基于刚柔耦合模型的城轨车辆连挂碰撞研究

摘要

城市轨道交通技术发展日新月异，其运行平均时速也在不断加快，这就使得城市轨道交通安全问题越发重要。在城轨列车日常运营和维护中，需要编组连挂，为了提高作业效率，连挂速度不断提高，因此对列车吸振能力提出了新的要求，以确保列出在编组连挂中主体结构的安全、可靠。城轨列车在连挂碰撞过程中，其动能主要由吸能原件吸收，但在碰撞过程中车体结构会产生微小弹性变形，对消耗连挂碰撞能量将起到积极作用。列车安全防护分为主动安全防护和被动安全防护，本文主要研究列车被动安全防护技术，即在连挂碰撞发生过程中，如何最大程度吸收碰撞能量，保证车体结构的可靠。
　　城轨列车被动安全防护技术主要采用抗撞击性好的车体结构和安装在车辆中的一系列吸能装置来保护车体结构和乘客安全。本文利用计算机软件仿真技术对国内某型城轨列车连挂碰撞过程中列车动力学性能和各吸能装置吸能特性进行模拟计算，分析该型城轨列车在规定的三种连挂工况下能否满足连挂碰撞吸能要求。在此基础上将动力学软件中刚性车体模型替换为柔性车体模型，再进行连挂碰撞模拟仿真分析，并将两种车体模型的仿真结果进行对比分析。本文主要采用多体动力学理论对城轨列车刚性车体以及刚柔耦合车体连挂碰撞进行研究分析，显示有限元理论作为辅助对比分析。
　　本文首先介绍了理想状态下的列车连挂碰撞过程，并将其分为五个步骤且进行了详细说明，具体阐述了列车连挂碰撞过程中冲击能吸收、耗散过程。本文首先在多体动力学分析软件SIMPACK中建立了刚性车体动力学仿真模型，并对其组成的列车进行了动力学连挂碰撞仿真研究，得到相关动力学特性，证实了模型在连挂碰撞过程中的可靠性。然后在有限元分析软件ANSYS中对头车车体建立了有限元模型，并对其进行了子结构分析，再导入原动力学模型中替换头车的刚性车体，建立了列车刚柔耦合模型。最后将刚柔耦合动力学模型进行了相同工况下的连挂碰撞仿真分析，对比了柔性车体和刚性车体的仿真结果，得出了车体微小弹性变形对列车连挂碰撞动力学性能有一定影响的结论。
　　本文研究结果表明若要准确分析研究列车连挂碰撞动力学性能，应考虑车体自身的微小弹性变形的影响。本文的研究结果具有较好的理论意义和工程应用价值，对后续的列车被动安全防护研究起到了积极作用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文选题背景和研究意义

1．2 国内外车辆碰撞仿真研究现状

1．2．1 国外车辆碰撞仿真研究现状

1．2．2 国内车辆碰撞仿真研究现状

1．3 论文研究内容

第2章 列车碰撞多级吸能原理

2．1 列车耐撞性标准

2．2 城轨列车理想碰撞吸能过程

2．3 城轨列车吸能装置原理

2．3．1 车钩缓冲器装置

2．3．2 车体吸能结构

2．4 本章小结

第3章 列车刚体碰撞动力学仿真

3．1 列车刚体连挂碰撞仿真基本理论

3．1．1 多刚体系统动力学方法

3．1．2 运动方程的建立方法

3．2 列车刚体连挂碰撞仿真过程

3．2．1 列车模型仿真方法

3．2．2 列车连挂碰撞动力学计算模型

3．2．3 列车连挂碰撞动力学模型分析

3．3 列车刚体连挂碰撞建模过程

3．3．1 列车连挂碰撞仿真工况简介

3．3．2 列车模型设计参数

3．3．3 轮轨摩擦系数设置

3．3．4 吸能装置技术参数

3．3．5 连挂碰撞模型计算方法

3．4 地铁列车碰撞仿真结果分析

3．4．1 列车以8km／h速度连挂碰撞结果分析

3．4．2 列车以15km／h速度连挂碰撞结果分析

3．4．3 列车以25km／h速度连挂碰撞结果分析

3．5 本章小结

第4章 城轨列车刚柔耦合模型

4．1 列车刚柔耦合连挂碰撞仿真原理

4．1．1 多柔体系统动力学简介

4．1．2 多柔体系统动力学方法

4．2 城轨列车头车车体有限元建模

4．2．1 柔性车体建立过程

4．2．2 车体有限元模型建立

4．3 城轨列车车体模态分析

4．3．1 模态分析原理

4．3．2 车体结构模态分析计算

4．4 城轨列车车体子结构分析

4．4．1 车体子结构分析原理

4．4．2 车体子结构分析流程

4．5 车体刚柔耦合建模

4．5．1 FEMBS模块简介

4．5．2 FEMBS模块建立车体柔性体

4．6 本章小结

第5章 列车柔性碰撞仿真研究

5．1 柔性车体8km／h速度下连挂碰撞分析

5．2 柔性车体15km／h速度下连挂碰撞分析

5．3 柔性车体25km／h速度下连挂碰撞分析

5．4 柔性车体连挂碰撞效果评价

5．5 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文