HyperWorks与ProductDesign共创轨道车辆安全新系统

行业：铁路/运输
挑战：开发一套用于在碰撞时保护铁路工程师的新安全系统。

Altair 解决方案：设计和测试新的工程师保护系统 (EPS) 并进行关联和样机制作。

优点：达到所有性能目标；最小化轨道车辆的额外新增成本和重量；系统不会对现有的驾驶舱造成任何妨碍

项目介绍

火车与火车之间的碰撞可能不常见，但一旦发生，造成的冲击是巨大的， 对于通常都没有任何防护的铁路工程师们则更是一场灾难。轨道车头的内部建构可以承受中等到强烈的冲击，但工程师操作台则几乎没有保护，使工程师承受可能会危及生命的冲击伤害。

Sharma & Associates (SA)为铁路行业提供工程解决方案。专门从事铁路 机械和基础设施工程，以及汽车和消费电子行业的机械工程项目。自1995年起，SA便一直为客户提供了安全、有效且高效的解决方案，服务的客户包括美国铁路管理局(FRA)、美国铁路协会(AAR)、铁路与运输机构、轨道车辆制造商和轨道车辆组件制造商。

SA与美国国家运输机构VOLPE合作。VOLPE隶属于美国运输部，旨在帮助运输社区预测技术、运营和体制事务中新产生的问题，他们与公共和私人组织合作，共同满足运输行业内的需求。 SA 开始对构建一个工程师保护系统 (EPS)概念开展研究，并将此作为VOLPE资助活动进行申请。

挑战

当时， SA 不熟悉必要的安全要求、可用的系统或冲击环境的总体性能协调，因此需要一个合作伙伴来帮助开发新的系统。该团队已通过使用 HyperWorks仿真套件而与Altair建立了积极的合作关系，所以他们与Altair进 行了联系，了解是否可在碰撞情景和人员受伤条件的知识上提供协助。 SA 选择了 Altair ProductDesign来帮助进行一项为铁路驾驶室开发EPS研究项目， 目的是在撞车后工程师撞击到驾驶室内的设备时能更好地保护他们的头部、胸部、颈部和双腿。要取得成功必须做到：EPS不能由工程师触发，并且不能影响工程师进出控制车。

解决方案

Altair ProductDesign的首个任务是为标准铁路操作舱的内部创建精确的有限元（FE）模型，团队在这一过程中使用了 HyperWorks前处理软HyperMesh。接下来，团队向环境中引入了一个假人模型，将其置于工程师的座位上, 面朝控制面板。

Altair ProductDesign 的碰撞专家之后能够对各种气囊类型、规格、位置和气流进行实验，并开发一个新的可变形护膝垫板来吸收撞击时的冲击力。

多个成品安全气囊充气机的数据和外壳几何结构详情由Key Safety Systems （KSS）提供，安全气囊几何结构、 旋转/包装详情和漏损量由 Altair ProductDesign 和 KSS 共同调整，旨在确保最终解决方案能够制造并能够与组件级的样机安全气囊降塔试验相关联。此外， Altair ProductDesign 将初始的有限元安全模型与 KSS 提供的分析性MADYMO （数学动态模型）结果相关联，以便为模型提供一个基准。然后可调整FE模型，获取项目的适当性能指标。 Altair ProductDesign 快速且高效地将FE组件级细节关联到安全气囊本身与护膝垫板支架的硬度，使团队能够将整个安全系统调整到最佳的性能。

                                                       在考虑了多套安全系统和安全气囊结构后,才得到最终设计（右）

                                                      分析安全气囊和护膝垫板性能

                                                      仿真结构与物理测试之间具有极高的关联度

团队开发的EPS系统使用了汽车乘客类型的安全气囊系统，并结合了可压碎式护膝垫板，整个系统旨在将伤害降至最低，并满足区域划分以及未系安全带乘员疏散和功能要求。

为了获得并展现出系统级的性能，在开发过程中进行了系统和子系统级的分析建模，并用 HyperWorks 的 RADIOSS 求解器进行了一系列的准静态和动态台车试验。新安全系统设计可在虚拟环境中良好工作后， Altair ProductDesign再让KSS构建用于测试的驾驶室样机，并令其提供进一步仿真所需要的可用安全硬件的重要细节。 执行了台车测试并记录了测试假人所受的力。

首次测试反映出，Altair ProductDesign构建的虚拟模型精确预测了趋势，ATD （仿人测试装置）的响应与物理碰撞结果在大部分严重伤害响应上达75%到85%的精确水平，在动力学上仅与ATD存在一些微小差异，这对于首次测试而言是一个非常优秀的精度水平。通过使用这些结果，团队对模型进行了一些小幅的改进，以便更好地将分析性能模型与物理测试相关联。之后进行了第二次台车试验，确定了性能与新的虚拟模型相匹配，并且这一次未发现任何动力学问题，严重伤害的响应精度也进一步提高到了 85%到 95%。

结论

此项目证实，通过使用最先进的分析技术和测试方法是可以开发一套能通过应用现代化乘员保护技术来有效保护驾驶室内工程人员的防护系统。

旨在安装于现有轨道控制车辆同时也能够根据新设计进行调整的 EPS 系统现已完工，随时可供铁路制造商使用 和实施，帮助提高工程师在二次撞击上的安全水平。

SA和Altair继续保持坚实的合作关系，SA会在需要时继续使用HyperWorks和Altair ProductDesign服务。

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