業(yè)務(wù)挑戰(zhàn)
-優(yōu)化鐵路車輛NVH性能和結(jié)構(gòu)耐久性
-在設(shè)計早期進行零部件的疲勞壽命預(yù)測
-發(fā)現(xiàn)和解決疲勞相關(guān)問題
-提前進行NVH和疲勞性能分析，縮短鐵路車輛開發(fā)周期

成功關(guān)鍵
-研究軌道載荷及其對機車零部件的影響
-測試數(shù)據(jù)應(yīng)用于仿真模型的混合建模仿真解決方案
-應(yīng)用多體仿真模型結(jié)合試驗數(shù)據(jù)復(fù)現(xiàn)軌道載荷虛擬臺架測試
-結(jié)合試驗測試及多體仿真，應(yīng)用綜合仿真軟件解決方案進行疲勞優(yōu)化分析

結(jié)果
-優(yōu)化車輛結(jié)構(gòu)以提高疲勞耐久性
-提供一種方法可以在設(shè)計早期進行疲勞工程分析
-減少模型復(fù)雜度，縮短建模周期
-加強仿真和測試團隊的合作

行業(yè)
汽車及交通運輸

客戶主要業(yè)務(wù)
齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司是中國鐵路車輛領(lǐng)先的設(shè)計和制造商，隸屬于中國北車股份公司。公司擁有行業(yè)最全產(chǎn)品陣容，生產(chǎn)300多種鐵路貨運產(chǎn)品，并出口到五大洲的20多個國家和地區(qū)。

解決方案/服務(wù)
LMS

客戶位置
齊齊哈爾, 黑龍江省
中國

"所有這些解決方案都是整合在同一平臺下，操作流程非常順暢?？梢苑浅：唵蔚貙崿F(xiàn)將一個分析的結(jié)果作為下一個分析的輸入。軟件也有詳盡的用戶手冊。項目組專家的支持以及有效的軟件培訓(xùn)，讓我們的分析工作可以做的很好。"
王 文

大連研發(fā)中心

齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司

"Siemens PLM Software的專家提出了一個非常務(wù)實的做法。LMS Virtual.Lab Motion解決方案允許我們基于現(xiàn)有車輛測試數(shù)據(jù)，計算出等效的輸入信號，從而用于新模型仿真。然后計算詳細(xì)的多體模型的動態(tài)響應(yīng)。響應(yīng)結(jié)果包括單個零部件上的載荷，可以用于部件的NVH分析及疲勞壽命預(yù)測，這正是我們所需要的。"
王 文

大連研發(fā)中心

齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司

"當(dāng)測試部門工程師看到我們的最終結(jié)果，他們對此印象深刻。他們也想部署LMS Virtual.Lab Motion的能力在他們的標(biāo)準(zhǔn)流程中。這是一個非常好的信號，意味著這個新方法在我們公司內(nèi)部有較高的可信度，并將有助于我們部門間的協(xié)同工作。在將來開發(fā)新車輛結(jié)構(gòu)時，一定會幫助我們提高質(zhì)量，減少時間和成本。"
王 文

大連研發(fā)中心

齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司 



鐵路車輛可靠性設(shè)計
中國擁有全世界最繁忙，最龐大的鐵路網(wǎng)。超過110000公里的鐵路連接著各大城市和工業(yè)領(lǐng)域，運輸乘客和貨物。鐵路運輸相比于卡車或輪船，特別是長距離運輸，更節(jié)能，更高效。中國每年通過鐵路運輸超過4億噸散裝貨物，主要包括煤炭、礦石、礦物和糧食。由于重工業(yè)的巨大增長，中國計劃到2050年擴大鐵路網(wǎng)絡(luò)到27萬公里以適應(yīng)預(yù)期增加的貨運需求量。

在設(shè)計制造領(lǐng)域，作為一個貨運車輛領(lǐng)先的企業(yè)和出口商，中國北車集團齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司研發(fā)并生產(chǎn)9大系列300多個品種的各類產(chǎn)品，服務(wù)于中國地鐵路市場，并出口到五大洲的20多個國家和地區(qū)。包括所有類型的鐵路車輛，例如敞車、棚車、平車、漏斗車、特種車、罐車、長大貨車、鐵路起重機、配件等。

這些鐵路車輛在運輸貨物的過程中車體結(jié)構(gòu)承受惡劣的動態(tài)載荷。鋼軌表面粗糙度，制動，轉(zhuǎn)彎及其他循環(huán)或瞬態(tài)工況，將使車輛承受巨大的反復(fù)應(yīng)力，從而影響其壽命。這可以使部件產(chǎn)生裂縫，例如車體，轉(zhuǎn)向架，軸和搖枕。因此，避免疲勞損傷是貨車設(shè)計的重中之重。鑒于此，市場不斷要求運輸車輛更快，更輕，以減少運輸時間和成本。這個需求其實是有矛盾的，因為速度越高，動態(tài)載荷越大，當(dāng)減少車體材料用量時可能會削弱結(jié)構(gòu)強度。

鐵路車輛工程師花費大量開發(fā)時間嘗試滿足客戶的預(yù)算要求而不損害車輛的安全性和耐久性。所謂的“經(jīng)驗設(shè)計”導(dǎo)致反復(fù)的樣機測試和長期的、昂貴的開發(fā)周期，齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司專家不斷尋找新的耐久性工程技術(shù)，例如仿真分析，提前設(shè)計決策，在第一次設(shè)計就提供更好的性能，從而大幅縮短開發(fā)時間。

高效可靠的軌道載荷預(yù)測
成功的疲勞壽命預(yù)測的關(guān)鍵是定義正確的軌道荷載，了解載荷對零部件的影響。軌道載荷的計算具有挑戰(zhàn)性，特別是因為復(fù)雜的車輪和鋼軌之間的摩擦。在概念設(shè)計階段，測試數(shù)據(jù)通常很少，甚至于根本沒有可用的測試數(shù)據(jù)。

多年來，多體仿真作為可靠的技術(shù)被應(yīng)用于精確計算軌道載荷。根據(jù)模型的復(fù)雜程度及可用的測試數(shù)據(jù)，目前有幾種方法能用來計算軌道載荷：Siemens PLM專家開發(fā)了完整的CAE分析方法，即所謂的“數(shù)字路面法”，以及結(jié)合試驗和CAE的混合路面方法。后者是基于時域波形再現(xiàn)技術(shù) (TWR)，該技術(shù)源于振動測試系統(tǒng)的載荷迭代技術(shù)。TWR包含在LMS Virtual.Lab Motion軟件中。

TWR技術(shù)給齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司的工程師提供了一種高效可靠的耐久性工程分析方法。使他們能充分研究貨車零部件的動態(tài)特性，幫助他們在設(shè)計早期做出正確的決策。

“噪聲，振動和舒適性 (NVH)，特別是其對耐久性的影響，對我們來說是至關(guān)重要的設(shè)計準(zhǔn)則，”齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司大連研發(fā)中心高級工程師王文說，“所以我們在車輛開發(fā)過程中要盡可能早地考慮它們。但在概念設(shè)計階段，顯然沒有物理樣機可用，我們不能通過軌道試驗或臺架試驗簡單地得到載荷。仿真是唯一的選擇。但利用現(xiàn)有的軟件，我們必須創(chuàng)建一個數(shù)字化的輪軌，需要建立復(fù)雜的輪軌模型模擬車輪與軌道間的相互作用。這是非常耗時的，而且建模難度大。”

“Siemens PLM Software的專家提出了一個非常務(wù)實的做法。LMS Virtual.Lab Motion解決方案允許我們基于現(xiàn)有車輛測試數(shù)據(jù)，計算出等效的輸入信號，從而用于新模型仿真。然后計算詳細(xì)的多體模型的動態(tài)響應(yīng)。響應(yīng)結(jié)果包括單個零部件上的載荷，可以用于部件的NVH分析及疲勞壽命預(yù)測，這正是我們所需要的。”

采用TWR方法
TWR方法可以應(yīng)用任何類型和數(shù)量的測試數(shù)據(jù)。該方法應(yīng)用無約束多體模型和一個類似的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的測試數(shù)據(jù)作為邊界條件，復(fù)現(xiàn)鐵路車輛的臺架載荷測試過程。通過迭代控制技術(shù)，可以反算出等效的驅(qū)動信號。通過反算車輪中心的驅(qū)動信號，LMS Virtual. Lab Motion不需要那些復(fù)雜的模型，如車輪和鐵軌之間的摩擦模型和數(shù)字化的鐵軌。

此外，利用TWR技術(shù)還消除了車體模型中的冗余約束?？梢苑抡婺M耐久性臺架測試過程。LMS Virtual.Lab Motion具有強大和精確的求解器和專用建模功能如柔性體，專門的疲勞熱點分析以及焊縫分析。LMS Virtual.Lab Motion可以計算零部件的載荷用于LMS Virtual.Lab Noise and Vibration軟件進行振動噪聲分析或者LMS Virtual.Lab Durability進行疲勞分析。

“和Siemens PLM software專家一起，我們在現(xiàn)有的車輛上驗證了這種技術(shù)，”王文說，“基于一個詳細(xì)的多體模型和測量的加速度數(shù)據(jù)，例如輪軸，車體和搖枕上一些特定的點的加速度，等效計算出12通道臺架的虛擬位移激勵。這包括作用在前后轉(zhuǎn)向架上的八個通道的垂向和四個通道的側(cè)向激勵。我們利用這些激勵進行動態(tài)響應(yīng)計算。”

從 LMS Virtual.Lab Motion的計算結(jié)果來看，無論是在時域上還是在頻域上都與觀測點的測試數(shù)據(jù)吻合的很好。

“我們可以看到，垂向和橫向車體和搖枕的響應(yīng)都準(zhǔn)確地模擬了，”王文證實道。“測試和計算結(jié)果的相干系數(shù)都接近于1。雖然模型中包含了很多復(fù)雜的單元，例如非線性襯套，彈簧和摩擦等，我們在計算載荷時，僅用了少數(shù)的幾次迭代就得到了很好的收斂結(jié)果。這給了我們充分的信心信任模型和TWR的方法，并證明了LMS Virtual.Lab Motion求解器效果很好。”

利用多體仿真結(jié)果
下一步，齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司的工程師采用多體仿真結(jié)果，研究NVH特性及貨車零部件的耐久性。結(jié)合計算得到的部件疲勞載荷與材料曲線，循環(huán)疲勞參數(shù)，基于有限元分析的應(yīng)力結(jié)果 (FEA)，應(yīng)用 LMS Virtual.Lab Durability能準(zhǔn)確地確定關(guān)鍵疲勞區(qū)域和評估預(yù)期的疲勞壽命。

“ 所有這些解決方案都是整合在同一平臺下，操作流程非常順暢，”王文說，“可以非常簡單地將一個分析的結(jié)果作為下一個分析的輸入。軟件也有詳盡的用戶手冊。項目組專家的支持以及有效的培訓(xùn)，讓我們的分析工作可以做的很好。”這將幫助齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司研發(fā)工程師更好地理解他們產(chǎn)品的性能：“通過使用LMS解決方案，我們能夠考慮早期設(shè)計中的一些不可預(yù)見的問題，這樣我們可以采取對策優(yōu)化我們的結(jié)構(gòu)耐久性。這肯定能提高我們的車 輛設(shè)計質(zhì)量。”王文說。

新方法引發(fā)興趣
TWR技術(shù)在仿真領(lǐng)域的成功應(yīng)用也提高了部門間的合作。齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司研發(fā)中心的測試團隊，一直應(yīng)用LMS SCADAS™硬件測試設(shè)備和LMS Test.Lab™軟件進行數(shù)據(jù)采集和分析，通過LMS Tecware軟件進行數(shù)據(jù)處理，然后提交給仿真部門。這個軟件包可以幫助工程師有效地驗證和理解數(shù)以千兆計的原始測試數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)信號有各種不同的處理操作，如除異常，過濾和通過數(shù)學(xué)運算生成新的數(shù)據(jù)通道。通過這種方法，測試數(shù)據(jù)可以應(yīng)用于仿真分析。LMS Tecware允許減去耐久性的特定成分，包含廣泛的專用數(shù)據(jù)處理方法，以幫助有效地限定和量化載荷數(shù)據(jù)對耐久性的貢獻(xiàn)。數(shù)據(jù)可以容易地導(dǎo)入LMS Virtual.Lab Motion，結(jié)合測試與仿真預(yù)測關(guān)鍵部件的疲勞壽命。

“在評估過程中，我們必須與測試部門的同事密切合作，”王文說，“當(dāng)測試部門的同事看到我們的最后結(jié)果，對此印象深刻，也想在他們的標(biāo)準(zhǔn)流程中部署LMS Virtual.Lab Motion。這是一個非常好的信號，意味著這個新方法在我們公司內(nèi)部有較高的可信度，并將有助于我們部門之間的協(xié)同合作。在將來開發(fā)新車輛結(jié)構(gòu)時，一定會幫助我們提高質(zhì)量，同時減少時間和成本。”