PDF《齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司》

LMS 优化铁路车辆NVH性能和结 构耐久性 在设计早期进行零部件的疲 劳寿命预测 发现和解决疲劳相关问题 提前进行NVH和疲劳性能分 析,缩短铁路车辆开发周期 的 研究轨道载荷及其对机车零 部件的影响 测试数据应用于仿真模型的 混合建模仿真解决方案 应用多体仿真模型结合试验 数据复现轨道载荷虚拟台架 测试 结合试验测试及多体仿真, 应用综合仿真软件解决方案 进行疲劳优化分析 www.

siemens.com/plm/lms 齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司 高 可靠 轨道 结测高可靠 中国拥有全世界最繁忙,最庞大的铁路网. 超过

110000 公里的铁路连接着各大城市 和工业领域,运输乘客和货物.铁路运输 相比于卡车或轮船,特别是长距离运输, 更节能,更高效.中国每年通过铁路运输 超过4 亿吨散装货物,主要包括煤炭、矿石、矿物和粮食.由于重工业的巨大增长, 中国计划到 2050年扩大铁路网络到 27万 公里以适应预期增加的货运需求量. 在设计制造领域,作为一个货运车辆领先 的企业和出口商,中国北车集团齐齐哈尔 轨道交通装备有限责任公司研发并生产

9 大系列300多个品种的各类产品,服务于 中国地铁路市场,并出口到五大洲的20多 个国家和地区.包括所有类型的铁路车辆, 例如敞车、棚车、平车、漏斗车、特种车、 罐车、长大货车、铁路起重机、配件等. 这些铁路车辆在运输货物的过程中车体结 构承受恶劣的动态载荷.钢轨表面粗糙度, 制动,转弯及其他循环或瞬态工况,将使 车辆承受巨大的反复应力,从而影响其寿 命.这可以使部件产生裂缝,例如车体, 转向架,轴和摇枕.因此,避免疲劳损伤 是货车设计的重中之重.鉴于此,市场不 断要求运输车辆更快,更轻,以减少运输 时间和成本.这个需求其实是有矛盾的, 因为速度越高,动态载荷越大,当减少车 体材料用量时可能会削弱结构强度. 铁路车辆工程师花费大量开发时间尝试满 足客户的预算要求而不损害车辆的安全性 和耐久性.所谓的 经验设计 导致反复 的样机测试和长期的、昂贵的开发周期, 齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司专家 不断寻找新的耐久性工程技术,例如仿真 分析,提前设计决策,在第一次设计就提 供更好的性能,从而大幅缩短开发时间. 成功的疲劳寿命预测的关键是定义正确的 轨道荷载,了解载荷对零部件的影响.轨 道载荷的计算具有挑战性,特别是因为复 杂的车轮和钢轨之间的摩擦.在概念设计 阶段,测试数据通常很少,甚至于根本没 有可用的测试数据. 多年来,多体仿真作为可靠的技术被应用 于精确计算轨道载荷.根据模型的复杂程 度及可用的测试数据,目前有几种方法能 用来计算轨道载荷: Siemens PLM专家开 发了完整的CAE分析方法,即所谓的 数 字路面法 ,以及结合试验和CAE 的混合 路面方法.后者是基于时域波形再现技术 (TWR) ,该技术源于振动测试系统的载荷 迭代技术.TWR 包含在LMS Virtual.Lab Motion软件中. 高效可靠的轨道载荷预测 - 通过使用LMS的解决方案,我们能够考虑早 期设计中的一些不可预见的问题,这样我们可 以采取对策优化我们的结构耐久性.这肯定能 提高我们的车辆设计质量. 王文 高级工程师 大连研发中心 齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司 结果 优化车辆结构以提高疲劳耐 久性 提供一种方法可以在设计早 期进行疲劳工程分析 减少模型复杂度,缩短建模 周期 加强仿真和测试团队的合作 可 的结果 的的的效的 的可的王文 高级工程师 大连研发中心 齐齐哈尔轨道交通装备有限责任 公司 TWR技术给齐齐哈尔轨道交通装备有限责 任公司的工程师提供了一种高效可靠的耐 久性工程分析方法.使他们能充分研究货 车零部件的动态特性,帮助他们在设计早 期做出正确的决策. 噪声,振动和舒适性 (NVH),特别是其 对耐久性的影响,对我们来说是至关重要 的设计准则, 齐齐哈尔轨道交通装备有 限责任公司大连研发中心高级工程师王文 说, 所以我们在车辆开发过程中要尽可 能早地考虑它们.但在概念设计阶段,显 然没有物理样机可用,我们不能通过轨道 试验或台架试验简单地得到载荷.仿真是 唯一的选择.但利用现有的软件,我们必 须创建一个数字化的轮轨,需要建立复杂 的轮轨模型模拟车轮与轨道间的相互作用. 这是非常耗时的,而且建模难度大. Siemens PLM Software 的专家提出了 一个非常务实的做法.LMS Virtual.Lab Motion 解决方案允许我们基于现有车辆 测试数据,计算出等效的输入信号,从而 用于新模型仿真.然后计算详细的多体模 型的动态响应.响应结果包括单个零部件 上的载荷,可以用于部件的NVH分析及疲 劳寿命预测,这正是我们所需要的. TWR方法可以应用任何类型和数量的测试 数据.该方法应用无约束多体模型和一个 类似的现有结构的测试数据作为边界条件, 复现铁路车辆的台架载荷测试过程.通过 迭代控制技术,可以反算出等效的驱动信 号.通过反算车轮中心的驱动信号,LMS Virtual. Lab Motion 不需要那些复杂的模 型,如车轮和铁轨之间的摩擦模型和数字 化的铁轨. 的的测效的 的的结果 的载荷 可的预测 的 王文 高级工程师 大连研发中心 齐齐哈尔轨道交通装备有限责任 公司 此外,利用TWR技术还消除了车体模型中 的冗余约束.可以仿真模拟耐久性台架测 试过程.LMS Virtual.Lab Motion 具有强 大和精确的求解器和专用建模功能如柔性 体,专门的疲劳热点分析以及焊缝分析. LMS Virtual.Lab Motion可以计算零部件 的载荷用于LMS Virtual.Lab Noise and Vibration software 进行振动噪声分析或 者LMS Virtual.Lab Durability 进行疲劳 分析. 和Siemens PLM software专家一起, 我们在现有的车辆上验证了这种技术, 王文说, 基于一个详细的多体模型和 测量的加速度数据,例如轮轴,车体和 摇枕上一些特定的点的加速度,等效计 算出12通道台架的虚拟位移激励.这包 括作用在前后转向架上的八个通道的垂 向和四个通道的侧向激励.我们利用这 些激励进行动态响应计算. 从LMS Virtual.Lab Motion的计算结果 来看,无论是在时域上还是在频域上都 与观测点的测试数据吻合的很好. 我们可以看到,垂向和横向车体和摇枕 的响应都准确地模拟了, 王文证实道. 测试和计算结果的相干系数都接近于1. 虽然模型中包含了很多复杂的单元,例如 非线性衬套,弹簧和摩擦等,我们在计算 载荷时,仅用了少数的几次迭代就得到了 很好的收敛结果.这给了我们充分的信心 信任模型和 TWR 的方法,并证明了 LMS Virtual.Lab Motion求解器效果很好. 结果 下一步,齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公 司的工程师采用多体仿真结果,研究NVH特 性及货车零部件的耐久性.结合计算得到的 部件疲劳载荷与材料曲线,循环疲劳参数, 基于有限元分析的应力结果 ( FEA ) ........