AcuSolve在日本高速列车安全性和舒适性仿真方面的应用

客户简介

日本车辆制造株式会社（Nippon Sharyo），位于日本名古屋，从19世纪末开始制造列车。现今它仍是日本产量最高的铁路列车制造商之一，拥有1100名员工，制造各种类型的列车，如特快列车、通勤列车，地铁及轻轨等。自从1964年第一辆时速200km/h高速列车起，日本车辆制造株式会社制造了超过3200个车厢。最新的子弹头列车时速可达300km/h。

挑战

通常如果一辆列车通过空旷无障碍区域，列车的空气动力载荷相对不是很复杂。然而列车在行驶过程中通常需要穿过隧道，同时也会在空旷地域或隧道内与其它列车交汇，这些情况下空气动力载荷就比较复杂。当列车穿过隧道，列车头部的压力波会引起很大的噪声和振动，因此设计者需要设计良好的列车头部外形，尽可能减小进出隧道压力波动的大小。

当两辆列车在隧道内会车时，问题更为复杂。每列车都将形成强烈的冲击波，这些波的碰撞和相互作用可对列车产生巨大的作用力。例如，列车对另外一辆列车产生巨大的推力，当压力平衡后，列车又被拉回，如果在设计过程中这样的作用力考虑得不是很周全，则列车实际中可能会有倾覆出轨的危险。即使较理想的情况下，该效应也会对乘客的舒适性有巨大影响。

另外当尽可能最大化乘客的舒适性和安全性后，以及其它一些方面也需要考虑。如列车明线运行时的动态载荷、高速行驶的侧风作用、列车门的噪声影响以及客舱内的通风换热等。

解决方案

制造样机是十分昂贵的，因此Nippon Sharyo采用Altair CFD软件AcuSolve进行复杂的空气动力学仿真：

- 安全性：预测侧风运行载荷，无风运行载荷以及会车载荷。
- 舒适性：除了进隧道噪声，还进了HVAC（暖通空调）仿真，考察乘客热舒适性。
- 制造工艺：采用摩擦搅拌焊（FSW）模拟车厢焊接过程。

摩擦搅拌焊仿真（FSW） 客舱内HVAC流动分析

AcuSolve模拟进隧道噪声

Nippon Sharyo早在2002年就开始使用AcuSolve进行CFD仿真。现在Nippon Sharyo设计人员主要依赖于Altair HyperWorks系列产品，特别是AcuSolve和HyperMesh进行列车的舒适性和安全性设计。

“运用AcuSolve进行CFD仿真可使我们设计更好的产品，”Nippon Sharyo设计组经理Sato Tetsuro说，“子弹头列车的设计项目逐年复杂，质量和性能要求评价标准越来越高，涉及到的物理现象也更复杂，CFD仿真能帮助我们找到更好的解决方案。”

在列车外部，Nippon Sharyo不但着眼于减小外形阻力，同时力求减小进隧道的噪声。在列车内部，采用AcuSolve进行复杂的暖通空调仿真，考察乘客的舒适性。在这过程中，还考察了人体温度和太阳辐射的影响。

结论

很多公司的设计人员需要采用不同的设计软件来考察列车外部的空气动力学特性和客舱内部的流动情况。然而AcuSolve让Nippon Sharyo实现在同一平台上完成两种不同方面的应用。因此大大降低产品设计成本，提高效率。

运用AcuSolve，列车外形得到了优化，减小了进隧道噪声。为提高客舱内部流动情况，工程师使用AcuSolve仿真，设计出更合理的空调进出口，从而优化夏天和冬天的乘客舒适性。其中涉及到的物理现象有强迫对流、自然对流、热辐射、湍流、热传递、热源和太阳辐射等众多物理模型。另外AcuSolve可以实现搅拌摩擦焊仿真，通过设计合理的焊接参数，提高车厢焊接工艺。