基于虚拟孪生的仿真是降低铁路运营风险和成本的当务之急
在全球范围内，货物运输正在转向铁路运输。到 2050 年，铁路货运市场预计将增长到 1,150 吨公里。然而，亚太地区的铁路运营因可靠性和安全性较低的过时系统造成的频繁中断和事故而受到损害。用于确保铁路安全性、可持续性和可靠性的手动工具、数学模型和内部软件可能会产生次优的结果。安全可靠的铁路运营以及不断推进的可持续发展要求需要创新的仿真工具来提供切实的结果。
确保安全
铁路运营商的一个关键问题是安全，因为脱轨和事故会对基础设施及其使用者（包括乘客、人员和货物）构成重大风险。澳大利亚各地继续发生重大铁路脱轨事件和事故，尽管 2024 年关于澳大利亚铁路运输公司州际通道网络的报告显示其缺乏弹性。去年新西兰也发生了涉及人员伤亡的铁路事故。原因之一是，随着货运量和客运量的增加，火车变得越来越长，交通速度比过去更高，这增加了安全风险的复杂性。最近脱轨事故的增加意味着铁路安全管理人员面临着优化系统的压力。
如果紧急制动系统的功能没有得到优化，由泥浆、岩石滑坡或轨道损坏等环境因素造成的障碍物可能会带来附带风险。高级仿真工具对于工程师进行详细分析以确保作安全、提高性能并确保符合监管标准至关重要。
模拟关键工作流程 – 使用车辆动力学解决方案进行脱轨分析、紧急制动和临界速度分析，有助于解决铁路货运中的关键风险。铁路管理人员可以根据特定国家/地区的法规标准（如欧洲标准 EN 14363）运行认证测试，该标准涵盖了铁路应用的脱轨分析，并概述了使用虚拟仿真工具评估轨道车辆运行行为的要求。
对不同运行条件下（例如急转弯或恶劣天气）的轨道车辆动力学进行建模，有助于确定脱轨和翻车风险，并最大限度地减少潜在事故。
多体建模可以支持对不同轨道类型（例如弯曲或 S 形轨道）的各种列车配置进行仿真。这些用于侧翻分析的仿真功能提供了对不同列车序列在压力下的行为的深入见解，以识别侧翻因素。铁路工程师可以提高整体稳定性，并通过更深入地了解动态车辆行为来指导列车的设计和维护改进。
紧急制动是轨道车辆的一个关键安全问题，涉及复杂的动力学，会带来耦合器故障和轿厢之间纵向力过大的风险。铁路工程师需要对整个制动过程进行仿真，考虑轮轨相互作用、制动力分布和列车组成，以检查突然减速的影响。这些分析有助于防止千斤顶或设备故障等事故，并确保制动系统的设计具有最高的安全性和效率。
复杂的仿真策略增强了车辆行为预测，从而使工程师能够在潜在挑战升级之前预见并缓解它们。该策略还有助于仿真支持的维护、事故调查和保修或误用案例分析，从而在虚拟环境中提供对真实安全问题的有效和更深入的洞察。
当轨道车辆接近临界速度运行时，它们可能会遇到危险现象，例如狩猎振荡，其中过度的横向运动会破坏车辆的稳定性。这些不稳定因素可能导致脱轨、轨道损坏或乘客不适。列车在特定轨道路段上超过其安全运行速度或因轨道不规则而遇到共振，会显著增加脱轨的风险。
工程师需要对多式联运汽车进行临界速度分析，无论是空车还是满载车。通过这种仿真，他们需要根据货运列车的配置、负载和轨道条件了解货运列车的安全最大速度，并找出各种速度如何影响横向振荡。
通常，工程师会对铁路车辆进行物理测试，以满足认证要求，从而证明车辆可以安全运行。物理测试涉及成本、时间和风险。
虚拟认证测试通过在更短的时间内以虚拟方式进行大部分测试，消除了与物理测试相关的成本和风险。
它有助于解决设计阶段的潜在故障，提高安全性和性能，并降低运营风险。
确保铁路运营的可靠性
亚太地区铁路网络事故的频率再次证实了需要一个可靠的系统来预测和减轻此类风险。目前使用的物理测试和验证方法劳动密集型且成本高昂。例如，模拟导致脱轨的情况通常涉及火车车厢脱轨，这是一种危险的作。数学计算无法适应复杂性，并且经常提供不准确的结果。
将实时数据与多物理场和多尺度分析相结合的铁路货运车辆动力学仿真解决方案可以在潜在故障出现之前准确定位它们。
这样的解决方案支持及早、主动地解决问题，而不是被动地解决问题。这项综合分析的结果是更明智的决策和显著降低未来发生类似事件的风险。
将轨道车辆动力学仿真和空气动力学仿真结合在一个解决方案中，可以克服仿真参数和测试限制方面的传统限制。使用数字 3D 模型、虚拟演示和无限仿真场景并涵盖铁路组件的整个产品生命周期（从设计和仿真到运营和维护）的解决方案可以帮助运营商有效地监控和维护其资产，同时最大限度地减少停机时间并最大限度地提高机车车辆利用率。
基于虚拟孪生技术的现代解决方案可以将空气动力学输入结合到车辆动力学仿真中，以评估耦合力和脱轨风险。需要一种整体方法和独特的能力来提高铁路的可靠性。虚拟孪生可以执行以前不可能完成的任务，帮助铁路运营商以更低的成本实现更多目标。
此外，这些解决方案可以促进更紧密的协作和数字技术的无缝集成，从而实现跨部门协作，将运营经理与安全、工程和车队经理的工作流程和互动集中在一个页面上。这种集成有助于他们同时高效地进行通信，从而显著减少干扰，同时提高安全性、可靠性和可持续性。
提高燃油效率和可持续性
减少燃料消耗是全球铁路可持续发展的关键组成部分。气动拖动剩余影响铁路燃油效率的关键可控因素。测试各种发动机和货车的各种组合是管理空气动力阻力的关键。这包括研究拉力和推力如何变化，尤其是当力变为负值时。要有效地研究一列由数百节车厢组成的火车的空气阻力，需要先进的仿真工具和技术。
仿真软件必须管理不同的配置，并提供关于不同布置如何影响阻力和整体性能的见解。由于这些场景的复杂性，使用一流的可扩展仿真解决方案非常重要。仿真技术，尤其是那些利用虚拟孪生技术的技术，为应对这些挑战提供了一种强大的方法。
