计算机辅助工程技术研究

1轨道交通车辆设计中的计算机辅助工程技术的概述

计算机辅助工程技术，即CAE技术的提出将产品当中的各个环节进行了有机的组织，将有关的信息集成并使其产生、存在于产品的整个生命周期当中，是一个包括了相关人员、经营管理、技术、信息流、物流等方面的有机集成与优化运行的复杂系统。轨道交通车辆设计的传统设计理念是构思、绘制草图、方案比较、设计计算、确定工程图、加工制造并以实物样机作为最终的结果，在这个过程当中耗费了大量的时间与成本，并且要想达到产品定型的生产阶段通常需要经过多次的反复。CAE在三维实体建模的基础上根据实际使用条件来对产品进行仿真与结构分析，根据性能需求来进行设计与综合评判，有助于从多个设计方案当中选择出最优的方案，实现产品从设计阶段开始便能不断地完善设计概念。目前城市轨道交通车辆设计当中常用的CAE软件主要包括ANSYS软件、ADAMS软件等。其中，ANSYS是由美国ANSYS公司开发的可以同多数CAD软件接口来实现数据共享与交换的软件，其模块主要包括：提供了强大实体建模与网格划分工具的前处理模块；包含了结构分析和流体动力学、声场、电磁场等分析并且能够模拟多种物理介质间相互作用的分析计算模块；将计算结果以彩色等值线、矢量、立体切片等图形方式显示出来或用图表、曲线形式来显示与输出计算结果的后处理模块。ADAMS软件是由美国MDI公司所开发的机械系统动力学仿真分析软件，它使用交互式图形环境、零件库、约束库和力库来创建出完全参数化的机械系统几何模型，可以用来预测机械系统的性能、碰撞检测、运动范围等，并且可以对有限元的输入荷载进行计算。除此之外，还有I-DEASMasterSeries分析软件、MRAC有限元分析软件、ABAQUS非线性有限元分析软件等。

2轨道交通车辆设计中计算机辅助工程技术的应用

1）车辆结构强度的设计。轨道交通车辆的结构强度是确保车辆可靠性、安全性的一个重要指标，应当在采用先进试验方法鉴定车辆承载零部件强度的同时，借助先进的计算方法来实现车辆强度的理论分析。车辆结构强度的分析包括保障车体与转向架及各个零部件结构安全的结构静强度分析、确保运动车辆的动强度与动刚度的结构动强度分析、给预测构件疲劳寿命和结构轻量化设计提供重要条件的疲劳强度分析。例如可采用I-DEASMasterSeries分析软件创建钩舌模型来对钩舌的静强度做出有限元的分析计算。

2）车辆碰撞安全性的设计。车辆的碰撞过程当中伴随着大变形，在对车辆碰撞的安全性进行分析时应当综合考虑车辆材料以及其同自身、其他物体之间发生的接触，这就使得车辆的耐撞性成为了一个高度非线性的问题。对于车辆大变形碰撞的研究方法包括实物试验、理论研究、数值仿真。其中理论研究可以抓住问题的本质，给实物试验、数值仿真与建模带来方向性的建议与指导。由于列车的碰撞安全性试验的耗资巨大且破坏性强，目前世界范围内仅美国对实车碰撞试验进行了开展，在这种背景下，利用CAE技术的计算机仿真给车辆碰撞的安全性分析提供了主要的研究方法。车辆碰撞的安全性分析主要包括对车辆碰撞过程当中的车体和转向架等相关部件的变形、动态响应的有限元方法研究；对人体在不同的碰撞条件下的响应的研究，并有效地评估乘员在碰撞过程当中所受到的伤害；模拟车辆的碰撞全过程，并评价设计的安全性。

3）制动的设计。城市轨道交通车辆的制动系统主要包括气制动系统、电制动系统这两种，以电制动为主要制定控制原则并在制动力不足的情况下来补充气制动。电制动系统分为电阻制动、再生制动，气制动依据基础制动元件的不同分成盘式制动、踏面制动。通常速度＜100km/h的车辆可采用踏面制动，而速度≥100km/h的车辆可选用盘式制动。在制动分析当中包含了基础制动参数的优化、制动过程的动态仿真、制动粘着的分析、制动距离与时间的计算、制动阀的动态仿真等等。

4）车辆动力学的设计。车辆动力学研究的是在高速运行时的位移和加速度等各种运用情况下车辆及其主要零部件所产生的动力作用，主要为了对车辆在线路上的安全运行条件进行确定、对车辆悬挂装置与牵引缓冲装置的参数和结构等的研究、对荷载特征的确定。车辆的动力学分析包括了提供轮轨接触几何参数与蠕滑参数等数据的轮轨关系研究、改善车辆蛇行运动稳定性和曲线通过以及随机响应性能的垂向与横向动力学分析、给车钩缓冲装置设计提供列车运行与冲击时纵向作用力的纵向动力学分析、把人作为车辆的一部分并以系统来分析人的舒适度的人机工程学分析。例如，可借助ADAMS或Rail软件的建模模板来创建拖车模型，对动车组进行动力学仿真。

5）车辆舒适性的设计。舒适性是旅客选择交通工具时所考虑的仅次于时间、价格、方便程度以外的一个重要因素。列车在运行的过程当中影响旅客乘坐舒适度的因素主要包括线路不够平顺而造成的车厢振动、车厢当中的温度与湿度等环境因素、轮轨冲击下所产生的噪声等。利用CAE技术可以通过采用多种主动、半主动有源悬挂参数的优化来实现整车振动性能的大大改善，并通过在驾驶室和车厢壁板、车顶和底板等位置增装吸音、隔音材料或设备来对车厢内的噪音品质做出改善，此外还可根据车厢内温度场的分布来研究热源的布置和温度的设置等。

3结语

随着我国城市化进程的不断加快，许多城市对发展轨道交通都给予了越来越高的重视。在设计轨道交通车辆时必须综合考虑乘客的旅行行为、乘坐方式、城市环境、生活设施等多方面的因素，以使其符合城市化消费的需求。计算机辅助技术在轨道交通车辆设计当中的推广和应用，能够极大地促进企业的技术进步，从而实现轨道交通车辆开发周期的有效缩短，同时可降低开发的成本，提升车辆设计的质量。

作者:刘洁 单位:南京农业大学工学院