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轨道交通领域CAE仿真技术的典型应用有哪些？

责任编辑：哒老板时间：2024-04-21 来源：转载于：有限元科技

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分类：观点评述

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近年来，我国以高铁为代表的轨道交通行业得到了快速发展，成为国际市场上强有力的竞争者。深入运用CAE技术是我国轨道交通实现跨越式发展不可忽视的重要因素。

1、CAE技术在铁路机车和车辆工程中的典型应用

1）铁路机车、车辆车体和关键零部件设计验证分析

车体是铁路机车和车辆的主要的承载结构，它承受着车体自身的重量、车上设备的重量，以及旅客和货物的重量。此外，它还将承受通过车钩传递的牵引力荷载、车辆挂接时的冲击荷载、甚至承受机车、车辆发生碰撞时的巨大撞击荷载。在车体的设计验证中，可以采用CAE仿真技术考察车体在设计规范固定的各荷载工况下的强度、刚度和自振特性。

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2）铁路机车、车辆和列车的动力学分析

铁路列车在钢轨上运行，轨道接头的不平顺、钢轨的波状磨耗引发的轮轨脱离、因车轮擦伤、轮对的材质不均匀、加工过程产生的轮对偏心、不圆等诸多因素都会引发轮轨的相互冲击和振动。这些相互冲击和振动都将直接影响机车和车辆运行的平稳性。

采用CAE仿真技术可以模拟车辆和列车通过曲线线路的过程，分析研究车辆和列车的曲线通过能力和横向稳定性，以及轮轨相互作用。

3）铁路机车、车辆动力系统的设计验证分析

牵引电机是铁路机车车辆牵引动力的直接来源。在铁路牵引电机产品开发设计中，电机电磁场的设计极为关键，它在很大程度上决定着电机产品的性能和质量。因此，在设计过程中采用CAE技术对电机电磁场进行准确的分析计算，把握电磁场主要性能指标及其分布情况尤为重要，通过有限元分析结果可以对电机的结构提出改进建议，从而达到设计技术要求。

4）磁悬浮列车电磁系统的设计验证分析

磁悬浮列车是一种依靠电磁力将列车悬浮于空中，实现列车与地面轨道间的无机械接触, 再利用线性电机驱动列车运行的理想的陆上交通工具。悬浮电磁铁是磁悬浮列车悬浮系统中的执行元件, 用于完成提供悬浮功能所需要的电磁力, 其工作性能直接影响着整车的技术性能指标及运行的经济性能指标。采用CAE仿真技术可对磁悬浮列车的磁浮力进行仿真计算。

5）空气动力学仿真在铁路机车车辆设计中的应用

随着旅客列车运行速度的大幅度提高，空气流动对机车、车辆、列车的运行的影响成为不可忽视的重要因素。列车和空气相互高速相对运动，空气对列车产生纵向阻力、横向力和升力以及侧翻力矩、偏转力矩和俯仰力矩，横向气动力影响列车稳定性，甚至导致列车侧翻。通过CAE空气动力学仿真分析，可改进列车气动特性，减少纵向气动力的风阻，有利于提高车速降低能耗。

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2、CAE技术在铁路线路土木工程建设中的典型应用

1）铁路轨道、道床、边坡的结构分析

铁路是建立在铁路线路上的运输系统，铁路线路由轨道和路基组成。其中轨道包括钢轨、轨枕、道床、道岔、连接部件和防爬设备，路基则支撑着轨道。路基的变形、地震活动、山体边坡的稳定、地下水渗流等问题是CAE仿真分析中比较关注的重点和难点问题。

2）铁路桥梁结构分析和施工过程仿真

铁路列车除了奔驰在平坦的平原地区以外，还需跨越江河沟壑。承载列车跨江越河的是建在桥梁上的铁路线路。验证桥梁整体结构的安全和稳定性，施工过程中桥梁的安全和稳定性，包括考虑预应力、混凝土徐变、移动荷载等问题以及分阶段施工仿真是桥梁结构分析的难点。桥梁的整桥静力分析、动力学分析、抗震分析以及车——桥耦合动力学分析也是需要考虑的重点。

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3）铁路隧道、涵洞和其他地下建筑的结构分析和施工过程仿真

隧道是铁路和公路穿越山体的主要方式，也是地下铁路的主要结构形式。涵洞是为方便人员和沟渠穿过铁路路堤修建的结构物。在隧道、涵洞以及其他地下结构的开挖施工中，开挖洞室周围的围岩和土壤结构会随着掘进的进程发生变形和应力再分布，甚至导致坍塌事故，危及施工人员和装备的安全。施工过程的围岩变形和应力分析、施工初期对围岩的锚固和软支护结构的结构分析和安全验证，以及最终的衬砌结构的安全性分析，是隧道设计中主要的CAE应用。

4）铁路地面建筑物的结构仿真分析

铁路的建筑物与通常的建筑物一样，建筑物和基础的承载能力、结构稳定性、振动和抗震特性等指标计算和验证是建筑物结构安全设计的基础。采用CAE仿真技术对建筑物的通风、保暖和抵御火灾的能力进行分析考察也是非常重要的。

5）铁路车站、广场和隧道紧急状况下人员疏散的仿真分析

铁路或地铁车站及其附属设施（广场、站台、售票大厅、候车大楼）都是人员密集的场所。这些场所的正常人流状况，应对突发事件（火灾、爆炸、刑事案件、恐怖袭击等）时的人员紧急疏散能力，是这些场所人群安全性设计的重要参考指标，CAE仿真分析场所设计的紧急疏散能力是制定这些场所的紧急状况应急方案的重要参考依据。

近年来，我国以高铁、地铁为代表的轨道交通行业得到了飞速发展，完成了从吸收国际先进技术到自主研发创新的显著飞跃。在这个过程中，CAE仿真技术对计算复杂工程问题、优化产品设计、缩短研发周期发挥了非常重要的作用，并且在轨交自主研发创新中呈现出越来越大的价值。

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