仿真分析技术是轨道车辆设计技术的重要研究方向之一, 是提升高速
列车设计水平和运行品质的重要手段。 我国国土面积大, 覆盖高温、 高
湿、 高海拔等多种地理环境条件, 高速列车运行时面临着强度、 疲劳、 碰
撞、 振动、 噪声、 动力学、 空气动力学、 电磁兼容等众多学科相关的内外
部影响和激励, 仿真分析遵循的方法各异。 中车唐山公司通过多年的研
究, 搭建了轨道车辆相关学科仿真技术体系, 形成了仿真平台、 仿真数据
库及仿真流程管理等一系列知识产权体系, 掌握了大量仿真分析与优化设
计的各学科工程化应用经验。
本书从高速列车和城轨列车两个角度, 通过轨道交通车辆仿真设计技
术以及相关标准介绍, 分别阐述了强度、 碰撞、 减振降噪、 动力学、 空气
动力学、 电磁兼容等学科的仿真分析技术及实例运用, 向广大读者介绍轨
道交通行业的车辆仿真分析及验证技术。 本书从轨道交通行业典型仿真分
析案例出发, 结合轨道车辆设计需求, 由浅入深地讲解仿真分析技术在轨
道车辆上的工程化应用研究现状及相关关键技术, 为轨道交通行业的技术
人员提供参考。 本书也可以作为轨道交通行业相关科研院所研究人员、 高
校师生等学习仿真分析技术的入门教程或参考书。
第 1 章 轨道车辆验证需求与仿真平台 ……………………………………………………… 1
1. 1 轨道车辆仿真验证需求 ………………………………………………………………… 1
1. 2 仿真流程管理 …………………………………………………………………………… 3
1. 3 仿真数据库 ……………………………………………………………………………… 7
1. 3. 1 系统体系结构 ……………………………………………………………………… 7
1. 3. 2 主要功能 …………………………………………………………………………… 9
第 2 章 强度分析与应用实例 ……………………………………………………………… 21
2. 1 车辆强度仿真分析方法………………………………………………………………… 21
2. 1. 1 评价标准 …………………………………………………………………………… 21
2. 1. 2 建模规范 …………………………………………………………………………… 22
2. 1. 3 试验方法 …………………………………………………………………………… 26
2. 2 动车组强度仿真分析与试验验证……………………………………………………… 26
2. 2. 1 车体结构简介 ……………………………………………………………………… 26
2. 2. 2 坐标系定义 ………………………………………………………………………… 26
2. 2. 3 车体仿真分析工况 ………………………………………………………………… 27
2. 2. 4 车体有限元模型 …………………………………………………………………… 29
2. 2. 5 有限元仿真分析结果 ……………………………………………………………… 30
2. 2. 6 试验应变片编号及具体位置 ……………………………………………………… 32
2. 2. 7 仿真与试验对比工况 ……………………………………………………………… 36
2. 2. 8 仿真与试验对比分析结果 ………………………………………………………… 37
2. 2. 9 仿真计算与试验结果一致性分析 ………………………………………………… 38
2. 3 城轨车辆强度仿真分析与试验验证…………………………………………………… 39
2. 3. 1 车体结构简介 ……………………………………………………………………… 39
2. 3. 2 坐标系定义 ………………………………………………………………………… 39
2. 3. 3 车体仿真分析工况 ………………………………………………………………… 40
2. 3. 4 车体有限元模型 …………………………………………………………………… 42
2. 3. 5 有限元仿真分析结果 ……………………………………………………………… 42
2. 3. 6 试验应变片编号及具体位置 ……………………………………………………… 44
2. 3. 7 仿真与试验对比工况 ……………………………………………………………… 49
2. 3. 8 仿真与试验对比分析结果 ………………………………………………………… 49
2. 3. 9 仿真计算与试验结果一致性分析 ………………………………………………… 53
第 3 章 碰撞仿真分析与应用实例 ………………………………………………………… 56
3. 1 车辆碰撞仿真分析方法………………………………………………………………… 56
3. 1. 1 评价标准 …………………………………………………………………………… 56
3. 1. 2 算法原理 …………………………………………………………………………… 56
3. 1. 3 分析方法 …………………………………………………………………………… 59
3. 2 动车组碰撞仿真分析与验证…………………………………………………………… 62
3. 2. 1 车体结构简介 ……………………………………………………………………… 62
3. 2. 2 坐标系定义 ………………………………………………………………………… 62
3. 2. 3 车钩模型建立 ……………………………………………………………………… 63
3. 2. 4 有限元模型 ………………………………………………………………………… 64
3. 2. 5 碰撞仿真分析计算工况 …………………………………………………………… 65
3. 2. 6 碰撞仿真分析计算结果 …………………………………………………………… 67
3. 3 城轨车辆碰撞仿真分析………………………………………………………………… 86
3. 3. 1 车体结构简介 ……………………………………………………………………… 86
3. 3. 2 坐标系定义 ………………………………………………………………………… 86
3. 3. 3 车钩模型建立 ……………………………………………………………………… 87
3. 3. 4 有限元模型 ………………………………………………………………………… 88
3. 3. 5 碰撞仿真分析计算工况 …………………………………………………………… 89
3. 3. 6 碰撞仿真分析计算结果 …………………………………………………………… 90
第 4 章 减振降噪分析与应用实例 ………………………………………………………… 105
4. 1 车辆振动噪声概念 …………………………………………………………………… 105
4. 1. 1 噪声的概念 ……………………………………………………………………… 105
4. 1. 2 噪声的物理量度 ………………………………………………………………… 105
4. 1. 3 噪声的评价方法 ………………………………………………………………… 106
4. 1. 4 轨道交通列车噪声组成 ………………………………………………………… 108
4. 1. 5 噪声特性分析 …………………………………………………………………… 110
4. 2 声学设计开发 ………………………………………………………………………… 112
4. 2. 1 明确设计任务 …………………………………………………………………… 112
4. 2. 2 噪声总体开发流程 ……………………………………………………………… 113
4. 2. 3 低噪声顶层性能设计与审查 …………………………………………………… 115
4. 2. 4 车内外噪声的测量标准 ………………………………………………………… 116
4. 3 动车组减振降噪设计与验证 ………………………………………………………… 119
4. 3. 1 项目研究技术路线 ……………………………………………………………… 119
4. 3. 2 动车组客室振动噪声优化方案研究 …………………………………………… 120
4. 4 城轨减振降噪设计与验证 …………………………………………………………… 134
4. 4. 1 噪声指标要求 …………………………………………………………………… 134
4. 4. 2 降噪目标设置 …………………………………………………………………… 135
4. 4. 3 仿真分析校核 …………………………………………………………………… 136
4. 4. 4 降噪实施措施 …………………………………………………………………… 139
第 5 章 动力学分析与应用实例 …………………………………………………………… 143
5. 1 车辆系统动力学概论 ………………………………………………………………… 143
5. 1. 1 车辆系统动力学理论概述 ……………………………………………………… 143
5. 1. 2 车辆系统动力学研究与应用 …………………………………………………… 150
5. 2 车辆系统动力学设计方法 …………………………………………………………… 152
5. 2. 1 车辆系统动力学评价方法和指标 ……………………………………………… 152
5. 2. 2 车辆系统动力学仿真方法 ……………………………………………………… 158
5. 3 车辆系统动力学性能评估及优化 …………………………………………………… 165
5. 3. 1 车辆系统动力学性能预测 ……………………………………………………… 166
5. 3. 2 车辆系统动力学性能优化 ……………………………………………………… 170
第 6 章 空气动力学分析与应用实例 ……………………………………………………… 179
6. 1 列车空气动力学概论 ………………………………………………………………… 179
6. 1. 1 流体力学的基本概念 …………………………………………………………… 179
6. 1. 2 计算流体力学的基本概念 ……………………………………………………… 182
6. 1. 3 流体运动及换热的基本控制方程 ……………………………………………… 185
6. 1. 4 湍流模型 ………………………………………………………………………… 187
6. 1. 5 近壁面模型 ……………………………………………………………………… 187
6. 1. 6 CFD 求解计算的方法 …………………………………………………………… 190
6. 1. 7 网格简介 ………………………………………………………………………… 191
6. 2 动车组空气动力学性能评估 ………………………………………………………… 194
6. 2. 1 动车组流场计算模型 …………………………………………………………… 194
6. 2. 2 流场计算结果分析 ……………………………………………………………… 200
6. 3 新头型多学科优化设计 ……………………………………………………………… 209
6. 3. 1 参数化几何模型的建立 ………………………………………………………… 210
6. 3. 2 优化设计变量的选取及 CATIA 脚本程序的修改 ……………………………… 214
6. 3. 3 气动力优化设计流程搭建 ……………………………………………………… 217
6. 3. 4 流场计算及优化结果分析 ……………………………………………………… 220
6. 3. 5 设计参数与气动力相关性分析 ………………………………………………… 223
6. 3. 6 优化设计变量对气动力的影响 ………………………………………………… 224
第 7 章 电磁兼容分析与应用实例 ………………………………………………………… 229
7. 1 电磁兼容概论 ………………………………………………………………………… 229
7. 2 车内低频磁场辐射强度分析 ………………………………………………………… 229
7. 2. 1 限制标准 ………………………………………………………………………… 230
7. 2. 2 架空接触网产生的交变磁场 …………………………………………………… 230
7. 2. 3 交变磁场分布及屏蔽仿真分析 ………………………………………………… 231
7. 2. 4 静磁场分布及屏蔽仿真分析 …………………………………………………… 233
7. 2. 5 动车组车内磁场现场测试分析 ………………………………………………… 234
7. 3 车顶高压设备电场分布仿真计算 …………………………………………………… 236
7. 3. 1 计算参照标准 …………………………………………………………………… 236
7. 3. 2 计算过程 ………………………………………………………………………… 236
7. 3. 3 断开主断路器仿真结果 ………………………………………………………… 238
7. 3. 4 闭合主断路器仿真结果 ………………………………………………………… 242
参考文献 ……………………………………………………………………………………… 247
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