日本研发超级计算机轮轨关系模拟分析系统

     【《RRR》2020年第4期报道】当列车在钢轨上运行时，几十到一百平方毫米的轮轨接触面会产生多种方向、不同大小的应力，并承担数吨重的荷载。随着车轮在钢轨上不断滚动或滑动，荷载不断变化，可能导致轮轨材料的磨损、起泡撕裂甚至折断，进而引起或加剧车辆的噪声、振动、颠簸，影响乘坐舒适感，增大维护作业难度，甚至威胁行车安全。

　　由于轮轨接触面病害产生和发展的原因非常复杂，传统上一般通过实验来重现轮轨各种损伤的外观、产生机理和发展趋势。近年来，数值分析技术成为重现和预测轮轨作用及损伤象的有效手段。日本铁道综研所借助2018年引进的“究-2”型（CrayXC50）超级计算机，使用大规模并行计算技术和有限元方法，开发了一套大型并行计算模拟分析软件工具——“轮轨滚动接触模拟器”，该模拟器能够模拟左右车轮滚动，在前后1~2对车轴提供驱动扭矩时，对轮轨接触面各种应力的方向和大小进行数值计算分析，以图表形式得出仿真结果。此外，由于许多轮轨损坏现象通常发生在铁路曲线部分，需要对车辆在曲线上运行时产生的轮轨磨损情况进行模拟和动态分析，日本铁道综研所开发了单轴单轮模型、两轴两轮模型和两轴四轮模型，增加了列车在高曲线、急弯道处走行时，模拟轮轨相关作用的功能。

　　“究-2”型超级计算机具有9504个CPU，计算能力达每秒821.1万亿次浮点运算，适用于大型并行计算处理。日本铁道综研所利用该计算机开展轮轨、桥梁、隧道、列车运行等大型结构、复杂运动等力学现象的构造分析、运行模拟与数值仿真。同时，在模拟器中，日本铁道综研所对可能产生多种应力的接触面和外围部分，使用较小尺寸的细网格进行分割，并通过选择适当的元素和设置边界条件来创建整个分析模型，从而确保计算精度。而对其他部分则采取粗网格办法建模，并减少整体的自由度，从而提高模拟效率。

　                                          　                            （来源：中国铁道科学研究院集团有限公司科学技术信息研究所）