Altair HyperWorks助力开发轻型阿尔卑斯山火车

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行业：轨道车辆

挑战：设计以一款工况复杂的轻型列车

Altair 解决方案：采用HyperWorks进行设计

优点：仿真和现实的高度吻合；快速可靠的结果

背景介绍

Stadler Rail 是行业内一家充满活力的公司。Stadler 在欧洲的六个工厂拥有 2000 名员工，主要为区域和当地铁路公司制造轻轨高速列车和有轨电车，同时也是齿轨铁路市场的领先供应商。该公司采用模块化、可扩展的理念设计以客户为导向的解决方案，旨在满足客户的特定需求。该公司的静态/动态/认证部门（负责对 Stadler 的 CAD 轨道车辆模型进行 CAE 仿真）采用 Altair HyperWorks 工程框架成功开发了一款称作冰川快车(Glacier Express)的轻型火车，乘客可乘坐这款列车开启一场激动人心的阿尔卑斯山探险之旅。借助 HyperWorks 工具，该部门得以快速、高效地完成整个开发过程。

冰川快车由瑞士雷蒂亚铁路公司负责运营，在瑞士著名的豪华观光线路采尔马特- 圣莫里茨上往返运行。它全程跨越多座桥梁、穿越多条隧道，还要翻过多个隘口，包括海拔 6,669 英尺（2,033 米）的欧伯拉普山道。考虑到蜿蜒爬行的需要，该铁路公司要求提供六节总重量不超过 135 吨的轻型铝制结构车厢。为此，Stadler 采用 HyperWorks 工具（包括 HyperMesh 和 OptiStruct）进行设计工作，不仅满足了对方的上述要求，同时也保证了紧凑的开发进度。

“我们非常喜欢 HyperWorks 的开放式平台结构，因为使用这一工具套件，我们解脱了只能搭配使用单个有限元求解器的束缚。”

Alois Starlinger博士

瑞士Stadler Rail公司

解决方案

结构工程师先在 CATIA V 中构造出首批冰川快车轨道车辆模型。Starlinger 的团队随后使用 HyperWorks 对模型进行了网格划分，并对系统行为进行了分析和优化。

“HyperWorks 帮我们实现了所有的预期，”Starlinger 说，“我们可以把输入文件直接读入有限元求解器 ABAQUS，而无需做任何编辑。利用 HyperWorks，我们很快完成了设计优化，并达到了目标重量。”

仿真与现实的高度吻合

由于开发周期日益紧迫，样机设计在当今的铁路行业已不常见。相反，列车会直接根据优化的模型来制造，并且不会在交付前进行试验。

“这就使仿真的可靠性变得极其重要，”Starlinger 说，“我们必须能够完全依靠仿真结果，以免对模型进行不必要的修改。” 经过列车合格鉴定阶段的多次抗压试验，证明 HyperWorks 仿真的确具备可靠性。项目团队还对轨道车辆进行了特定的离合器和侧减震器压力测试。这一系列测试表明，仿真结果与实际的测试结果高度吻合。

“我们认真进行了多次比较分析，发现仿真结果是完全可靠的，”Starlinger 说，“我预计，对纯金属轨道车辆结构进行抗压测试的做法最终会被淘汰，取而代之的将是我们正在使用的这种仿真。”

转变构造方法

仿真技术同时也在改变着 Stadler 对组件的开发方式，使他们得以创造出全新的评估方法。在冰川快车这一项目中，玻璃窗和门口上方的复合材料夹层车顶需要完全粘合到车体上。“借助仿真，我们得以确定理想的胶接方法并优化生产，”Starlinger 说， “我们还在合格鉴定之前完成了对胶接方法的测试。在胶水供应商的配合下，我们进一步完善了从结构上进行胶接的操作指导，并确认可以在生产过程中运用这些指导。”

利用仿真技术，以往使用传统开发方法无法实现或会产生大量风险的构造方法得以实施。现在，一部分构造步骤可以由仿真来代替，从而有效降低项目开发风险。

快速可靠的结果

2003 年，Stadler 的业务呈现迅猛增长并迫切需要将开发风险最小化，为此，他们组建了自己的仿真部门。该部门从创立之初就一直使用 Altair 软件。让 Starlinger 尤其满意的是 HyperWorks 的有限元建模器 HyperMesh 所具备的前处理与后处理功能。

“HyperMesh 为我们创造了极大的灵活性，”Starlinger 说，“我们可以非常高效地将 CATIA V 计算机辅助设计 (CAD) 模型直接转换成有限元模型。此外，HyperWorks 还使我们能够快速地计算和分析大型模型。”

“对我们来说，软件的可靠性也非常重要。我们在装有 Windows XP 和 Windows 2000 的 PC 工作站上运行 HyperWorks，以高达 350 万个自由度和多达 700,000 个单元无错误地构造模型。我们使用 HyperWorks 在配有 2GB 内存和 3.4GHz 处理器的 PC 上进行前处理和后处理，模型的计算速度快得令人惊讶。”