CAE技术在高速列车研发中的应用

现代计算机技术和商用有限元软件的高度发展,促使CAE技术应用到工业产品设计的各个领域．轨道交通领域也不例外,特别是随着我国高速列车技术的快速发展,提高企业自主研发能力、缩短研发周期已成为车辆制造企业的新挑战．学习国外先进经验,在新产品研发中大力推进CAE技术已成为行业共识．     

气动载荷对高速列车车体疲劳强度的影响

随着列车运行速度的提高,气动载荷对强度的影响越来越显著。为加强列车气动载荷强度,根据高速列车在线路运行实际情况设置了四种气动载荷工况:明线会车,隧道通过,隧道会车和侧风。利用空气动力学原理计算得到四种气动载荷工况的数值,将得到的数值施加到高速列车车体有限元模型上,进行气动载荷的静强度和瞬态响应分析。计算分析结果表明,四种工况下的静强度结果都小于车体材料的允许用的应力,最大位移变形均发生在车体底部;利用Fluent软件仿真获得列车在空旷地带以380km/h速度交会的气动载荷时间历程,接着在ANSYS软件中对车体完成气动载荷瞬态响应分析,得到气动载荷对车体结构强度的影响,为车体强度优化设计提供了参考。     

横风对高速列车气动性能的影响

随高速列车在横风下的气动特性急剧变化,安全问题十分突出。本文以京沪高铁CRH型动车组作为典型研究对象,建立三维模型,研究横风风速和列车车速对列车轮轨动力学的影响、单列高速列车在明线横风环境中运行的气动特性,从而得出如下结论：(1)列车在横向风中行驶时,选择列车的气动升力为例,以200 km/h和300 km/h运行的列车在风速从15.1m/s逐渐增加到30.0 m/s分别增加了340.6%和337.2%的气动升力;在风速为15.1 m/s, 22.2 m/s和30.0 m/s时,车速从200 km/h增加到300 km/h时,分别增加了18.3%、19.1%和20.1%的气动升力。由此可知,在横向风环境下列车车体所受的气动升力随着车速和风速的提高而逐渐增大。(2)在横风环境下,列车的迎风侧大部分区域受正压,背风侧大部分受负压,最大正压区域为头车鼻尖处,空气流速在列车上端拐角边缘最高。根据列车长度方向,列车两侧的压强差逐渐减少。通过对高速列车的气动特性进行研究,从而为高速列车风灾防治和运行安全管理提供参考,以及为制定具有自主知识产权的高速风灾安全预警控制系统提供了科学依据。     

裙板安装对高速列车气动性能影响的数值分析

为研究裙板安装对高速列车气动阻力及侧风安全稳定性的影响,用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）方法分析国外某高速列车转向架及其周边裙板结构对整车气动性能的影响.在无侧风且列车行驶速度为350km/h时,模拟分析不安装裙板及在不同位置安装裙板情况下列车的气动性能;在有强侧风情况下,模拟分析列车在50～350km/h之间不同行驶速度工况时的气动性能.结果表明,列车底部安装裙板可有效降低列车气动阻力,在头尾第1对转向架处安装裙板对列车气动阻力的降低最有效;在强侧风下,列车底部安装裙板会造成列车的侧向力和侧翻力矩加大,降低列车行驶安全性.     

高速列车受电弓气动噪声分析与降噪研究

随着列车速度的大幅提升,气动噪声问题愈发凸显。受电弓噪声在整车噪声中占较高位置,为研究高速列车受电弓气动噪声特性,通过Lighthill声学理论的宽频噪声模型对高速列车气动噪声源进行识别,利用定常SST k-w湍流方法分析高速列车受电弓的流场特性;基于大涡模拟与FW-H声学比拟理论计算高速列车受电弓远场气动噪声。数值算例结果表明,受电弓部位的碳滑板、弓头为受电弓主要噪声源;以轨道中心线为对称线,远场气动噪声监测点的声压级及频谱特性表现出较高的对称性;在同一列车运行速度下,监测点声压级随离轨道中心线距离增大而减小,列车以不同速度运行时,其声压级降低的幅值相差较小;高速列车远场气动噪声为宽频噪声,主要能量集中在500Hz~5000Hz。提出一种射流降噪方法,在350km/h速度下,监测点总声压级值降低了15.2dB。     

基于遗传算法的高速列车头型多目标优化

高速列车的气动阻力与列车的外形,特别是头部外形有着密切的关系.为了改善列车气动性能降低列车运行的气动阻力,建立高速列车的三维参数化模型,以高速列车头部所受的阻力和升力为优化目标,通过FLUENT软件与Isight软件多学科优化联合仿真分析方法,利用Sculptor软件对车头部分网格自动变形,基于计算流体力学,实现对高速...     

基于空气流体动力学的高速列车制动盘散热性能模拟

基于CFD法分析高速列车制动盘的散热情况,得到制动盘各个区域的平均对流换热系数.在此散热条件下,用顺序耦合法模拟制动盘的温度场,实现复杂六边形热载荷的加载,并将二次制动温度场的模拟结果与试验数据进行对比分析.结果表明：模拟结果与试验数据在冷却阶段吻合度较高,且在制动阶段中最高温度值误差不超过5%.     

高架桥声屏障高度对高速列车气动特性的影响

针对现代高速铁路建设中大量采用高架桥的现况,为保证列车安全、舒适、环保运行,给高速铁路建设工程提供参考数据,研究行驶在高架桥上的高速列车气动特性.利用FLUENT模拟单线高架桥声屏障高度对高速列车气动特性的影响.将声屏障分为6种不同高度,不考虑横向风且列车运行速度为200 km/h.地面和高架桥均设为移动壁面边界条件,...     

高速列车车厢结构声-振耦合响应数值分析

为研究高速列车运行时结构表面产生的强声压对乘坐环境和结构破坏的影响,针对某型高速列车建立车厢声-振耦合有限元模型,研究车厢的结构模态、室内声场模态及结构-声场耦合系统模态;针对其所处特殊动态环境,计算耦合系统谐响应,考察其振动特点及室内噪声分布情况.计算结果表明,车厢结构低阶模态显示出良好的整体性,在较高频段内以局部模...     

底部导流板形式对高速列车气动阻力的影响

为减小高速列车运行时的气动阻力,设计直式、斜式、内圆弧式和外圆弧式等4种转向架前后底部导流板的高速列车模型.通过风洞试验验证数值模拟方法的有效性,采用数值计算分析底部导流板对列车气动阻力和底部流场的影响.结果表明：不同形式底部导流板的列车总阻力相差可达20%,其中头车气动阻力因数极差值最大为0.062.导流板影响列车底部气流速度和转向架区域压力分布,其导流作用使得转向架区域气动阻力和转向架的阻力同时改变.转向架前后导流板的导流效果越好,转向架区域的气动阻力越小;同时,气流冲击使得转向架上的滞止压力增大;在二者的共同作用下高速列车的总阻力存在一个较小值.底部采用直式导流板对降低全车气动阻力的效果最好.     

CAE分析技术在第三代核电设备国产化中的任务和方向

针对大型先进压水堆核电站重大专项的目标,介绍我国核电设备开发在结构和热工水力CAE分析技术方面的经验积累以及AP1000研发中的CAE分析技术引用,总结CAE分析技术在第三代核电设备国产化过程中的三大任务:为设计提供多种参考,保证概念设计的最优化;逐渐取代已有设计的试验验证,为设计的结构合理性提供支持;建立协同仿真设计...     

高速列车设备舱底板折边气动阻力和底板刚度分析

为研究高速列车设备舱底板折边气动阻力及折边对底板刚度的影响,按实际折边分布情况对列车头部和底板进行几何建模,分析列车以350 km/h,380 km/h和430 km/h运行时列车头部底板折边的气动阻力;分析有、无折边情形下底板在相同竖向均布载荷和约束作用下的变形.结果表明,不同车速下底板折边的气动阻力分布相似,且随着车速的提高而增大;降低折边高度对满足列车轻量化要求、提高列车运行速度有积极贡献;折边对底板的刚度有较大的贡献.     

高速列车车体结构振动特性分析

为验证某高速列车车下吊挂系统模态与车体模态的匹配关系,以及不同轮轨载荷下振动热点区域的幅频响应特性,用HyperMesh建立车体有限元模型,利用Radioss对模型进行模态、频率响应和谐响应分析,得到整车模态参数和车体各测点的响应变化曲线.结果表明,吊挂设备采用弹性悬挂可大幅增加整备状态下垂向弯曲频率;该车空调平顶处局部刚度大幅下降,吊挂设备的垂向激励频率应该避开24 Hz及其倍频;吊挂设备不宜直接吊挂在地板上.     

高速列车车体数值模拟和优化设计

针对高速列车车体的强度和疲劳损伤问题,对高速动车组车体结构进行有限元分析和强度校核.结果表明,头车和中间车的最大应力均发生在车钩载荷施加附近的极小区域内,且应力值大于许用应力值,此处结构可能产生局部破坏,在车体试验时需要重点关注.为增强车钩强度,采用灵敏度分析方法优化头车车钩载荷施加区域、更改圆孔弧度,在很大程度上降低局部应力峰值,优化设计后的车体满足强度要求.     

高速受电弓非定常气动特性分析

为保证高速列车受电弓与接触网之间具有良好的接触特性,针对强烈气流干扰会引起受电弓振荡的问题,用脱体涡模拟(Detached Eddy Simulation,DES)方法研究高速列车受电弓在开、闭口运行条件下的非定常抬升、阻力特性.结果表明,开、闭口运行对受电弓气动特性的影响有较大不同,尤其对受电弓及其滑板的抬升力波动影响明显.开口运行时整弓和滑板的抬升力波动幅度明显大于闭口运行;而开、闭口运行对整弓和滑板气动阻力的大小与波动幅度的影响很小。