仿真技术在地铁车辆制动电阻设计中的应用

天佑有限元 2021年12月16日浏览：2003 评论：2 收藏：7

来源：中国电业作者：招锦汉
关键字：仿真技术振动冲击使用寿命

本文从对产品的振动、冲击、疲劳、寿命、散热分析等几个方面进行了详细的讲解，剖析了仿真技术的重要性，并列举了仿真软件在制动电阻产品中的具体仿真分析实例。

1 概述

随着地铁车辆技术的迅速发展和人民生活质量的不断提高，制动电阻作为地铁车辆制动过程中的重要部件，其设计要求能够适应车辆越来越高的运行速度，一方面要求产品能够适应车辆在运行过程中，在各种冲击振动中具有足够的强度、高可靠性和长久的寿命，另一方面要求产品具有良好的散热结构，能够快速将由车辆制动时产生的能量转化成热量释放到空气中。

在过去的制动电阻产品设计中，以上问题的解决较多的依赖于工程师的个人经验和对样机的实际测试，很多都是在产品设计的后端或工程化阶段，这样不但效率低下而且需要花费昂贵的试验费用，在市场竞争日益激烈的今天，效率和成本就意味着竞争力，这种滞后的产品开发模式和昂贵的试验费用直接影响到了企业的产品竞争力，作为专业研发生产制动电阻的专业公司，我们已经意识到了这些问题，必须要及时解决。

CAE（Computer Aided Engineering，中译：计算机辅助工程设计），指用计算机辅助求解分析复杂工程和产品的结构力学性能，以及优化结构性能等。CAE仿真技术从上世纪60年代初在工程上开始应用至今，已经有了飞速的发展，它和高速发展的计算机技术相结合，在生产、设计、科研、教学等各个领域得到了广泛的应用，显示出了巨大的技术效益和经济效益，CAE技术在解决制动电阻设计、开发、生产过程中遇到的问题带来了高效率、低成本的途径。

以下分两大部分介绍仿真技术在制动电阻产品设计中的应用。

2 制动电阻振动、冲击、疲劳、寿命和可靠性仿真分析

在产品设计中，振动、冲击、疲劳、寿命等是非常重要的性能指标，依靠传统的设计方法只能对样机进行试验和测试来判断其可靠性，这种方法是有效，但在产品开发中又出现了难以克服的局限性：

(1)样机试验只能在样机生产完成后，在产品的实效性上难以满足日益激烈的竞争需求，产品开发周期长，而且破坏性的试验增大了产品的制造开发成本；

(2)样机测试通常得到的是整体数据，对于产品局部细节部分存在的隐患难以发现；

(3)探究产品的疲劳程度、使用寿命等问题，需要投入大量的时间，进行反复试验，造成产品试验周期过长，试验成本高；

以上问题，使得制动电阻产品在开发过程中，对于振动、冲击、使用寿命等可靠性问题的仿真分析显得尤为重要。通过运用仿真系统，从产品的垂向冲击振动变形情况、静态载荷和动态载荷情况进行详细分析，先计算出产品结构的应力，利用动荷载的分布特征，模拟出制动电阻的荷载流，计算荷载效应，得出整体结构的可靠度，然后运用系统可靠度原理分析整个产品的可靠度指标，通过可靠度指标来确定整个产品结构体系的使用寿命（如图1所示）。

仿真技术在地铁车辆制动电阻设计中的应用的图1 仿真技术在地铁车辆制动电阻设计中的应用的图2

图1 制动电阻垂向冲击振动变形情况和静态载荷下寿命仿真分析

通过仿真技术分析，在设计阶段就可以及时发现和解决产品可靠性和寿命方面存在的缺陷问题，能非常有效的降低产品的设计开发成本，缩短产品开发周期。仿真分析的准确性和实效性已经得到了实践验证，成为制动电阻产品开发中的必须环节。

3 制动电阻散热问题仿真分析

产品在设计过程中，温升是一项十分重要的性能指标，而温升通常是受到电阻带的结构形状、风机的性能和制动电阻的散热结构等几项因素影响。在电阻带结构确定，风机的性能参数已确定的情况下，制动电阻的散热结构好坏对制动电阻的温升影响是非常明显的。而在传统的制动电阻产品设计开发过程中，无法对散热结构进行有效的计算，往往只能对样机进行测试，根据测试的温升数据判断制动电阻散热结构是否存在缺陷，这种对样机的测试固然有效，但同样存在一定的局限性。

(1)样机测试只能得到具体的温升数据，无法有效比较不同散热结构的优缺点，很难发现散热结构的改进方向；

(2)样机测试往往需要的周期较长，需要制作不同的散热结构的样机用来进行测试对比，这样不但增加了产品的开发成本，也延长了产品的开发周期，无法满足目前日益激烈的市场竞争需求。

以上问题，使得制动电阻产品在开发过程中，对于散热结构的仿真分析显得非常重要，目前制动电阻产品已使用仿真分析技术（如图2所示），很好的解决了以上存在的问题，不同部位的数据能一目了然。

仿真技术在地铁车辆制动电阻设计中的应用的图3 仿真技术在地铁车辆制动电阻设计中的应用的图4