仿真技術(shù)在地鐵車輛制動(dòng)電阻設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1 概述

    隨著地鐵車輛技術(shù)的迅速發(fā)展和人民生活質(zhì)量的不斷提高，制動(dòng)電阻作為地鐵車輛制動(dòng)過(guò)程中的重要部件，其設(shè)計(jì)要求能夠適應(yīng)車輛越來(lái)越高的運(yùn)行速度，一方面要求產(chǎn)品能夠適應(yīng)車輛在運(yùn)行過(guò)程中，在各種沖擊振動(dòng)中具有足夠的強(qiáng)度、高可靠性和長(zhǎng)久的壽命，另一方面要求產(chǎn)品具有良好的散熱結(jié)構(gòu)，能夠快速將由車輛制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化成熱量釋放到空氣中。

    在過(guò)去的制動(dòng)電阻產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，以上問(wèn)題的解決較多的依賴于工程師的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和對(duì)樣機(jī)的實(shí)際測(cè)試，很多都是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的后端或工程化階段，這樣不但效率低下而且需要花費(fèi)昂貴的試驗(yàn)費(fèi)用，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的今天，效率和成本就意味著競(jìng)爭(zhēng)力，這種滯后的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)模式和昂貴的試驗(yàn)費(fèi)用直接影響到了企業(yè)的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，作為專業(yè)研發(fā)生產(chǎn)制動(dòng)電阻的專業(yè)公司，我們已經(jīng)意識(shí)到了這些問(wèn)題，必須要及時(shí)解決。

    CAE（Computer Aided Engineering，中譯：計(jì)算機(jī)輔助工程設(shè)計(jì)），指用計(jì)算機(jī)輔助求解分析復(fù)雜工程和產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，以及優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能等。CAE仿真技術(shù)從上世紀(jì)60年代初在工程上開(kāi)始應(yīng)用至今，已經(jīng)有了飛速的發(fā)展，它和高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，在生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、科研、教學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，顯示出了巨大的技術(shù)效益和經(jīng)濟(jì)效益，CAE技術(shù)在解決制動(dòng)電阻設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題帶來(lái)了高效率、低成本的途徑。

    以下分兩大部分介紹仿真技術(shù)在制動(dòng)電阻產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

2 制動(dòng)電阻振動(dòng)、沖擊、疲勞、壽命和可靠性仿真分析

    在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，振動(dòng)、沖擊、疲勞、壽命等是非常重要的性能指標(biāo)，依靠傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法只能對(duì)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)和測(cè)試來(lái)判斷其可靠性，這種方法是有效，但在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中又出現(xiàn)了難以克服的局限性：

    (1)樣機(jī)試驗(yàn)只能在樣機(jī)生產(chǎn)完成后，在產(chǎn)品的實(shí)效性上難以滿足日益激烈的競(jìng)爭(zhēng)需求，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，而且破壞性的試驗(yàn)增大了產(chǎn)品的制造開(kāi)發(fā)成本；

    (2)樣機(jī)測(cè)試通常得到的是整體數(shù)據(jù)，對(duì)于產(chǎn)品局部細(xì)節(jié)部分存在的隱患難以發(fā)現(xiàn)；

    (3)探究產(chǎn)品的疲勞程度、使用壽命等問(wèn)題，需要投入大量的時(shí)間，進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，造成產(chǎn)品試驗(yàn)周期過(guò)長(zhǎng)，試驗(yàn)成本高；

    以上問(wèn)題，使得制動(dòng)電阻產(chǎn)品在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對(duì)于振動(dòng)、沖擊、使用壽命等可靠性問(wèn)題的仿真分析顯得尤為重要。通過(guò)運(yùn)用仿真系統(tǒng)，從產(chǎn)品的垂向沖擊振動(dòng)變形情況、靜態(tài)載荷和動(dòng)態(tài)載荷情況進(jìn)行詳細(xì)分析，先計(jì)算出產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，利用動(dòng)荷載的分布特征，模擬出制動(dòng)電阻的荷載流，計(jì)算荷載效應(yīng)，得出整體結(jié)構(gòu)的可靠度，然后運(yùn)用系統(tǒng)可靠度原理分析整個(gè)產(chǎn)品的可靠度指標(biāo)，通過(guò)可靠度指標(biāo)來(lái)確定整個(gè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)體系的使用壽命。

    通過(guò)仿真技術(shù)分析，在設(shè)計(jì)階段就可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決產(chǎn)品可靠性和壽命方面存在的缺陷問(wèn)題，能非常有效的降低產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)成本，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。仿真分析的準(zhǔn)確性和實(shí)效性已經(jīng)得到了實(shí)踐驗(yàn)證，成為制動(dòng)電阻產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的必須環(huán)節(jié)。

3 制動(dòng)電阻散熱問(wèn)題仿真分析

    產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過(guò)程中，溫升是一項(xiàng)十分重要的性能指標(biāo)，而溫升通常是受到電阻帶的結(jié)構(gòu)形狀、風(fēng)機(jī)的性能和制動(dòng)電阻的散熱結(jié)構(gòu)等幾項(xiàng)因素影響。在電阻帶結(jié)構(gòu)確定，風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)已確定的情況下，制動(dòng)電阻的散熱結(jié)構(gòu)好壞對(duì)制動(dòng)電阻的溫升影響是非常明顯的。而在傳統(tǒng)的制動(dòng)電阻產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，無(wú)法對(duì)散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的計(jì)算，往往只能對(duì)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)測(cè)試的溫升數(shù)據(jù)判斷制動(dòng)電阻散熱結(jié)構(gòu)是否存在缺陷，這種對(duì)樣機(jī)的測(cè)試固然有效，但同樣存在一定的局限性。

    (1)樣機(jī)測(cè)試只能得到具體的溫升數(shù)據(jù)，無(wú)法有效比較不同散熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，很難發(fā)現(xiàn)散熱結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方向；

    (2)樣機(jī)測(cè)試往往需要的周期較長(zhǎng)，需要制作不同的散熱結(jié)構(gòu)的樣機(jī)用來(lái)進(jìn)行測(cè)試對(duì)比，這樣不但增加了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成本，也延長(zhǎng)了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，無(wú)法滿足目前日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)需求。

    以上問(wèn)題，使得制動(dòng)電阻產(chǎn)品在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對(duì)于散熱結(jié)構(gòu)的仿真分析顯得非常重要，目前制動(dòng)電阻產(chǎn)品已使用仿真分析技術(shù)，很好的解決了以上存在的問(wèn)題，不同部位的數(shù)據(jù)能一目了然。

    將仿真技術(shù)應(yīng)用到制動(dòng)電阻產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與散熱的仿真分析，很好的解決了產(chǎn)品在沖擊、振動(dòng)、疲勞、壽命和散熱等問(wèn)題，有效的提高了產(chǎn)品優(yōu)化改進(jìn)的效率，降低了優(yōu)化改進(jìn)的成本，確保了優(yōu)化改進(jìn)結(jié)構(gòu)的有效性，提升了用戶對(duì)制動(dòng)電阻產(chǎn)品技術(shù)實(shí)力的認(rèn)可度。

4 結(jié)束語(yǔ)

    隨著計(jì)算機(jī)和現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，新技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用，CAE仿真技術(shù)的應(yīng)用范圍日益廣泛，其作用也愈加重要。仿真技術(shù)的應(yīng)用，既提高了制動(dòng)電阻產(chǎn)品質(zhì)量，又縮短了設(shè)計(jì)、試制周期，同時(shí)能科學(xué)合理的控制成本，提高生產(chǎn)效率，對(duì)促進(jìn)我國(guó)城市軌道交通的快速發(fā)展有著重要作用。