高速动车组牵引系统建模仿真
项目背景
高速铁路是当代新技术的集成，是一个庞大而复杂的系统工程，其中高速列车是高速铁路的载体与新技术的核心。随着国家对高速铁路领域投入不断加大，需求不断增长，大大增加了高速列车制造企业的研制任务，同时对产品的质量要求也越来越苛刻，迫切需要利用有效的仿真分析手段支持产品的研制，减少对试验的依赖，利用“设计-仿真-优化-验证”迭代，深入研究产品的特性，实现产品创新设计，同时缩短新产品研制周期，提升企业的核心竞争力。
对于电力牵引动力的高速动车组和城轨列车，轻量化、低噪声、高功率密度的牵引传动系统是目前的研发趋势，将在高速轮轨关系、弓网关系、空气动力学、牵引制动性能等方面推进技术创新，提高逆变系统和交流传动控制技术特性，采用先进传感技术，提高列车的主动安全预防。研究基于大功率电力电子的轻量化、高功率密度变流技术，借助数字化多物理建模手段开展上述研发优化都是大势所趋。
实施案例
研究内容：
- 牵引系统稳定性
- 控制系统设计与优化
- 模型校核与验证
- 牵引变流器及控制算法优化
- 牵引电机设计与控制算法优化
- 牵引系统热容量评估
牵引系统采用交-直-交传动技术，由AC 25kV接触网供电，经主变压器变压后给牵引变流器供电。牵引变流器将单相交流电变为电压、电流、频率可控的三相交流电，为牵引电机供电，牵引电机轴输出的转矩与转速通过变速箱内的齿轮传动传递给车轮，转换成轮缘牵引力和线速度。
牵引系统主电路主要由网侧高压电器、牵引变压器、牵引变流器和牵引电动机等组成。受电弓从接触网接收AC 25kV的交流电，然后通过布设在车顶和车端的高压电缆将电能输送到牵引变压器，变压器通过车辆间的连接馈线到动车变流器单元。变流器单元内部的整流模块将交流电整流为直流电。直流电通过逆变模块向牵引电机提供电压、电流、频率可控的三相交流电供给三相异步牵引电机。
图2为牵引系统的网侧谐波场景测试结果，分别为负载功率和不同发电站距离下的变压器原边电压和电流。根据该结果，可以计算相应的电压电流畸变率和等效干扰电流，以及3、5、7次等网侧谐波含量。
列车制动系统故障预测
项目背景
为了确保制动系统功能需求在实际使用中得到有效执行，保证功能安全，并对产品的持续改进提供指导方向，需要对各个子系统进行有效的故障预测，进而实现寿命预测及系统健康度评估。传统的基于实验数据进行故障预测，故障实验数据往往获取代价高昂，收集成本周期较长，而且人工智能学习训练模型的过程又极其复杂，使得基于实验数据的故障预测方法难以应用。
基于模型的故障预测方法，具有实验成本低，周期短，可设置故障模式多等优点，通过建立无故障的产品/系统模型，收集故障模型的故障样本数据，然后将建立故障模型并将其注入产品/系统模型中，基于大数据进行故障预测和诊断。
实施案例
利用Modelica对动车制动系统进行的详细的系统建模，包含制动控制模型，基础制动装置模型等。
针对建立好的制动系统模型，将列车在制动过程中的制动压力实际测量值与模型计算输出值进行比较，可以看出，模型计算值与现场实际测量值的相对误差小于5%，表明模型适用于多种不同工况，且具有很好的精度。基于建立好的制动系统模型，将故障模型进行注入，进行故障模拟。定义一系列不同健康度的制动系统模型，生成故障样本，研究制动系统故障产生过程。
基于1D-3D耦合仿真的列车制动盘热力分析
项目背景
摩擦造成的热应力分布不均，是实际工程项目中经常会遇到的问题，涉及多物理领域综合作用。高速动车组制动系统盘式制动盘工作过程伴随着温度场与压力场的高强度耦合，制动盘和摩擦片间的摩擦热使制动盘温度升高，在其表面形成不均匀的温度场。随着接触压力改变，使得制动盘表面局部温度过高，加剧温度梯度变化，使得热应力分布更不平衡，摩擦磨损现象加剧，直接影响制动系统性能。
Modelica语言因其具有面向对象，非因果求解，涉及多物理领域等特点，是求解此类问题的最佳工具。基于Modelica语言及相应的商业库，可以建立起从材料到系统，从1D到3D的耦合计算。
实施案例
仿真平台：Modelica（Dymola），DLR 柔体库，SIMTEK制动系统库
列车制动过程中，动能转化为热能，瞬间产生的热量部分被制动盘吸收，使得其温度急剧升高，同时产生热应力，引发制动盘非线性振动。基于Modelica和SIMTEK制动系统库，搭建列车制动系统，模拟在实际制动工况，提供盘式制动器虚拟测试环境。借助DLR 柔体库，搭建热弹性的基础制动装置模型，用于制动盘工作状态下的热力分析。
