Adams 在铁路机车设计中的应用

CAE大拿

1. 应用背景
进入二十一世纪，中国铁路建设迎来跨越式发展的新机遇。高速铁路、提速列车、重载运输、城市轨道交通的建设和发展给我国铁道机车车辆工业提出了新的挑战。掌握和应用新的研究方法和设计工具，进行创新性的机车车辆设计和制造，是铁道机车车辆工业提高产品质量的有效手段。

2. Adams针对铁路机车的解决方案
1993年，荷兰铁道组织(NS)、Delft工业大学以及德国ARGE CARE公司三方合作，进行铁道车辆系统动力学软件的开发，后来与美国MSC公司合作，将开发的软件移植到MSC Adams平台上，即Adams/Rail（现在属于VI-Grade公司），它是专业的铁道机车车辆系统动力学分析工具。用户可以利用它方便快速地建立完整的、参数化的机车车辆或列车模型以及各种子系统模型和各种线路模型，并根据用户分析目的不同定义相应的轮/轨接触模型，然后自动组装成用户所需要的系统模型，并进行相应的分析。可以进行诸如机车车辆稳定性能、临界速度、曲线通过性能、脱轨安全性、牵引/制动特性、轮轨相互作用力、车轮磨耗、随机响应性能和乘客舒适性指标以及纵向列车动力学等问题的研究。使用Adams/Rail模块，工程师可以精确地模拟整个铁道机车车辆系统，并真实地模拟其运行过程中的动力学行为。让工程师在进行物理试验之前在计算机上对铁道机车车辆的性能进行研究、改进以至优化。

3. 应用和案例
（1）牵引制动系统性能的问题
机车车辆的牵引制动系统的牵引制动性能除了要考虑牵引电机、传动系统、制动系统之外，还要考虑轮轨接触的影响。在ADAMS/Rail中可以定义轮轨之间非线性的摩擦特性，随着蠕滑率的变化而变化的摩擦系数是进行牵引或制动性能分析至关重要的特性。同时，还可以定义随着轨道长度方向变化的摩擦系数，这样可以分析钢轨表面干燥/潮湿的影响。

案例1：德国Voith Turbo公司使用ADAMS研究驱动系统和动车系统之间在牵引或制动时的相互耦合作用。


上图所示为考虑传动系统的整车模型在通过湿滑轨面启动时牵引电机的输出扭矩随着仿真时间的变化过程，通过仿真发现了由于轨面的湿滑而导致输出扭矩的振动现象。

（2）走行稳定性能和曲线、道岔通过性能的问题
ADAMS/Rail中提供进行车辆稳定性分析的专用工具，可以直接指定车轮踏面的等效锥度，即可以得到相应的临界速度，如果你给定车轮踏面等效锥度的变化范围，ADAMS/Rail还可以给出车辆的临界速度与车轮踏面等效锥度的关系曲线，同时可以定义各种不同的曲线、道岔线路以及轮轨接触特性，分析车辆的曲线、道岔通过性能。

案例2：利用ADAMS/Rail，Talgo公司完成了四节车厢编组的完整车列模型的仿真，通过ADAMS的各种分析功能对整车的模态、振型、稳定性、舒适性、脱轨安全性以及轮轨力的大小进行了分析。


上图为ADAMS/Rail中Talgo的车进行曲线通过分析的动画，右侧曲线图为车身等通过曲线时摆动的角度随时间变化的曲线。

下图为Talgo机车在通过不平顺的曲线轨道上时轮轨接触力的变化情况。


（3）乘坐舒适性能问题
列车行驶过程中，来自于线路上的不平顺引起车厢的振动。使用ADAMS/Rail结合ADAMS/Flex、ADAMS/Controls等模块，可以进行车辆振动性能的分析，通过优化悬挂参数，采用各种主动、半主动有源悬挂，可以明显的改善整车的振动性能。

案例3：ALSTOM使用ADAMS/Rail建立了多刚体转向架和柔性车身的模型，目的是要研究各种悬挂参数的影响，比如驱动装置的悬挂刚度、车身刚度、减振器的位置以及车辆运营速度对车身一阶弯曲模态的敏感性。


（4）疲劳耐久性问题
首先使用MSC Patran/Nastran进行车体、构架或其它零部件的网格划分和模态分析，然后通过ADAMS/Flex模块读入ADAMS/Rail，建立整车模型，进行在各种典型工况下整车系统的动力学分析，然后将各部件动力学分析的结果传到MSC Fatigue中作为载荷边界条件进行各部件的疲劳强度的分析。

通过MSC ADAMS/Durability可以将构架运动过程所受载荷随时间变化的过程输出到MSC Fatigue中进行疲劳情况的分析。