铁路设计与仿真最佳实践

铁路工程建设是一项复杂的系统性工程，涉及到多专业间的协同。达索系统3DEXPERIENCE是一个基于数据库服务器的协同设计BIM平台，用户可在平台上进行三维设计、有限元分析、施工仿真、模型交互展示、项目管理等诸多工作。本文主要介绍达索系统3DEXPERIENCE平台和仿真产品在参数化建模和多物理场仿真方面的应用。

达索系统CATIA具有强大的参数化建模能力，在隧道BIM设计中有许多应用，比如利用大地形处理模块完成地形地质数据的导入、优化、处理、正射影像贴图等；利用线路设计功能完成道路平曲线设计、纵曲线设计以及三维道路中心线设计。

地形地质建模

依托CATIA参数化设计能力和基于组件设计方法，可以快速实现多种方案三维设计，设计人员只需要在面板上选择相应的隧道类型和相应的控制参数，即可快速生成相应的方案模型，极大提升设计效率。

隧道参数化建模

对于盾构环拼接优化，参数化模板中集成了优化算法，使得相同的楔形环拼接出三维道路中心曲线。在设计阶段，可以验证不同道路中心线形式、不同盾构半径等情况下设计方案是否合理；在施工阶段，则输出相应的参数，指导优化施工阶段的盾构机掘进工法。通过盾构片精细化设计，可以完成参数化盾构片布筋、盾构片加工图纸输出。

达索系统3DEXPERIENCE平台集成了多个仿真APP，同时还提供了Abaqus、Simpack、XFlow、PowerFLOW、Wave6等仿真工具，可以进行铁路基础设施和机车车辆的结构、多体动力学、流体、噪声、传热等多物理场仿真和优化，以下介绍在铁路隧道开挖、边坡稳定性、隧道通风、车桥耦合作用、列车气动及噪声等方面的应用。

隧道开挖模拟

我国是一个多山的国家，为保证铁路的顺直、平缓，铁路建设经常需要开凿隧道。此外，随着城市化进程的推进，城市公路交通拥堵问题越来越严重。城市轨道交通以其载客量大、快捷、准时、安全、环保等特点，成为解决交通拥堵最有效的手段。目前我国有40多座城市开通或在建城市轨道交通，且大多为地铁。另外还有公路隧道、水工隧洞等。

隧道开挖可能涉及复杂的地质条件，需要采取适当的开挖方法和顺序以及注浆、锚杆、衬砌等多样的支护措施。Abaqus软件提供了多种岩土本构，梁、壳、实体等单元类型，接触和多种约束关系，以及生死单元技术，可以对各种复杂的隧道开挖过程进行精细模拟，为工程安全施工提供科学依据。

下面给出了3个隧道开挖模拟案例，仿真时需要针对不同的情况进行网格划分、选择单元类型和连接关系、采用合理的本构和参数以及定义施工步等，最终得到合适的结果。此外，Abaqus/CAE底层采用Python脚本来驱动，若隧道开挖过程需要的分析步数量较多，则可以通过Python脚本来定义分析步和单元生死，能够极大地提高工作效率。

隧道开挖过程变形结果

基于3DEXPERIENCE平台的隧道结构分析

某连拱隧道开挖后塑性应变

除了隧道开挖模拟，Abaqus以其丰富的单元、材料和分析类型功能，以及强大的非线性求解能力在铁路行业众多领域得到应用，如边坡稳定性、轨道振动特性、铁路桥梁、机车车辆的结构分析等。

边坡稳定性分析

隧道通风模拟

流体计算软件XFlow采用格子玻尔兹曼算法，结合大涡模拟，高保真的预测瞬态流动。技术优势在于前处理不需要对流体域进行网格划分，同时表面复杂的几何不再是限制因素，只需设置网格尺寸，全六面体格子可保证网格质量，节省大量前处理时间。XFlow可以模拟真实的的几何运动，独特的自适应网格细化算法能方便的处理运动几何体壁面附近、尾涡，交界面等压力梯度较大的区域。

XFlow的污染物扩散分析功能，可以用于计算隧道开挖过程中不同阶段不同通风条件下污染物扩散分布，监测污染物浓度，保障隧道作业通风安全。长度为310m的隧道，假定隧道内空气初始浓度为1，送入的新鲜空气的浓度为0，经过2小时的通风，隧道内的污染物浓度的变化过程如下所示。

类似地，XFlow还应用于地铁站火灾下的烟雾扩散模拟。

车桥耦合分析

我国高速铁路中桥梁里程中占比非常高，随着我国高速铁路运行速度不断提高，车桥耦合对铁路列车运行的影响日益突出，我国《高速铁路设计规范》(TB l0621-2014)中明确要求进行车桥耦合动力响应分析和列车-桥梁耦合振动分析。

Simpack Rail是用于轨道-车辆动力学仿真分析的专业软件，基于Simpack Rail和通用有限元软件Abaqus相结合的方法，可以对桥梁进行车-桥耦合动力学和振动分析，评价该桥在列车设计时速下车-桥系统的安全性和舒适性，验证该桥梁是否能满足列车行驶要求，研究结果可为同类桥梁的建设和管理提供技术资料。

车桥耦合振动分析

Simpack Rail还可用于轨道线路设计、行驶性能分析、轨下部件刚柔耦合分析以及地震作用下列车运行安全性评估等。

列车在不平顺轨道激励下的响应

列车气动分析

随着我国高速铁路的飞速发展，列车高速运行时引发的空气动力学问题也日益突出。当两车相向而行交会时，两车之间的气流受到挤压，将在列车表面产生强烈的瞬态压力冲击，对车体结构强度、车内乘客舒适性甚至列车安全运行都会产生重要的影响。

XFlow软件采用格子玻尔兹曼算法，可以考虑复杂的列车表面和运动的物体，对列车交会过程气动特性进行分析。建立两列3节车模型，线间距5m，会车速度为250km/h。经过计算，可以得到两车交会过程中的涡量、压力等流场结果。

两车交会时涡量分布

两车交会时压力分布

从两列车中间测点压力曲线可以得出，在两列车头车交会时，测点处会产生一个正、负脉冲即头波，两列车会有明显的“排斥-吸引”感；在最大负脉冲出现后，列车其他部位交会时测点压力开始等幅波动，直到通过列车的尾车鼻尖经过观察列车尾车鼻尖时，会产生一负、正脉冲即尾波，两列车会有明显的“吸引-排斥”感。

两列车中间测点压力变化曲线

列车噪声分

伴随列车速度的提升，噪声振动问题也日益突出，车厢内噪声环境成为乘坐舒适度的一个重要因素。根据国内外列车噪声理论研究和试验测试，列车噪声主要有牵引噪声、轮轨噪声和气动噪声，当列车高速运行时，气动噪声将占据主导地位。

PowerFLOW也是一款格子玻尔兹曼法(LBM)求解器，可以同时求解流场和声场，其先进的数值计算理论和独特的网格自动离散技术保证高精度的气动噪声仿真结果。如下所示为基于PowerFLOW对列车的气动特性进行模拟，来流速度为65m/s，结果显示在车底转向架区域产生强旋涡和噪声。

列车转向架的流场和噪声

声屏障分析

列车噪声不仅影响乘客的体验，也对周边环境产生了严重噪声污染。特别是在穿越城市居民区时，要求在铁路两侧采取声屏障等隔声措施。基于Abaqus和Wave6，可以分别对声屏障的结构及隔声特性进行模拟。

Wave6软件集成了有限元(FE)、边界元(BE)以及统计能量分析(SEA)方法，可以精确模拟噪声和振动，实现全频率范围的仿真。此外，Wave6与PowerFLOW还可以实现耦合分析。

声屏障振动特性分析

致谢

本文引用了“达索系统SIMULIA中国区用户大会”几篇文章中的成果，对此表示感谢。

[1] 冯山群. 隧道BIM模型基于达索3DEXPERIENCE平台的数值分析研究. 达索系统SIMULIA中国区用户大会, 2017.

[2] 伍国军, 陈卫忠, 郭小红, 陈蓉. 基于Abaqus变厚度曲中墙连拱隧道稳定性研究. 达索系统SIMULIA中国区用户大会, 2007.

[3] 宣言, 万家, 王澜. 板式无砟轨道结构的行车动力特性研究. 达索系统SIMULIA中国区用户大会, 2007.

[4] 李浩冉, 常城, 李田, 张继业. 基于XFLOW的高速列车明线交会气动数值模拟. 达索系统SIMULIA中国区用户大会, 2019.

内容来源：

铁路BIM联盟成员单位——达索公司