多物理场仿真优化轻量超级高铁设计

2019 年 7 月,瑞士洛桑联邦理工学院的 EPFLoop 学生团队连续第二年参加了 SpaceX 超级高铁设计竞赛。他们此次设计参赛的高铁比去年的重量减轻了一半,速度提升了两倍。通过多物理场仿真技术对复合材料进行建模是此次设计获得优化的一个关键因素。


Rachel Keatley
2020 年 12 月

“3,2,1,出发!”一列流线型设计的超级高铁在真空下以 238 千米/小时的速度沿着长约 1.6 千米的测试轨道飞驰而去。一个工程专业的学生团队静静地注视着他们从设计到制作的超级高铁完成了它的行驶。

2012 年,企业家埃隆·马斯克(Elon Musk)在旧观念的基础上对超级高铁的概念——一种极快的未来高速交通方式进行了推广。为了帮助实现这一愿景,马斯克的航空公司 SpaceX 发起并赞助了超级高铁设计竞赛(SpaceX Hyperloop Pod)。在该竞赛中,世界各地的工程师团队将被邀请参赛并展示他们的超级高铁设计原型,其中顶尖的入选者才能够在美国加利福尼亚州霍桑市(Hawthorne)的真实测试轨道上运行他们的设计。迄今为止,这项赛事已经举办了四场比赛,第一场比赛于 2017 年 1 月举行。

A collage of nine photos from inside the Hyperloop track, which looks like a long tunnel. Inside the Hyperloop track
图1 SpaceX 超级高铁真空测试轨道内部视图。

在 2019 年 SpaceX 超级高铁竞赛中,第二次参赛的 EPFLoop 团队大幅优化了他们的设计。此次,他们最受关注的改进之一是其车厢的重量比去年减轻了一半。构建紧凑型的复合材料结构是促成他们获得轻量化设计的一个关键因素。

受邀参赛

2018 年,由洛桑瑞士联邦理工学院(Swiss Federal Institute of Technology Lausanne,EPFL)工程专业的学生和技术顾问组成的 EPFLoop 团队,在 Mario Paolone 教授的带领下参加了他们的首次 SpaceX 超级高铁设计竞赛。他们获得了第三名的好成绩。全球有超过 5000 支队伍申请参赛,因此仅邀请排名前 20 的团队在 SpaceX 的测试轨道上参赛。 EPFLoop 团队成员非常享受这一经历,因此他们再一次投入了紧张的工作中,并希望获得参加 2019 年 SpaceX 超级高铁设计竞赛的资格。剧情透露:他们再次收到了邀请!

2019 年,EPFLoop 的目标是设计一种可以支撑结构载荷,例如惯性载荷和振动的轻量超级高铁。他们新设计车厢的底盘、压力容器和减速伞被嵌入一个紧凑型结构中,并且均由碳纤维复合材料构建。

A Hyperloop pod with red, black, and white design and logos sitting on a metal I-beam track. EPFLoop pod design
图2 2019 年 EPFLoop 超级高铁的结构设计

2019 年 EPFLoop 团队的技术负责人 Lorenzo Benedetti 博士表示:复合材料允许车厢结构采用特殊的形状,因此使用它有利于提高产品的整体强度和性能。” 团队学生成员 Jérôme Harray 补充道:“碳纤维材料能够适应各种电子和推进组件。”与使用金属材料相比,Harray 表示使用碳纤维在设计过程中具有更大的自由度,因为它可以优化材料层的形状和位置。碳纤维还具有超轻、坚固(甚至比钢更坚固,比铝更轻)和刚性的特征,这使得它成为构建超级高铁原型的理想材料。

尽管在超级高铁中使用复合材料是一项大胆的举措,但借助多物理场仿真技术,EPFLoop 能够高效地设计车厢的结构并专注于制造过程。

赛前准备

EPFLoop 团队在 EPFL 的先进复合材料制造实验室(Laboratory for Processing of Advanced Composites,LPAC)中制造了超级高铁的每一个部件。除了在实验室制作定制部件(这本身就是一项挑战)之外,团队还必须确保客舱的质量。为了实现所有目标并按时完成计划,他们借助 COMSOL Multiphysics® 多物理场仿真软件对每个设计进行了虚拟测试,并采用了统一的方法模拟超级高铁的每个部件。Benedetti 说:“每次在需要测试之前,甚至在建造之前,我们都可以利用仿真做出关键的决策。”

Two people wearing white lab coats, blue gloves, and respirator masks rolling black paint onto a board. Painting
Two people wearing white lab coats looking at a notepad held up by one of them. Analyzing
Four team members building a Hyperloop pod in a workshop. Building
图3 EPFLoop 团队在实验室中一起制作超级高铁

考虑到车厢的大部分结构都是由薄壁组成的,EPFLoop 团队决定寻找一种有效地方法,可以将这些组件创建为 2D 单元。因此,在建立初始 3D 实体几何模型后,他们使用 COMSOL Multiphysics® 的设计模块将碳纤维部件转化为壳几何结构。

The main structural components of a Hyperloop pod shown in black, white, and yellow. Main structural components
A 3D model of a Hyperloop pod showing the vertical and lateral stability inserts, pressure vessel, linear induction motor inserts, and braking inserts. Boundary conditions and loads
图4 EPFLoop 超级高铁(左)的主要结构部件以及施加到结构(右)的边界条件和荷载。

EPFLoop 团队使用 COMSOL® 软件及其复合材料模块(结构力学模块的附加组件)研究了动态载荷作用下超级高铁的主要结构部件的强度,包括压力容器、减速伞和底盘。动态载荷包括施加在压力容器上的 0.1Mpa 压强,制动系统的最大牵引力 10kN,以及为每套稳定系统施加的最大振动1.5 kN。此外,直线感应电动机在加速时会对车厢部件产生 2.5kN 的力,在减速时产生 3.8kN 的力。他们使用环氧纤维和泡沫层对三个部件(压力容器、减速伞和底盘)分别进行了建模。该团队通过复合材料模块的多层壳接口,使用等效单层理论分析了超级高铁的三明治结构。EPFLoop 建立模型中的唯一实体部件是各种复合板之间的连接件,这些连接件使用环氧结构胶加固。

“建立多物理场模型非常重要,因为在两个黏合部件的交界处,黏合剂会出现复杂的应力分布,从而可能导致严重失效。“ Benedetti 表示,“壳模型本身无法捕获面板之间正交连接的所有细节,而实体模型可以有效研究所选设计的限制。”

A schematic representation of the real junction and simplified model with annotations for the PV wall, CFRP fillets, epoxy resin, and rib. Correction of geometry
图5 对模型几何和连接件的校正。

为了满足 SpaceX 的安全要求,EPFLoop 必须保证整个结构的最小安全系数为 2,压力容器的最小安全系数为 3。因此,研究团队使用了 Tsai-Wu 安全标准以及对主应力的单个限制来达到目标要求。

Three models of the same Hyperloop pod design showing the Tsai-Wu safety factor in different layers in the pressure vessel and structural components. Tsai-Wu safety criterion
图6 压力壳以及其他结构部件的顶层、中层和底层的 Tsai-Wu 安全系数。

通过仿真,该团队成功优化设计出了一个足够轻的超级高铁,同时该设计仍可通过给定的安全系数抵抗动态载荷。Benedetti 说,与他们 2018 年的设计(重约 300kg)相比,新的客舱结构质量(重约 150kg)减轻了一半。此外,仿真还帮助 EPFLoop 团队能够确保新的设计能够在赛道上安全行驶。Benedetti 说,“在 9 个月的时间里,我们无法通过实验测试所有的设计,但是在某个时刻,我们必须确保我们的结果正确。很庆幸,我们通过仿真得到了良好的结果并经过了验证。”

比赛周

在参加 2019 年加州比赛的前夕,EPFLoop 超级高铁突然出现了故障。Benedetti 说:“在某个时刻,我们正在测试车厢,它却无法工作,车厢的推进系统出现了故障。”

他们设计的车厢由一个新的推进系统组成,其中包含一个直线感应电动机。该系统会在车厢中产生强大的磁场,使其能够离开铝制轨道,这是加速的关键。此外,它还有助于减轻车厢的整体重量。但是,该系统也需要克服诸多困难。例如,它需要大量在紧密间隔的线圈中流动的电流,并且系统中的每个部件都需要适当的绝缘,以避免电流泄漏或短路。

团队打开整个客舱检查后,发现电缆松动导致了电动机短路。经过彻夜不眠地检修,他们解决了这个问题。EPFLoop 超级高铁已做好了参赛准备!Benedetti 说:“这比实际比赛更加令人兴奋,因为在那个时刻,我们确保了我们的产品可以正常工作。” 那天晚上,EPFLoop 团队中的每个人都获得了重要的亲身经验:“一旦发现自己身陷困境,并且必须找到解决方案时,拥有发散性思维和当场解决问题的能力非常重要。”

比赛于 7 月的一个周日开始,持续了一周时间。在比赛期间,所有参赛队伍的技术文档和超级高铁都需要被评估并进行一系列测试。Benedetti 说:“我们为比赛做好了充分的准备,到星期三,我们已经完成了大部分测试。”

决赛日

令人印象深刻的是,EPFLoop 连续第二年进入了决赛,而这场比赛只对4支得分最高的队伍开放。他们将超级高铁命名为 Bella Lui (阿尔卑斯山的一座山脉),并做好了决赛准备。

在最后一场比赛结束时,团队成员一起走到赛道上为 Bella Lui 欢呼。但是对于团队成员 Nicolò Riva 来说,当天却是完全不同的经历。Riva 通过手机直播观看了比赛,因为他在德国攻读博士学位。Riva 说:“我仍记得比赛结束时他们欢呼的时刻。” Riva 苦乐参半,虽然无法亲自参加比赛,但他为团队感到骄傲。尽管 Riva 远程参与了该项目,但他仍然是 EPFLoop 团队不可或缺的一员。

A group photo of the EPFLoop team with thirty people dressed in white and one in black, all gathered behind the black, red, and white Hyperloop pod. EPFLoop team in 2019
2019 年 EPFLoop 团队。

EPFLoop 团队九个月的辛勤工作和不眠之夜最终汇聚为一句话:3,2,1,出发!比赛结束后,Benedetti 总结道:“我们获得了第三名,这非常了不起,因为我们使用了与去年完全不同的原型获得这一成绩。在比赛中,他们的轻型复合结构超级高铁最高速度达到 238km/h,几乎是其 2018 年最高速度(84km/h)的三倍。2019 年 EPFLoop 的超级高铁在以破纪录的速度行驶中,可以在不到 1s 的时间内以最高减速 7g 安全制动,这一功能与快速加速同样重要。

通过该项目,EPFLoop 团队的学生学会了如何设计创新的产品,从头开始建造原型以及如何使用多物理场仿真技术解决问题。