Производитель подвижного состава применяет для точного расчета акустических характеристик

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 снизить вредные выбросы. Производителям также требуется снизить и 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.

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 Эр-Рияде (Саудовская Аравия), выпускает междугородние автобусы для Австрии, Чехии и США, а также трамваи для Катара, Мюнхена и Гааги (Нидерланды).

Отличительные признаки 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.

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 не обойтись: 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.

“Открыть черный ящик”

Чтобы достигнуть 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 аэро-динамического 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.

Компания Siemens также внедрила системы Virtual SEA (VSEA) и SEA-Test. Применение VSEA позволило рассчитывать пути передачи звука по конструкции и другие виброакустические параметры — модальную плотность, подвижность и прочие. Расчеты выполняются на основе уже существующей конечно-элементной модели, создаваемой отделом прочностных расчетов. Более того, удалось отказаться от опытных образцов: модель в системе SEA+ создается непосредственно по конечно-элементной модели.

Компания Siemens применяет решение SEA-Test 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 применения 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.