客戶簡介

    日本車輛制造株式會(huì)社（Nippon Sharyo），位于日本名古屋，從19世紀(jì)末開始制造列車�，F(xiàn)今它仍是日本產(chǎn)量最高的鐵路列車制造商之一，擁有1100名員工，制造各種類型的列車，如特快列車、通勤列車，地鐵及輕軌等。自從1964年第一輛時(shí)速200km/h高速列車起，日本車輛制造株式會(huì)社制造了超過3200個(gè)車廂。最新的子彈頭列車時(shí)速可達(dá)300km/h。

挑戰(zhàn)

    通常如果一輛列車通過空曠無障礙區(qū)域，列車的空氣動(dòng)力載荷相對(duì)不是很復(fù)雜。然而列車在行駛過程中通常需要穿過隧道，同時(shí)也會(huì)在空曠地域或隧道內(nèi)與其它列車交匯，這些情況下空氣動(dòng)力載荷就比較復(fù)雜。當(dāng)列車穿過隧道，列車頭部的壓力波會(huì)引起很大的噪聲和振動(dòng)，因此設(shè)計(jì)者需要設(shè)計(jì)良好的列車頭部外形，盡可能減小進(jìn)出隧道壓力波動(dòng)的大小。

    當(dāng)兩輛列車在隧道內(nèi)會(huì)車時(shí)，問題更為復(fù)雜。每列車都將形成強(qiáng)烈的沖擊波，這些波的碰撞和相互作用可對(duì)列車產(chǎn)生巨大的作用力。例如，列車對(duì)另外一輛列車產(chǎn)生巨大的推力，當(dāng)壓力平衡后，列車又被拉回，如果在設(shè)計(jì)過程中這樣的作用力考慮得不是很周全，則列車實(shí)際中可能會(huì)有傾覆出軌的危險(xiǎn)。即使較理想的情況下，該效應(yīng)也會(huì)對(duì)乘客的舒適性有巨大影響。

    另外當(dāng)盡可能最大化乘客的舒適性和安全性后，以及其它一些方面也需要考慮。如列車明線運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)載荷、高速行駛的側(cè)風(fēng)作用、列車門的噪聲影響以及客艙內(nèi)的通風(fēng)換熱等。

解決方案

    制造樣機(jī)是十分昂貴的，因此Nippon Sharyo采用Altair CFD軟件AcuSolve進(jìn)行復(fù)雜的空氣動(dòng)力學(xué)仿真：

    ★安全性：預(yù)測側(cè)風(fēng)運(yùn)行載荷，無風(fēng)運(yùn)行載荷以及會(huì)車載荷。

    ★舒適性：除了進(jìn)隧道噪聲，還進(jìn)了HVAC（暖通空調(diào)）仿真，考察乘客熱舒適性。

    ★制造工藝：采用摩擦攪拌焊（FSW）模擬車廂焊接過程。

圖1 摩擦攪拌焊仿真（FSW）

圖2 客艙內(nèi)HVAC流動(dòng)分析

圖3 AcuSolve模擬進(jìn)隧道噪聲

    Nippon Sharyo早在2002年就開始使用AcuSolve進(jìn)行CFD仿真�，F(xiàn)在Nippon Sharyo設(shè)計(jì)人員主要依賴于Altair HyperWorks系列產(chǎn)品，特別是AcuSolve和HyperMesh進(jìn)行列車的舒適性和安全性設(shè)計(jì)。

    “運(yùn)用AcuSolve進(jìn)行CFD仿真可使我們?cè)O(shè)計(jì)更好的產(chǎn)品，”Nippon Sharyo設(shè)計(jì)組經(jīng)理Sato Tetsuro說，“子彈頭列車的設(shè)計(jì)項(xiàng)目逐年復(fù)雜，質(zhì)量和性能要求評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)越來越高，涉及到的物理現(xiàn)象也更復(fù)雜，CFD仿真能幫助我們找到更好的解決方案。”

    在列車外部，Nippon Sharyo不但著眼于減小外形阻力，同時(shí)力求減小進(jìn)隧道的噪聲。在列車內(nèi)部，采用AcuSolve進(jìn)行復(fù)雜的暖通空調(diào)仿真，考察乘客的舒適性。在這過程中，還考察了人體溫度和太陽輻射的影響。

結(jié)論

    很多公司的設(shè)計(jì)人員需要采用不同的設(shè)計(jì)軟件來考察列車外部的空氣動(dòng)力學(xué)特性和客艙內(nèi)部的流動(dòng)情況。然而AcuSolve讓Nippon Sharyo實(shí)現(xiàn)在同一平臺(tái)上完成兩種不同方面的應(yīng)用。因此大大降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本，提高效率。

    運(yùn)用AcuSolve，列車外形得到了優(yōu)化，減小了進(jìn)隧道噪聲。為提高客艙內(nèi)部流動(dòng)情況，工程師使用AcuSolve仿真，設(shè)計(jì)出更合理的空調(diào)進(jìn)出口，從而優(yōu)化夏天和冬天的乘客舒適性。其中涉及到的物理現(xiàn)象有強(qiáng)迫對(duì)流、自然對(duì)流、熱輻射、湍流、熱傳遞、熱源和太陽輻射等眾多物理模型。另外AcuSolve可以實(shí)現(xiàn)攪拌摩擦焊仿真，通過設(shè)計(jì)合理的焊接參數(shù)，提高車廂焊接工藝。

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本文標(biāo)題：AcuSolve在日本高速列車安全性和舒適性仿真方面的應(yīng)用

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