AcuSolve在日本高速列車安全性和舒適性仿真方面的應用

客戶簡介

日本車輛制造株式會社（Nippon Sharyo），位于日本名古屋，從19世紀末開始制造列車。現今它仍是日本產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年第一輛時速200km/h高速列車起，日本車輛制造株式會社制造了超過3200個車廂。最新的子彈頭列車時速可達300km/h。

挑戰

通常如果一輛列車通過空曠無障礙區域，列車的空氣動力載荷相對不是很復雜。然而列車在行駛過程中通常需要穿過隧道，同時也會在空曠地域或隧道內與其它列車交匯，這些情況下空氣動力載荷就比較復雜。當列車穿過隧道，列車頭部的壓力波會引起很大的噪聲和振動，因此設計者需要設計良好的列車頭部外形，盡可能減小進出隧道壓力波動的大小。

當兩輛列車在隧道內會車時，問題更為復雜。每列車都將形成強烈的沖擊波，這些波的碰撞和相互作用可對列車產生巨大的作用力。例如，列車對另外一輛列車產生巨大的推力，當壓力平衡后，列車又被拉回，如果在設計過程中這樣的作用力考慮得不是很周全，則列車實際中可能會有傾覆出軌的危險。即使較理想的情況下，該效應也會對乘客的舒適性有巨大影響。

另外當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。如列車明線運行時的動態載荷、高速行駛的側風作用、列車門的噪聲影響以及客艙內的通風換熱等。

解決方案

制造樣機是十分昂貴的，因此Nippon Sharyo采用Altair CFD軟件AcuSolve進行復雜的空氣動力學仿真：

- 安全性：預測側風運行載荷，無風運行載荷以及會車載荷。
- 舒適性：除了進隧道噪聲，還進了HVAC（暖通空調）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。

摩擦攪拌焊仿真（FSW） 客艙內HVAC流動分析

AcuSolve模擬進隧道噪聲

Nippon Sharyo早在2002年就開始使用AcuSolve進行CFD仿真。現在Nippon Sharyo設計人員主要依賴于Altair HyperWorks系列產品，特別是AcuSolve和HyperMesh進行列車的舒適性和安全性設計。

“運用AcuSolve進行CFD仿真可使我們設計更好的產品，”Nippon Sharyo設計組經理Sato Tetsuro說，“子彈頭列車的設計項目逐年復雜，質量和性能要求評價標準越來越高，涉及到的物理現象也更復雜，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，同時力求減小進隧道的噪聲。在列車內部，采用AcuSolve進行復雜的暖通空調仿真，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。

結論

很多公司的設計人員需要采用不同的設計軟件來考察列車外部的空氣動力學特性和客艙內部的流動情況。然而AcuSolve讓Nippon Sharyo實現在同一平臺上完成兩種不同方面的應用。因此大大降低產品設計成本，提高效率。

運用AcuSolve，列車外形得到了優化，減小了進隧道噪聲。為提高客艙內部流動情況，工程師使用AcuSolve仿真，設計出更合理的空調進出口，從而優化夏天和冬天的乘客舒適性。其中涉及到的物理現象有強迫對流、自然對流、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可以實現攪拌摩擦焊仿真，通過設計合理的焊接參數，提高車廂焊接工藝。