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1軌道交通車輛設計中的計算機輔助工程技術的概述

計算機輔助工程技術，即CAE技術的提出將產品當中的各個環節進行了有機的組織，將有關的信息集成并使其產生、存在于產品的整個生命周期當中，是一個包括了相關人員、經營管理、技術、信息流、物流等方面的有機集成與優化運行的復雜系統。軌道交通車輛設計的傳統設計理念是構思、繪制草圖、方案比較、設計計算、確定工程圖、加工制造并以實物樣機作為最終的結果，在這個過程當中耗費了大量的時間與成本，并且要想達到產品定型的生產階段通常需要經過多次的反復。CAE在三維實體建模的基礎上根據實際使用條件來對產品進行仿真與結構分析，根據性能需求來進行設計與綜合評判，有助于從多個設計方案當中選擇出最優的方案，實現產品從設計階段開始便能不斷地完善設計概念。目前城市軌道交通車輛設計當中常用的CAE軟件主要包括ANSYS軟件、ADAMS軟件等。其中，ANSYS是由美國ANSYS公司開發的可以同多數CAD軟件接口來實現數據共享與交換的軟件，其模塊主要包括：提供了強大實體建模與網格劃分工具的前處理模塊；包含了結構分析和流體動力學、聲場、電磁場等分析并且能夠模擬多種物理介質間相互作用的分析計算模塊；將計算結果以彩色等值線、矢量、立體切片等圖形方式顯示出來或用圖表、曲線形式來顯示與輸出計算結果的后處理模塊。ADAMS軟件是由美國MDI公司所開發的機械系統動力學仿真分析軟件，它使用交互式圖形環境、零件庫、約束庫和力庫來創建出完全參數化的機械系統幾何模型，可以用來預測機械系統的性能、碰撞檢測、運動范圍等，并且可以對有限元的輸入荷載進行計算。除此之外，還有I-DEASMasterSeries分析軟件、MRAC有限元分析軟件、ABAQUS非線性有限元分析軟件等。

2軌道交通車輛設計中計算機輔助工程技術的應用

1）車輛結構強度的設計。軌道交通車輛的結構強度是確保車輛可靠性、安全性的一個重要指標，應當在采用先進試驗方法鑒定車輛承載零部件強度的同時，借助先進的計算方法來實現車輛強度的理論分析。車輛結構強度的分析包括保障車體與轉向架及各個零部件結構安全的結構靜強度分析、確保運動車輛的動強度與動剛度的結構動強度分析、給預測構件疲勞壽命和結構輕量化設計提供重要條件的疲勞強度分析。例如可采用I-DEASMasterSeries分析軟件創建鉤舌模型來對鉤舌的靜強度做出有限元的分析計算。

2）車輛碰撞安全性的設計。車輛的碰撞過程當中伴隨著大變形，在對車輛碰撞的安全性進行分析時應當綜合考慮車輛材料以及其同自身、其他物體之間發生的接觸，這就使得車輛的耐撞性成為了一個高度非線性的問題。對于車輛大變形碰撞的研究方法包括實物試驗、理論研究、數值仿真。其中理論研究可以抓住問題的本質，給實物試驗、數值仿真與建模帶來方向性的建議與指導。由于列車的碰撞安全性試驗的耗資巨大且破壞性強，目前世界范圍內僅美國對實車碰撞試驗進行了開展，在這種背景下，利用CAE技術的計算機仿真給車輛碰撞的安全性分析提供了主要的研究方法。車輛碰撞的安全性分析主要包括對車輛碰撞過程當中的車體和轉向架等相關部件的變形、動態響應的有限元方法研究；對人體在不同的碰撞條件下的響應的研究，并有效地評估乘員在碰撞過程當中所受到的傷害；模擬車輛的碰撞全過程，并評價設計的安全性。

3）制動的設計。城市軌道交通車輛的制動系統主要包括氣制動系統、電制動系統這兩種，以電制動為主要制定控制原則并在制動力不足的情況下來補充氣制動。電制動系統分為電阻制動、再生制動，氣制動依據基礎制動元件的不同分成盤式制動、踏面制動。通常速度＜100km/h的車輛可采用踏面制動，而速度≥100km/h的車輛可選用盤式制動。在制動分析當中包含了基礎制動參數的優化、制動過程的動態仿真、制動粘著的分析、制動距離與時間的計算、制動閥的動態仿真等等。

4）車輛動力學的設計。車輛動力學研究的是在高速運行時的位移和加速度等各種運用情況下車輛及其主要零部件所產生的動力作用，主要為了對車輛在線路上的安全運行條件進行確定、對車輛懸掛裝置與牽引緩沖裝置的參數和結構等的研究、對荷載特征的確定。車輛的動力學分析包括了提供輪軌接觸幾何參數與蠕滑參數等數據的輪軌關系研究、改善車輛蛇行運動穩定性和曲線通過以及隨機響應性能的垂向與橫向動力學分析、給車鉤緩沖裝置設計提供列車運行與沖擊時縱向作用力的縱向動力學分析、把人作為車輛的一部分并以系統來分析人的舒適度的人機工程學分析。例如，可借助ADAMS或Rail軟件的建模模板來創建拖車模型，對動車組進行動力學仿真。

5）車輛舒適性的設計。舒適性是旅客選擇交通工具時所考慮的僅次于時間、價格、方便程度以外的一個重要因素。列車在運行的過程當中影響旅客乘坐舒適度的因素主要包括線路不夠平順而造成的車廂振動、車廂當中的溫度與濕度等環境因素、輪軌沖擊下所產生的噪聲等。利用CAE技術可以通過采用多種主動、半主動有源懸掛參數的優化來實現整車振動性能的大大改善，并通過在駕駛室和車廂壁板、車頂和底板等位置增裝吸音、隔音材料或設備來對車廂內的噪音品質做出改善，此外還可根據車廂內溫度場的分布來研究熱源的布置和溫度的設置等。

3結語

隨著我國城市化進程的不斷加快，許多城市對發展軌道交通都給予了越來越高的重視。在設計軌道交通車輛時必須綜合考慮乘客的旅行行為、乘坐方式、城市環境、生活設施等多方面的因素，以使其符合城市化消費的需求。計算機輔助技術在軌道交通車輛設計當中的推廣和應用，能夠極大地促進企業的技術進步，從而實現軌道交通車輛開發周期的有效縮短，同時可降低開發的成本，提升車輛設計的質量。

作者:劉潔 單位:南京農業大學工學院