.” Alstom IPS公司研发部经理Massimo Lenti说。(摘自:“Analysis of an independent wheels tram vehicle” – M. Lenti, Alstom IPS, at 16th European MDI Users Conference, 15-Nov-01 )

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上图为使用ADAMS/Rail对Alstom公司的车辆曲线通过的情况

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上图为Alstom公司为意大利都灵市设计的城市轨道交通系统用车辆的外形,右图为车辆曲线通过时车身所受到的侧向力及倾覆力矩的示意图。

实例4:

GE公司是铁道行业北美最大的制造商。目前,几千台GE的机车在超过75个国家的铁路上服务。其产品线包括:柴油机车,交流/直流传动或交流/交流传动的电力机车。(www.getransportation.com)

GE运输部门采用最新的技术和工具,用于机车的开发和设计,以满足客户对质量各种苛刻的需求。主要应用的方面有:新车的设计及可行性分析;径向转向架机车转向机构和零部件的分析。性能优化包括:稳定性和曲线通过性能;走行性能分析及改进;振动噪音分析;牵引制动动力学及粘着性能分析;部件设计的运动学及动力学分析;机车设计更改后性能预测;可靠性及安全性分析仿真。

在GE运输部门,需要研究采用不同的轮间距情况下机车的性能。这一需求来源于GE公司的机车要在不同的国家的铁轨上运行,而各个国家的铁道标准个不相同,其轨道的轨距是不同的,因此需要采用不同的轮距以适应这一要求。轨距影响机车运行的稳定性和曲线通过性能,因此使用ADAMS/Rail的仿真技术来校核轨距的改变仍然可以保证机车可以达到180km/h的运营速度,不管是在直线上还是在曲线上,也不管是否有轨道不平顺。通过ADAMS/Rail的仿真可以在进行实际的物理样机试制及进行各种物理试验之前进行验证。

在GE,ADAMS/Rail是进行机车动力学建模和分析的工具。在过去的几年内所进行的项目中,ADAMS/Rail的应用使GE的产品开发有以下几个特点:

快速性---缩短设计周期;
鲁棒性---更多设计工况;帮助从系统的角度理解机车的性能;
创新性---节省时间和费用,增加客户的满意程度。

“We have done a lot of wonderful work using ADAMS.” 控制和附件系统的Jingjun Zhang说。

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上图为GE所生产的机车

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上图为GE公司使用ADAMS/Rail对机车进行的仿真

乘坐舒适性能问题

随着市场竞争的深入,旅客在选择交通工具时,除了考虑价格、时间、方便与否等因素之外,还有一个重要因素,就是舒适性能。列车行驶过程中,来自于线路上的不平顺引起车厢的振动;车厢振动、空气流动、空调通风等引起噪音;还有车厢内温度、湿度等生活环境都是评价乘坐舒适性能要考虑的因素。通过优化悬挂参数,采用各种主动、半主动有源悬挂,可以明显的改善整车的振动性能;而通过在驾驶室、车厢的壁板、底板、车顶等上加装隔音/吸音材料,可以改善车厢内的噪音品质;另外通过分析车厢内温度场的分布情况,来研究热源的布置及温度的设置等等。使用ADAMS/Rail结合ADAMS/Flex、ADAMS/Controls等模块,可以进行车辆振动性能的分析;使用MSC Actran软件可以进行噪音方面的分析;而MSC CFDesign软件可以进行温度场、流场等方面的分析。车辆的乘坐舒适性能分析是一种综合性的分析过程,因为车厢的振动噪音不仅仅来源于轮轨的接触冲击,还有空调通风系统、室外噪音等,由此需要考虑整车的动力学性能之外,还要考虑车体的柔性、车厢内饰板等的影响。下图为进行车辆振动噪音性能分析的流程图。

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在此流程中,如果要考虑车体或构架的柔性影响,需要使用MSC Patran和MSC Nastran进行车体或构架的网格划分和模态分析,然后通过ADAMS的Flex模块读入ADAMS/Rail,进行整车系统的动力学分析,然后利用MSC Actran进行车厢内噪音的分析,这些过程是环环相扣的,即前面的结果是后续过程的输入条件。下面具体介绍几个这方面的应用实例。

实例1:

RTU(曼彻斯特城市大学的工程技术系的铁路技术部门)主要承担铁路上相关业务的研究和咨询的任务。(www.railtechnologyunit.com)

RTU要对英国的某典型货车的走行性能进行仿真。在英国铁路上运行的所有货车必须通过标准为RGS(铁道组织标准)GM/RT2141的试验才能在路网上运营。评判标准是依据在指定线路上运行时货车车身上的加速度情况确定的。RTU使用ADAMS/Rail建立了该典型车辆的动力学模型,其中包括摩擦单元,并预先在ADAMS/Rail中准备特定的仿真轨道线路,该线路的相关数据是由轨检车记录下来并作为仿真模型分析的输入。利用ADAMS/Rail的分析功能,分析在按照不同的速度下通过在指定线路上车身上测试点加速度的情况,并利用ADAMS/Rail的后处理模块自动进行加速度循环周期情况的累计。“With ADAMS/Rail, the effects of modifications to the vehicle can be evaluated before the actual test procedure is carried out.” 曼彻斯特城市大学的RTU 的Yann Bezin说。(摘自:“Simulation of the UK freight vehicle acceptance procedure” – Yann Bezin, RTU - MMU, ADAMS/Rail Newsletter # 6. )

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上图所示为RTU所建立的ADAMS/Rail模型

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上图所示为各种不同通过速度情况下加速度的循环周期累计曲线。曲线中横坐标为车身上的加速度值(单位:g),纵坐标为加速度分布情况,红色线为可以接受的曲线,其它颜色线为不同通过速度情况下加速度的循环周期累计曲线,由此可见只有50km/h和65km/h两种情况可以接受,而80km/h和95km/h两种情况超标。

实例2:

ISOCOMP是一家意大利的公司,其业务是为高速铁道运输行业提供的高性能设备的设计、制造及产品支持中具有独创性的解决方案,包括机械、液压方面的技术。其战略目标是在工程项目管理、系统集成、装配和测试及相关方面取得行业领导地位。(www.isocomp.it)

ISOCOMP公司的工程部需要分析要装车的某种横向主动悬挂装置与其客户的车辆的匹配情况如何。这种横向主动悬挂装置是电动控制的,可以根据车辆性能的要求以及设备反馈给司机的信号调整横向悬挂的阻尼性能,目的是在车身和转向架之间相对运动的相反方向提供横向力,其大小是其相对运动速度的函数。要求ALS(横向主动悬挂装置)能够改变横向力/速度的关系以保证高速车在整个速度范围内都具有很好的走行性能。利用MSC公司ADAMS/Rail和ADAMS/controls模块建立包含控制系统在内的车辆动力学模型。分析结果表明:能够仿真ALS对车辆的舒适性能的影响,通过优化达到以下目标:

• 提高舒适性(30-50%,与轨道和车辆有关)
• 减少车身上的横向加速度
• 可以向客户演示使用的好处。

(摘自:“Comfort and Safety in Railway Engineering: Cardanshaft Driveline redesign for Railway Vehicles (Application of Composite materials), Active Lateral Suspension for High Speed. Railway Vehicles (Development of Controlled Devices), Integrated device for High Speed Railway Vehicles (Development of Antiderailment and Monitoring device)”, Massimo Lenti, Technical Director, ISOCOMP, Italy: EMEA VPD 2004 conference)

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上面三个图片所示分别为:ISOCOMP试验用的转向架模型(包含转向架和横向主动悬挂装置)、ASL装置实物验证试验及MATLAB/Simulink下建立的控制系统框图

实例3:

ALSTOM是欧洲一家铁道行业的公司,年销售额超过220亿欧元,在全球70个国家设有分支机构和办事处,雇员超过120,000。在铁路行业产品供应商中,ALSTOM公司是仅次于庞巴迪的铁路车辆制造商,提供铁道全线产品及服务,从集成的运输系统、各种类型的车辆到信号控制系统,以满足客户的需求。(www.Alstom.com )

今天的乘客对舒适性的要求越来越高,包括振动、噪音及温度等各方面。在铁道行业,最近所做的研究表明乘坐舒适性方面出现了一种新的趋势,即改变现代铁道车辆的结构达到提高舒适性的目的。从减重角度出发,可以减少安装维护的成本并减少能源材料的消耗,这使得ALSTOM为新的德-法A TER X 73500型客车车身选用轻质铝材,同时从视觉角度出发,加大了车窗。这种变化导致车身结构刚度的大大减低,不能用传统的方法来研究整车的舒适性能。由于车身结构上与悬挂装置相比有更高的振动频率,因此需要研究车身和转向架的运动在各种典型操作工况下的振动耦合问题,否则会引起较大的共振出现。

ALSTOM使用ADAMS/Rail建立了多刚体转向架和柔性车身的模型。此项研究的目的是要研究各种悬挂参数的影响,比如驱动装置的悬挂刚度、车身刚度、减振器的位置以及车辆运营速度对车身一阶弯曲模态的敏感性,因为车身的一阶弯曲振动模态的振动频率非常接近转向架悬挂装置引起的系统的振动频率。为达到这一目的,利用ADAMS/Insight对模型进行了一系列的变参数、变水平的DOE试验研究,这种分析使得工程师可以在进行物理样机试验之前进行大量的虚拟试验,并找到优化的参数以限制结构的振动,可以提高舒适性能。“A complete DOE analysis enabled the engineers to test the dynamic behaviour of the complete system and to find out the optimal parameter settings which restricts the vibration of the construction and therefore optimises the comfort behaviour.”Alstom公司走行部经理Pascal Geoffroy说。
(摘自:“Comfort Analysis of the TER X 73500 (Autorail) with ADAMS/Rail” – presented by F. Dortona & P. Geoffroy, Alstom DDF, at 4th ADAMS/Rail Users Conference, Utrecht, NL, 29-Apr-99)

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上图所示为Alstom所设计的TER X 73500车身的CAD图和所做的整车的振动分析

实例4:

CRF公司成立于1976年,后来成为Fiat S.p.A的子公司。生产制造复杂的仪器、设备及控制产品,为意大利一家很有名的私人研究机构。CRF对于FIAT集团产品的竞争力做出了巨大的贡献,属于中小型企业。FIAT CRF采用数字仿真技术优化产品及流程、提供开发能力,进行产品成本控制及全球资源共享。(www.crf.it)

CRF(Fiat的研究中心)需要研究由Fiat Ferroviaria开发的一种新的半主动横向悬挂摆式车身机构对提高车速(超过150Km/h)及通过曲线时的横向舒适性的影响。新车加装了三个不同的控制系统:车身摆动控制系统、hold-off 设备(HOD)和主动/半主动横向悬挂(ALS)控制系统,需要对在运动情况下这些控制系统的相互关系进行深入研究。

CRF采用数值分析方法进行的研究是通过VPD集成环境完成的,一种基于MATLAB的控制系统设计工具和强有力的机构运动学动力学仿真软件ADAMS联合仿真的方式,研究理想的主动和半主动横向悬挂系统的性能。CRF对连续的或离散的半主动悬挂系统进行了仿真,并与被动的和理想的主动悬挂系统进行了比较。利用VPD技术仿真计算了安装了被动的、主动的和半主动的三种横向悬挂装置的车辆系统在通过不平顺直线轨道情况下车身上三个不同的位置(前部、中部和后部)的横向加速度的均方根值,通过分析得到了如下结果:

采用理想的横向主动悬挂系统(没有时间延时)横向振动性能大约提高了50%,而采用理想的半主动横向悬挂系统(没有时间延时)大约提高了37%,因而采用这些系统,可以使整车的舒适性能也得到提高。“Tilting system modifications investigated with the integrated virtual prototype enabled us to reach reduction of nearly 50% of the lateral ride figures.”车辆工程项目经理Mauro Montiglio说。目前这种半主动悬挂系统的阻尼性能引起了欧洲铁路各大制造商特别的注意,并在继续进行开发研制之中。(摘自:“Development of a Semi-Active Lateral Suspension for a New Tilting Train” – presented by M. Montiglio & A. Stefanini, Fiat CRF, at 4th ADAMS/Rail Users Conference, Utrecht, NL, 29-Apr-99 )

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上图所示为CRF利用ADAMS/Rail建立的机车动力学分析模型

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上图所示为安装不同的横向悬挂装置的车辆在通过曲线时车身前部、中部和后部加速度随时间变化的情况。

实例5:

Talgo车辆和设备公司经过多年国际化的扩张已经发展成为一个大的跨国公司,公司目前主要致力于开发满足不同国家铁道行业标准的Talgo产品和维修服务方面的技术革新,现在主要使用自己原有的技术进行车辆和铁道设备的设计、制造和维护上,并且为满足ISO 9000标准而努力。目前Talgo集团公司分布在西班牙、德国、美国和芬兰,并在其它国家和地区建有广泛的代表处和机构网络。(www.talgo.com)

Talgo公司某拳头产品是Talgo制造的用于变轨距的高速自适应摆式车身设备,这种设备可以使Talgo的车辆在不同型式的轨道上运行,因此可以满足在不同轨距的轨道上运营国际列车的需要(比如法国和西班牙)。在开发Talgo轨道检测系统中,需要四辆车编组,并需要验证是否满足UIC518标准(用于从动力学性能、安全性能、轨道疲劳等方面进行铁道车辆试验和评估的标准)。由于要在1668mm和1435mm两种轨距上运营,因此需要研究这种车辆是否满足UIC518标准的要求。

Talgo公司使用ADAMS/Rail仿真工具进行研究,并主要关注第一节车的运动情况,第一节车为拖车,并安装了独立轮对和轨距自动改变系统。完整的Talgo轨检车,由拖车转向架、典型的带有自适应摆式系统的Talgo转向架以及导向系统组成,此模型使用ADAMS/Rail的模板建立。动力学仿真主要考虑与舒适性和安全性有关的数据,包括在通过曲线时车身的倾摆角度、车身上横向和垂向的加速度、轮轨接触力以及导向系统工作情况。通过仿真可以准确预测轮轨间垂向力和横向力的大小,并由此计算脱轨安全性的各项指标,这是UIC518标准所要求的,因此可以预测车辆的动力学性能是否满足UIC518标准。同时可以通过ADAMS软件进行详细的分析模拟导向系统的性能的影响。“The results achieved have been coherent regarding tilting in curves, accelerations on car bodies, contact forces, and guidance system.”Talgo走行部经理Emilio Garcia说。(摘自:“Dynamic Simulations Of Talgo Track-Inspection Trainset” – presented by E. Garcia & J. Chiva, Patentes Talgo, at MDI European Users Conference, Berchtesgaden, Germany, 15-Nov-01)

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上图为Talgo公司车辆的照片图

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上图为Talgo公司利用ADAMS/Rail所做的整车动力学分析模型

实例6:车厢内噪音分析的例子

噪音的高低是评价车辆舒适性能的一个重要指标。减小车厢内噪音的一个有效的办法就是在车厢的底板、顶板以及壁板上安装隔音或吸音材料,即加装嵌板,但如何加装嵌板加装几层嵌板是Alstom公司需要解决的问题,这就需要对车厢内声波的传播情况以及噪音分布进行研究。MSC.Actran 可以提供铁道行业噪音问题最佳的解决方案。使用MSC.Actran可以建立嵌板(实际上是多层嵌板)的模型,考虑车辆内部包括地面、顶棚、壁板的吸音作用,模拟内噪音(声源在车厢内部的情形)和外噪声(声源在车厢外部的情形,这种情形是由于高速火车通过大气层引起气流的湍流运动引起的)的声波传播情况。此技术同样可以用于汽车和飞机行业噪音的研究。分析的结果就是距离噪音源若干米之外的气压情况。分析表明,采用VPD技术可以研究多层嵌板的使用对噪音在开放空间的衰减的影响情况进行分析仿真。(摘自: FFT project made for Alstom in 1999-2000.)

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上图所示为Alstom进行噪音分析的车厢内部的照片和大气压力随频率变化的曲线

上面的两条曲线表明310HZ以上频率的噪音可以从噪声源传播到10M远的地方,而下面的两条曲线表明在噪声源附近和距离噪声源5.9M远处在嵌板后面得到的大气压力情况。从中可以看出嵌板对噪音传播的影响,进而可以研究嵌板的层数以及如何布置嵌板。

疲劳耐久性能的问题

疲劳性能分析,也称为疲劳耐久性分析,一直是铁路行业关心的一个大问题。由于产品疲劳引起断裂而导致的事故造成了巨大的人员和财产上的损失,受到业界日益广泛深入的重视,产品的疲劳耐久性、可靠性越来越成为产品性能的一个重要指标,甚至成为企业在竞争中成败的重要因素。在铁路行业,疲劳问题由来已久,涉及面非常广泛,包括机车车辆零部件的疲劳,铁路轨道、桥梁、受电弓/网系统的疲劳等等。解决铁路产品的疲劳问题比较棘手,因为产品实际应用中引起疲劳破坏的因素很多,实际承受的载荷工况的变化非常大,数据采集也非常困难,进行疲劳强度计算时如何定义载荷数据常常是无从下手;另外许多材料的疲劳特性数据也非常匮乏,需要大量基础性的试验研究。MSC公司的VPD技术可以提供有关产品疲劳耐久性能方向的解决方案。下图为进行产品疲劳耐久性能分析的流程图。

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在此仿真流程中,首先需要使用MSC Patran和MSC Nastran进行车体、构架或其它零部件的网格划分和模态分析,然后通过ADAMS的Flex模块读入ADAMS/Rail,建立整车模型,进行在各种典型工况下整车系统的动力学分析,然后将各部件动力学分析的结果传到MSC Fatigue中作为载荷边界条件进行各部件的疲劳强度的分析。这些过程是环环相扣的,即前面的结果是后续过程的输入条件。下面具体介绍几个这方面的应用实例。

实例1:

Socofer公司是一家上个世纪初成立的法国公司。其总部办公室和制造工厂位于法国的Tours,距离巴黎东南145英里,有100名工人。Socofer公司1999年的营业额为1.15千万美元,其中70%为出口。公司的目标是年营业额达到2.2千万美元,成为欧洲铁路设备的领导者。(www.socofer.fr)
Socofer公司为用户生产罐车,其需要解决的最大问题是产品的疲劳问题及裂缝扩展。材质上的疲劳破坏是由机械系统的激励(轮轨接触力通过悬挂装置传递到车罐上)和车罐内液体的流动(注油过程引起的压力增加/减少)引起的,因此需要加强车罐的结构强度以减少维护的成本。通过使用MSC.Software的有限元产品,Socofer能够发现并加强油箱中的薄弱环节。

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上图所示为Socofer公司使用MSC.Patran和MSC.Nastran进行罐车底盘和车罐的强度分析,
图中显示的为合成应力的分布情况。

实例2:

DB( Deutsche Bahn )是欧洲铁路主要的运营商之一,主要经营铁路客运和货运业务。DB从欧洲铁路制造商那里购买了高速列车(ICE和TGV)并在欧洲的铁路网上运行。

对于DB而言,其面临的主要的问题在于铁路路网的维护上,因此需要研究轮轨接触力、磨耗情况预测及桥梁安全检测。地处Deutsche Bahn AG 路网上的铁路桥是过去仅仅依据静载荷条件设计的,但实际上,铁路桥的刚度、变形大小还与铁路桥梁的跨度、结构质量、刚度/阻尼以及通过列车的轴重和通过速度有关。对于高速列车而言,由于可能存在车、桥的耦合谐振现象,因此进行动力学分析是非常必要的。例如,在巴黎到里昂之间的线路上引进了TGV之后,一些跨度较短的铁路桥梁上出现了裂缝和混凝土破碎的现象,另外由于大的加速度还引起路基的剧烈磨损并引起轨道的不平顺加剧的情况。如果出现了谐振现象,会出现桥梁振动超标、轮轨接触脱离、轨道路基不稳等现象,而且桥梁结构上的应力会超过许用应力的范围。

由于这个原因,DB AG决定与MSC公司合作开发一套用户化的ADAMS/Rail的建模、仿制及后处理环境,以进行用户化的车俩在用户自己定义的桥梁上运行状况的仿真,此用户化的环境可以进行三维的车辆模型与三维桥梁结构耦合情况的分析模拟。通过ADAMS模态应力恢复(MSR)的方法,可以将动力学分析的结果用来计算桥梁上各种动态的应力应变值。通过模态应力恢复(MSR)的有限元结果,结合模态振型及ADAMS中的模态参与因子,可以得到柔性结构中应力应变与时间历程的关系曲线。通过与在实际的ICE跑车试验数据对比,发现结果吻合良好。这种验证过程可以用于其他的车辆和桥梁,而无需再进行实际的试验。“A high flexibility in modeling different types of vehicles has been reached by taking advantage of the template-builder structure… to build up different ICE assemblies by referencing simply to an ICE bogie and an ICE car body template.” DB AG 的 Manfred Zacher这样描述他的应用感受。(摘自:“Dynamics of a Train over a Flexible Bridge” – presented by M. Zacher, Deutsche Bahn AG, at MDI European Users Conference, Rome, Italy, 15-Nov-00 )

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上图为ICE机车通过铁路桥梁的照片

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左边为DB AG 使用ADAMS/Rail进行车辆通过桥梁时的耦合情况分析;
右边为桥梁中部的测试点的动应力变化情况。

实例3:

RTU(曼彻斯特城市大学的工程技术系的铁路技术部门)主要承担铁路上相关业务的研究和咨询的任务。(www.railtechnologyunit.com)

RTU从曼彻斯特城市大学接到了轮轨滚动接触疲劳的研究项目。它采用了仿真逼近的方法来研究滚动接触疲劳(RCF)现象产生的机理以及系统中轨道的行为。该项目的目的是:开发并校正轮轨滚动接触疲劳模型,用于评估磨耗情况与铁路运量、轨道结构设计、轨道结构配置等的影响,重点是轮轨接触疲劳的研究。

RTU所建立的仿真环境包括一系列商业软件包开发的用于分析的独立模型。每个模型对应铁路轨道系统中的某一部分模型,其整个分析过程的结构是将前面模型的分析结果导出,然后用于其他模型更详细的分析。具体的模型如下:

1. 使用ADAMS/Rail建立MMU车辆动力学模型
2. 使用ABAQUS建立RTU全轨道模型
3. 使用ABAQUS建立RTU接触应力模型
4. 使用ABAQUS建立RTU轨枕和部件模型
5. 使用VB程序自己开发建立的疲劳分析模型

通过ADAMS/Rail动力学分析的载荷结果,与实测的结果吻合。结果可以用于其它模型,包括全模型和接触应力模型的分析中。“The forces predicted from the vehicle dynamic modelling using Adams/Rail are in broad agreement with measured data from on site instrumentation. The predicted forces can then be used with confidence in both the global track and contact stress models.”RTU的Stephen Blair说。(摘自:“Development of a Method to Predict Stresses in Rails Using ADAMS/Rail and ABAQUS” – Yann Bezin, RTU。)

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上图:RTU使用ADAMS/Rail建立的铁道车辆系统模型。

实例4:Spoornet是南非最大的铁路公司( www.transnet.za)。

Spoornet公司需要预测受电网系统预紧张力以及主要车型上受电弓的预载荷,以使二者之间的接触力降至最小并优化受电网系统的张紧力大小。

利用MSC MARC独特的线线接触功能进行仿真。受电网是用柔性单元模拟的,但此模型中存在局限性,即将车辆只按照刚体模型考虑的并且未考虑轮轨接触的影响。在Spoornet公司,ADAMS/Rail得到了广泛的使用,并且计划将ADAMS/Rail和MSC MARC联合起来使用,以便得到考虑车辆动力学系统影响的更为精确结果。通过分析,优化了张紧力,并减少了弓网之间的作用力,从而减少了受电网的损耗。详细情况请与MSC公司联系。

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上图所示为Spoornet公司使用MSC.Marc进行的受电弓/网仿真的模型。

实例4:转向架构架的疲劳性能分析

铁道部门对铁路五次大提速后,在铁道线路和运营车辆上先后暴露出来一些问题,其中机车转向架构架的疲劳断裂问题引起了极大的关注,因为构架为车辆走行部系统中的重要部件,其运营安全与否直接关系到车辆的运行安全性,鉴于此,国内某铁道机车厂需要对其生产的转向架构架的疲劳性能进行分析以保证车辆的运行安全性能。下面为使用MSC公司的疲劳解决方案进行构架疲劳性能分析的过程,仅供参考。
要对构架进行疲劳方面的分析,一方面需要知道构架在使用过程中的应力水平、应力集中的区域,尤其是焊缝焊点附近的应力水平,另一方面还需要知道该零件材质(包括焊点焊缝)的疲劳特性曲线,即S – N曲线或E – N曲线。前者可以在构架上打磨贴片通过在试验室台架试验或实际线路上跑车测试的方式得到,也可以通过成熟的CAE软件分析的方式得到,像现在国际上通用的CAE软件MSC Nastran等,采用CAE软件进行分析已经属于比较成熟的技术,只要正确的定义其边界条件,就可以得到准确的应力应变;同时结合系统动力学分析仿真软件MSC ADAMS,可以得到构架在实际线路上运营时的应力-时间历程。后者一般可以参考类似材料的疲劳数据,当然最好是直接对材料进行疲劳试验的方式得到,但成本较大。有了这两个数据,就可以利用疲劳分析的软件MSC Fatigue进行疲劳寿命的分析预测了。下面为具体使用MSC公司的VPD技术进行构架疲劳分析的过程。

首先使用MSC Patran将构架的CAD几何外形文件导入,然后定义节点,划分网格,包括定义焊缝焊点单元,定义构架的材料,然后提交MSC NASTRAN进行构架的模态分析,生成MSC ADAMS所需要的MNF文件,即模态中性文件。下图为MSC Patran进行构架有限元分析的模型。

MSC Nastran生成MNF文件后,可以启动MSC ADAMS软件的铁道专用模块MSC ADAMS/Rail,建立包含该弹性构架在内的转向架模板,然后组装成子系统、系统,再定义典型的铁道线路和轮轨接触关系,进行车辆在线路上的动力学分析。MSC ADAMS/Rail所生成的模型见下图。

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通过MSC ADAMS/Durability可以将构架运动过程所受载荷随时间变化的过程输出到MSC Fatigue中进行疲劳情况的分析,下图为MSC Fatigue分析的结果,图中红色的区域为疲劳寿命较低的部位。

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冲击/安全性能的问题

交通安全是铁道运营部门最为关心的问题。影响铁道交通安全的主要因素很多,包括人、列车、铁道线路和交通环境条件等。人的因素影响,是指交通直接参与者的性格、体力上的弱点、经验不足或状态不良等。铁道线路因素的影响,是指铁道线路的走向、线路的状况、交通信号的布置和清晰度等。铁道车辆本身因素的影响,包括车辆结构、行驶安全性和技术状况等。环境条件因素的影响,包括对人的精神状态影响(疲劳、反应能力),对道路因素的影响(雨、雪、风、雾)以及对汽车的物理影响(道路附着条件、转向特性等)。此处我们主要关注车辆的影响因素。

铁道交通车辆安全性一般可以分为主动安全性、被动安全性、事故后安全性和生态安全性。其中事故后安全性,是指发生铁路交通安全事故后能否迅速消除事故后果,并避免新的事故发生(不是我们此处要讨论的)。生态安全性是指铁道车辆行驶过程中对周围环境产生的噪声和电磁波的影响(也不是我们此处要讨论的)。铁道车辆的主动安全性,是指铁道车辆本身防止或减少铁路交通事故发生的性能,主要取决于铁道车辆的总体尺寸、牵引制动性、行驶稳定性以及驾驶员工作条件(操作元件人机特性、座椅舒适性、噪声、温度和通风等)。这部分我们在前面章节中已经作了很多介绍,此处我们主要介绍一下铁道车辆的被动安全性。

铁道车辆的被动安全性,是指发生铁道交通事故后,铁道车辆本身能够减轻乘坐人员伤害和货物损失的能力。铁道车辆的被动安全性又可分为铁道车辆内部被动安全性(减轻车内乘员受伤和货物受损)以及外部被动安全性(减轻对事故所涉及的其它人员和车辆的损失),最终目的是要将铁道交通事故造成的损失降至最低。为此,人们常从铁道车辆被动安全部件方面考虑,如车身结构、座椅及内饰件等方面考虑,从能够减轻乘员伤害的各个部件着手,以得到最佳的乘员保护效果。下图所示为MSC公司的VPD技术对于铁道交通车辆冲击/安全性能分析提供的解决方案和分析流程。由于铁道交通系统是一套复杂的车-轨动力学系统,在进行冲击/安全性能分析时除了要考虑车身等的变形之外,还要进行系统的动力学分析。对于这种大型复杂碰撞问题,在利用计算机辅助设计工具时,分析软件必须具备的功能有:

(1) 列车物理材料(金属、玻璃、座椅织物、复合材料等)的合理描述
(2) 车体间复杂接触和车体部件间的焊接、紧固等复杂装配方式的描述
(3) 车体结构大变形和破坏过程的描述
(4) 多种类型的假人模型
(5) 针对大型数值问题的求解能力

MSC Dytran/LS-DYNA所具备的分析手段和分析能力完全能满足如上功能需求,因而在世界范围内广泛应用于铁道车辆的防撞特性及乘员安全性分析。

通常列车由多节车体构成,其分析模型较一般模型问题来说大得多。因而这种分析由三个典型的过程完成:

第一步:进行单节车辆的详细结构碰撞分析,获取车辆在不同状态下的诸如“力一变形”曲线以及“力一能量”曲线等碰撞响应特性。

第二步:分析整个列车的碰撞动力特性。由于列车的车辆数量较多,各车辆应进行适当简化,简化后的车辆应具有与第一步单车分析结果类似的碰撞响应特性。这步分析可以确定诸如各车碰撞区的乘用空间的变化、各车加速度响应历程等。

第三步:乘员响应分析。本步的分析模型主要含LS-DYNA内置的假人模型、座椅详细结构等,其载荷为第二步分析中获得的加速度响应曲线,从乘员的二次碰撞分析结果获得详细的伤害状况。

这样循序渐进的三个分析步骤,可以有效地获取相关参数,为优化车辆防撞结构,优化乘员环境提供有益的数据。下面介绍一些相关的应用实例。

实例1:

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上图所示为单辆铁道车辆以60mile/h的速度碰撞到一个90吨重的可移动的刚性物体上时,整车结构以及内部主要框架的动态变形响应。

实例 2:下图所示为美国Poulter实验室受美国联邦铁道管理委员会(FRA)委托,利用MSC Dytran进行的高速列车防撞特性及乘员安全性结果。

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实例3:美国联邦铁路协会的硅谷办公室从事着设备安全性研究工作,这是Volpe中心的子合同,下图为FRRA使用LS-Dyna进行铁路车辆碰撞的研究及与实物碰撞试验进行对比的情况。

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实例4:华沙大学,基于在整车上的MSC.ADAMS/Rail详细的缓冲器模型,进行缓冲器冲击过程仿真,保证了缓冲器的安全性能。

下图为华沙大学所建立的缓冲器模型的动力学分析及缓冲器实物照片。

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产品制造商间的协作

现代铁道产品的生产、加工、制造、组装、运输及使用过程是一个复杂大系统,现代企业的活动都是围绕着产品全生命周期动态有序进行的,而且所扮演的角色各不相同,总体来说,现代企业可以分为四个层次,即:

(1) 运营部门:为各个国家、地区的铁路运营商,如DB(德国)、Trenitalia(意大利)、Loric(中国)、RDSO(印度),JR(日本)等等,他们既是铁道产品的最终用户,也是铁道产品的最终的管理、维护部门。

(2) 总装厂:一般为整车总装厂,国外的有Bombardier,Alstom,Siemens,Talgo,Rotem (Korea)等,国内比较大的有:株电厂、大同厂、长客厂、四方厂等等。

(3) 供应商:生产铁路零部件产品,如Voith Turbo(传动系统), Phoenix,ZF (阻尼器)等。

(4) 研究院所、高校、咨询中心:主要从事铁路产品的开发研究、性能测试以及咨询服务等方面的业务,也有可能直接提供一些小的零部件产品,如Nedtrain Consulting、RTU、KRRI、铁科院等。

企业的定位、分工越来越细,企业之间既是相互竞争也是相互合作的关系,他们需要统一的仿真分析平台,能够实现CAD/CAE/CAPP/CAM/PLM不同的软件之间数据共享和传递。MSC公司的VPD技术可以满足他们的需求。下面介绍相关的应用实例。

实例1 :

CRF(Fiat的研究中心)需要研究由Fiat Ferroviaria开发的一种新的半主动横向悬挂摆式车身机构对提高车速(超过150Km/h)及通过曲线时的横向舒适性的影响。新车加装了三个不同的控制系统:车身摆动控制系统、hold-off 设备(HOD)和主动/半主动横向悬挂(ALS)控制系统,需要对在运动情况下这些控制系统的相互关系进行深入研究。

CRF采用数值分析方法进行的研究是通过VPD集成环境完成的,一种基于MATLAB的控制系统设计工具和强有力的机构运动学动力学仿真软件ADAMS联合仿真的方式,研究理想的主动和半主动横向悬挂系统的性能。CRF对连续的或离散的半主动悬挂系统进行了仿真,并与被动的和理想的主动悬挂系统进行了比较。利用VPD技术仿真计算了安装了被动的、主动的和半主动的三种横向悬挂装置的车辆系统在通过不平顺直线轨道情况下车身上三个不同的位置(前部、中部和后部)的横向加速度的均方根值,通过分析得到了如下结果:

采用理想的横向主动悬挂系统(没有时间延时)横向振动性能大约提高了50%,而采用理想的半主动横向悬挂系统(没有时间延时)大约提高了37%,因而采用这些系统,可以使整车的舒适性能也得到提高。“Tilting system modifications investigated with the integrated virtual prototype enabled us to reach reduction of nearly 50% of the lateral ride figures.”车辆工程项目经理Mauro Montiglio说。目前这种半主动悬挂系统的阻尼性能引起了欧洲铁路各大制造商特别的注意,并在继续进行开发研制之中。(摘自:“Development of a Semi-Active Lateral Suspension for a New Tilting Train” – presented by M. Montiglio & A. Stefanini, Fiat CRF, at 4th ADAMS/Rail Users Conference, Utrecht, NL, 29-Apr-99 )

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实例2:GE公司的新造机车转向架上需要配备另外一种型号的发动机,这种发动机有着不同的载荷力矩和转动惯量。从传动性能的角度来看,需要进行分析以确认是否可以使用原有的传动系统。此项研究的目的是研究现有的传动系统是否可与新的发动机匹配。为达到这一目的,结合已有的使用经验,通过MSC Easy5建立了传动系统的模型,分析验证了柴油发动机车的传动系统的性能,并使其传动性能更加可靠稳定,减少了试验成本。(摘自:“Alternator Based Cranker Modeling for Diesel Engine Locomotives Using MSC.EASY5”, F. Mak and S. Jalil, GE Transportation Systems, Erie, PA, October 13-15, 2003, NA VPD 2003 conference)

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上图所示为新旧发动机牵引特性比较。从图中可见,新发动机的峰值输出扭矩几乎是工作扭矩的2.5倍,这意味着同样的牵引条件下,新发动机的工作转速可以比旧发动机低10-15%。

力学性能分析问题

铁道车辆的结构设计、运行环境复杂多变,所以要求用可靠的软件来计算在复杂载荷条件下结构的静、动力响应,损伤破坏和系统的寿命。要达到这一要求,分析软件不但必须具有一般的静动强度分析功能和结构动力学分析功能,而且还应具有解决复杂的热传导、计算流体动力学的能力,并且在非线性静力/动力、断裂破坏、各种非线性材料包括复合材料、各种复杂的复合高度非线性问题的求解方面都应具有良好的解决方案。由于铁道车辆的运行环境十分复杂,设计软件还要求能够模拟复杂的载荷和边界条件。另外,分析软件还应该既具有很强的数值运算能力和高效的求解技术,还应该具有快速生成网格的技术、方便的前后处理技术以及良好的开放性特征。

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