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．     

放样曲面法在高速列车头形曲面设计中的应用

放样曲面法在车辆、飞行器及船舶表面设计领域中,有着广泛的应用。为满足高速列车对运行品质的要求,有效减少空气阻力和列车交汇压力波对列车安全的影响,高速列车头部普遍采用流线型设计。本文通过基于NURBS曲线拟合原理,通过放样曲面法,设计出符合空气动力学的高速列车的头型曲面,以供进一步分析。     

“高速列车车体技术”课题多项平台建设进展顺利

“十一五”科技支撑计划“中国高速列车关键技术研究及装备研制”项目“高速列车车体技术”课题各项平台建设稳步推进,进展顺利。“车体弹性体随机振动数字化设计平台”已提出列车车体动力学建模总体方案;“结构件振动冲击试验平台”已完成列车集成结构件振动冲击试验台的基础施工,确定了试验台设备研制、研制期技术联络和试验台设备监制等任务,并完成了试验台隔音房技术条件及车内流场试验平台招标技术文件的编制工作;     

北航——基于CAD/CAE的工业机器人设计开发平台

北京航空航天大学以高速、高精、重载等高性能工业机器人发展需求为牵引,基于三维CAD建模以及运动学、动力学CAE仿真分析算法等核心工具,搭建CAD／CAE集成的标准体系架构,攻克工业机器人建模和仿真、工业机器人系统轻量化结构拓扑优化、运动学及动力学与精度设计、高性能几何造型内核、模型库与数据库、知识驱动的设计导航等核心技术,构建基于运动学、动力学和有限元仿真的、与CAD／CAE技术相融合的工业机器人设计开发平台。在此基础上,探讨该平台的市场化开发商业模式．     

随机风作用下高速列车动力学参数的可靠性优化设计

建立随机风作用下高速列车动力学参数的可靠性优化设计方法．首先考虑自然风的脉动特性，采用Cooper理论和谐波叠加法模拟随车移动点的脉动风速，给出随机风作用下高速列车非定常气动载荷的计算方法．然后建立高速列车车辆系统动力学模型，计算高速列车的运行安全性，并基于可靠性理论，给出随机风作用下高速列车失效概率的计算方法．在此基础上，以高速列车动力学参数为优化设计变量，以失效概率和轮轴横向力为优化目标，采用多目标遗传算法NSGA—II进行动力学参数的自动寻优，建立随机风作用下高速列车动力学参数的可靠性优化设计模型．经可靠性优化计算，高速列车的失效概率由原始的0．4884降低为0．1406，轮轴横向力由原始的45．13kN降低为43．01kN．通过优化高速列车动力学参数可以显著改善随机风作用下高速列车的运行安全性．     

高速列车空气动力学试验以太网接口设计

针对高速列车上空气动力学试验布线复杂,易受干扰等问题,提出了分布式以太网检测系统,并设计了一个嵌入式以太网接口,采用ENC28J60作为以太网控制器和ARM Cortex-M3内核的STM32作为主控制器,移植了RT-Thread嵌入式系统以及LwIP协议栈,并建立了基于TCP的应用程序,实现了与上位机的高速以太网通信。经过测试,该以太网接口稳定可靠,满足高速列车空气动力学试验的要求。     

横风下桥梁高度对高速列车交会性能的影响

为研究横风下桥梁高度对高速列车会车性能的影响,基于空气动力学和列车系统动力学,分析指数风分布下不同高度桥梁周围的流场,建立高速列车多体系统动力学模型,模拟横风下列车在不同高度桥梁上会车时的表面压力特性和气动载荷特性.将得到的气动力作为外加载荷作用于列车上,分析桥梁高度对高速列车会车安全性能的影响.结果表明:当列车在环境风下交会时,背风侧列车的气动力波动大于迎风侧列车的气动力波动;当监测点风速固定且桥梁高度小于15 m时,随着桥梁高度的增加,列车的气动载荷最大幅值和安全指标最大幅值均有所减小;当桥梁高度为15～30 m时,随着桥梁高度的增加,列车的气动性能和动力学性能基本保持不变.     

横风下高速列车系统动力学的平衡状态法

基于车辆-轨道耦合动力学和空气动力学提出了一种快速计算横风下高速列车系统动力学行为的平衡状态方法.首先,忽略轨道不平顺并利用流固耦合联合仿真方法计算横风下高速列车的平衡状态;然后,将平衡状态下的气动力加载到车辆-轨道耦合动力学模型并计算高速列车动力学响应.利用建立的平衡状态方法,研究了列车在速度为13.8 m/s的横风下以350 km/h速度运行时的流固耦合动力学行为.比较了平衡状态方法和联合仿真方法两种方法下列车姿态、安全性和舒适性指标的差异,计算结果差别在3.26%以内.研究结果表明:平衡状态方法计算横风下高速列车流固耦合的效率更高.     

8051在光电测速中的应用

由于高速列车交会时的空气压力波与其运行速度有直接关系,所以如何准确得到动模型运行时的速度就十分重要。本文作者为解决模拟列车在高速运行时带来的一系列空气动力学问题,在其单位建成了高速列车动模型装置及其测控系统。文章介绍了利用光纤或光电传感器测量高速运动...     

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...     

面向集成化CAE软件开发的SiPESC研发工作进展

针对我国自主CAE软件发展缓慢的事实,根据现代工程领域的科学研究和产品研发对CAE建模、分析和设计能力提出的需求,研发自主的面向CAE工程与科学计算集成化软件平台SiPESC（Software Integration Platform for Engineering and Scientific Computation...     

面向高端装备制造CAE技术的机遇和挑战

针对高端装备制造在设计、分析、制造、服役和维护等全过程中对CAE的需求,从结构、流体以及流固耦合等3个方面概述CAE技术国内外进展及其面临的机遇和挑战,指出在发展具有能够对装备在极端服役环境下准确的结构、流体和流固耦合CAE分析技术的基础之上,需不断突破面向工程应用的多物理场耦合、跨尺度分析、多学科综合设计、产品性能评估和集成等关键技术,使CAE逐步向支持现代设计和全寿命周期管理转变.     

高速列车车内低频气动噪声预测

为研究气动载荷下高速列车的车内低频噪声,建立高速列车空气动力学模型,采用大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)法计算中间车的表面脉动压力.将脉动压力加载到高速列车的有限元模型上,通过瞬态分析得到车体的振动位移响应;将位移响应作为边界条件,采用边界元法(Boundary Element Method,BEM)分析车内噪声.结果表明：车窗振动位移最大,车顶和车底次之;中间车车厢的两端声压比中部大;在低频范围内,车厢内声压呈强弱交替分布,声场强弱界限较明显,且随着频率的增大,沿车体纵向和横向干涉条纹增多;车内低频气动噪声随速度二次方的增大而增加.     

发展自主CAE软件产业的建议与对策

为从国家战略的视角讨论自主计算机辅助工程(Computer Aided Engineering,CAE)软件产业的发展,从工程科学的数值模拟技术与CAE应用技术以及三大产业(CAE软件产业、先进制造业和生产性服务业)的结合等方面进行论述,提出发展自主CAE软件产业的建议与对策.     

高速列车动模型车载数据采集系统

利用高速列车动模型试验研究高速列车实车运行时空气动力学问题是一种可行的方法。介绍一种车载数据采集系统,利用80C196KC单片机的外部事务服务器PTS功能,在动模型车外表面上多个测量点并行采集动模型车表面在运行时的空气压力波数据,实现高速、大容量数据采集和存储,同时利用光电传感器和80C196KC单片机的HIS事件捕捉功能实现动模型车的全程运行速度测量,并解决了数据采集触发启动问题。测量结果与实际情况相符,可建立动模型车各种运行情况时的路程、速度和其表面空气压力间关系,在实际应用中是可行的。     

基于HyperWorks的CAE流程自动化系统设计开发

针对企业应用HyperWorks进行CAE分析时存在操作复杂和操作者需熟悉系统功能的问题,给出了基于HyperWorks、Process Manager和Process Studio的HyperWorks CAE流程自动化系统的结构及其开发流程,应用Tcl/Tk程序设计技术开发出产品零件CAE流程自动化系统。并以某零件CAE分析实例,验证自动化系统可操作性。为产品设计、分析提供一种快捷方法,缩短了企业产品设计分析周期。对企业开发工作具有一定的指导意义。     

主动知识辅助系统中制动蹄设计知识库的构建

针对高额的设计成本和对人才资源的竞争影响高端CAE技术使用的现状,用汽车制动系统中制动蹄的设计为例,将专家设计领域的知识结构化分层,用产生式规则表示法和框架表示法相结合的混合表达方式构建相应设计领域知识库。通过"主动的机-人知识辅助系统"为设计人员快速提供欠缺的经验知识,使设计人员能够快速地利用知识,而不是学习知识,实现设计知识和经验的高效利用,缩短设计人员的预学习过程,降低了CAE的应用门槛,达到高端CAE技术低起点应用的目的。