Важность оценки шума, вибраций и жесткости конструкций
Железнодорожная отрасль работает в сложных условиях: число нормативных требований государственных органов растет, сроки и стоимость разработки сокращаются, а заказчикам нужны уникальные изделия, точно отвечающие их потребностям. В результате на начальных этапах разработки таких уникальных изделий все чаще применяется компьютерное численное моделирование, а по возможности — и параметрические расчетные модели.
Как и в других видах транспорта, достижение высокой энергоэффективности стало основной глобальной задачей железнодорожной отрасли.
Предприятия железнодорожной отрасли переходят на более легкие конструкции, что позволяет уменьшить вредные выбросы. Производителям также требуется снизить шум, обеспечив высокий уровень акустического комфорта для пассажиров. К сожалению, облегченные вагоны обычно отличаются худшими акустическими характеристиками и менее эффективно поглощают шум. Кроме того, акустические и шумовые характеристики нового подвижного состава (как снаружи, так и внутри вагонов) неизбежно получают широкую известность — их оценивает каждый пассажир.
Метропоезд Inspiro производства компании Siemens
Важность численного моделирования шума, вибраций и жесткости (NVH) конструкций в ближайшем будущем только возрастет, как это уже произошло со многими другими инженерными дисциплинами, среди которых — статические и динамические прочностные расчеты, материаловедение, оценка ходовых характеристик и контакта колес с рельсами, газогидродинамика, аэродинамика и оценка безопасности при авариях.
Всеобъемлющий подход на основе численного моделирования
Компания Siemens Mobility (входит в концерн Siemens), занимающаяся в том числе и городским транспортом, — крупный разработчик и изготовитель поездов метро, автобусов и трамваев. В настоящее время компания работает над заказами для метрополитенов в Мюнхене (Германия), Варшаве (Польша) и ЭрРияде (Саудовская Аравия), выпускает междугородние автобусы для Австрии, Чехии и США, а также трамваи для Катара, Мюнхена и Гааги (Нидерланды).
Созданная в системе SEA+ модель метропоезда Inspiro
Характерные особенности рельсового транспорта Siemens — высокое качество, отличная энергоэффективность и экологичность. Преимущества рельсового транспорта Siemens легко объяснить: метро и трамваи на электротяге относятся к самым энергоэффективным видам транспорта в мире. С целью дальнейшей оптимизации выпускаемой продукции потребовалось внедрение методик численного моделирования в процессы разработки.
Модель в системе SEA+ представляет внешние акустические нагрузки
В отношении шума и вибраций важнейшей задачей для компании Siemens стало соблюдение нормативных требований различных стран и заказчиков при сохранении малой массы конструкции. Очевидно, что в таких условиях одним решением обойтись невозможно: для каждого проекта приходится разрабатывать новые способы шумоподавления, отвечающие потребностям конкретного заказчика.
Главная трудность состоит в прогнозировании уровней звукового давления внутри и снаружи вагона с учетом всех источников шума и путей его передачи на различных скоростях движения поезда. При этом оптимизация показателей уровня шума должна выполняться уже на ранних этапах эскизного проектирования.
Краткое описание проекта
Продукт
Simcenter.
Задачи
- Создание легких вагонов с приемлемыми акустическими характеристиками.
- Соответствие требованиям различных стран по шуму.
- Прогнозирование уровня шума внутри и снаружи вагонов при движении с различными скоростями.
- Сокращение числа изменений, вносимых в эскизный проект.
Ключи к успеху
- Применение системы SEA+, надежно прогнозирующей акустические характеристики вагона в целом.
- Применение систем расчета методом конечных элементов при контроле проектных решений.
- Внедрение самых передовых рабочих процессов.
Результаты
- Характеристики подвижного состава полностью соответствуют изначально заданным.
- Оценка последствий конструкторских изменений при проектировании в пределах заданной стоимости и массы.
- Эффективная поддержка эскизного проектирования.
Основной вид деятельности клиента
Компания Siemens Mobility — крупный разработчик и изготовитель городского транспорта, поездов метро, автобусов и трамваев.
В настоящее время компания работает над заказами для метрополитенов в Мюнхене (Германия), Варшаве (Польша) и ЭрРияде (Саудовская Аравия), выпускает междугородние автобусы для Австрии, Чехии и США, а также трамваи для Катара, Мюнхена и Гааги (Нидерланды). www.mobility.siemens.com/ mobility/global/en/Pages/ siemensmobility.aspx
Местонахождение заказчика
Вена, Австрия.
«Открыть черный ящик»
Чтобы достичь поставленной цели, компания Siemens применила пакет решений Statistical Energy Analysis (SEA+) от компании InterAC, эксклюзивным поставщиком которого является Siemens PLM Software. Система SEA+ удачно дополняет решение Simcenter 3D при расчетах акустических явлений на средних и высоких частотах и прогнозировании путей передачи звука.
Основная причина, по которой компания Siemens выбрала систему SEA+, заключалась в необходимости точного прогнозирования всех происходящих в вагоне акустических явлений с учетом всех источников шума, путей его передачи и преобразования.
При этом прогнозирование должно было выполняться за строго определенное время и с использованием вычислительных ресурсов, применявшихся для прочностных расчетов и оценки аэродинамического шума. Более того, внедрение SEA+ позволило получить полную информацию о физическом поведении акустической модели. Теперь такая модель — уже не таинственный «черный ящик»: пользователи могут легко отследить потоки акустической энергии и понять их физическую природу.
График показывает прекрасную согласованность результатов натурных измерений и расчетов в системе SEA+
Компания Siemens также внедрила системы Virtual SEA (VSEA) и SEATest. Применение VSEA позволило рассчитывать пути передачи звука по конструкции и другие виброакустические параметры: модальную плотность, подвижность и пр. Расчеты выполняются на основе уже существующей конечноэлементной модели, создаваемой отделом прочностных расчетов. Более того, удалось отказаться от опытных образцов: модель в системе SEA+ создается непосредственно по конечноэлементной модели.
Компания Siemens применяет решение SEATest для анализа результатов испытаний с целью получения таких параметров, как эффективность звукоизоляции.
В ходе внедрения специалисты компании смогли глубоко изучить моделирование в системе SEA. Главным преимуществом наличия надежных моделей является возможность их использования на ранних этапах эскизного проектирования железнодорожной техники и оценки последствий вносимых изменений при проектировании в пределах заданной стоимости и проектировании в пределах заданной массы. Создаваемые в системе SEA физические модели позволяют создавать конструкции, характеристики которых максимально приближены к предельным значениям.
Создание самых передовых рабочих процессов
«Система SEA+ очень эффективна и удобна в работе, а Siemens PLM предоставляет великолепную техническую поддержку, — отмечает Себастьян Прейс (Sebastian Preis), инженеракустик компании Siemens Mobility. — Это единственный пакет программ, объединяющий различные подходы к численному моделированию и выполнению измерений. Система SEA+ обладает целым рядом уникальных функций. Связка с VSEA открывает новые возможности, которые, насколько я знаю, являются совершенно уникальными.
Система SEA+ гораздо лучше, чем приложение, которое использовалось ранее для численного моделирования. Ее интерфейс интуитивнопонятен, а производительность при моделировании и расчетах очень высока. В итоге специалисты применяют самый современный рабочий процесс, продуманный до мельчайших деталей, и рассчитывают виброакустические характеристики целого железнодорожного вагона практически во всем диапазоне рабочих частот.
Модель вагона в системе SEA+. Все подсистемы связаны друг с другом
Комплекс из решений SEA, Virtual SEA и SEATest является уникальным. Особенно это относится к системе VSEA, повышающей точность и эффективность расчетов при отсутствии опытных образцов для испытаний или нехватке времени на проведение измерений. Система SEA+ является лучшей в своем классе в плане функциональности, удобства использования, эффективности рабочих процессов и наличия таких дополнительных модулей, как Virtual SEA, который предназначен для работы с конечноэлементными моделями».
Компания Siemens применяет систему SEA+ при расчете пути передачи звука по конструкции и по воздуху, систему VSEA для оценки коэффициентов потерь в соединениях (CLF) и неявных корреляций между ними на глобальных модах, а также систему SEATest для измерения коэффициентов потерь на демпфирование и CLF в таких деталях, как двухслойные панели пола.
«До того как мы начали использовать численное моделирование шума и вибраций, требуемых акустических характеристик удавалось добиваться, как правило, на основе опыта, результатов измерений и расчетов в Excel, — заявляет гн Прейс. — Поэтому приходилось применять избыточные коэффициенты запаса по сравнению с теми, что получаются по результатам численного моделирования. Более того, численное моделирование позволяет уверенно решать и предпроектные задачи.
Еще одно существенное преимущество — простое обновление модели в ходе проектирования с выявлением внесенных изменений. В ходе выполнения проекта нас волнуют разные вопросы. Например, как замена двери повлияет на акустику внутри вагона. Обновление моделей подсистем в составе существующей модели изделия, созданной в SEA+, выполняется легко и быстро.
Наконец, внедрение SEA+ помогло перейти к численному моделированию всего вагона в целом уже на самых ранних этапах проектирования.
Система SEA+ является очень эффективным инструментом оценки акустических характеристик подвижного состава в заданном частотном диапазоне. Благодаря этому мы выпускаем высококомфортабельные вагоны в условиях постоянного роста спроса на более легкие и дешевые изделия».
