基于连挂碰撞的城轨车辆吸能结构研究

摘要

随着轨道交通的迅速发展，轨道车辆的安全性日益成为人们关注的焦点。国内外频烦发生的列车碰撞事故总是对人员和财物造成严重的损失，这给予了人们悲惨的教训。对列车碰撞的研究已经成为当下热门的研究课题。列车碰撞的安全防护技术主要分为两种:主动安全防护与被动安全防护。主动安全防护指的是采取措施来降低列车发生碰撞的概率;被动安全防护是指在列车已经发生碰撞时，采取措施来减少碰撞带来的人员和财物损失。
　　本文基于针对被动安全防护对地铁列车连挂碰撞进行研究。地铁列车被动安全防护的主要措施是设计耐撞性车体结构并在其合适的位置设置各种吸能结构，通过吸能结构变形吸收碰撞产生的能量，从而减少人员和财产的损失。本文主要通过计算机仿真对地铁车辆各吸能结构进行仿真模拟，得到其各碰撞工况下的吸能结果并分析其是否满足吸能要求。研究列车碰撞的计算机仿真方法主要有显示有限元和动力学两种。显示有限元方法能得到碰撞时的应力和变形等详细参数，但是其计算量巨大，不适宜用作整列车的碰撞研究。相比之下，动力学方法计算速度快，计算效率高，对于整列车的碰撞研究十分有效。本文综合了两种方法的各自优点，将其联合起来对地铁列车连挂碰撞进行仿真计算。
　　本文将列车碰撞过程分为四个等级，并对各级吸能装置的结构和工作原理作了详细的介绍。本文首先详述了显示有限元的基本原理，并运用显式有限元方法研究各种因素对薄壁金属吸能结构的影响规律，并依此设计出车体专用吸能结构。利用有限元方法对设计出的专用吸能结构进行碰撞仿真，得到其吸能过程中的力—位移曲线。然后运用多体动力学和纵向动力学的知识通过SIMACK软件对整列车的碰撞进行模拟仿真。在仿真的过程中详细阐述了缓冲器和压溃管等吸能结构的力元设置方法。仿真结果表明缓冲器和压溃管仅能满足碰撞速度为15km/h时的吸能要求。对于25km/h的碰撞速度，剩余的能量需要靠车体专用吸能结构吸收。然后通过弹塑性力元将得到的专用吸能结构的力—位移曲线整合到SIMPACK软件中进行列车的高速碰撞仿真。结果表明初步设计的专用吸能结构由于纵向刚度过大，无法满足吸能要求。最后通过适当削弱专用吸能结构的壁厚来对其进行优化，并得到其力—位移曲线再次进行整列车碰撞的动力学仿真。优化后的专用吸能结构能够很好地满足吸能要求。本文的研究内容具有较好的理论意义与重要的工程应用价值，将对地铁列车的发展和应用起到促进作用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文的背景与研究意义

1．2 国内外轨道列车碰撞研究现状

1．2．1 国外轨道车辆碰撞研究现状

1．2．2 国内轨道列车碰撞研究现状

1．3 本文研究内容

第2章 列车碰撞吸能过程及原理

2．1 列车碰撞安全标准

2．2 列车碰撞吸能的主要过程

2．3 车辆间各级吸能结构

2．3．1 带有压溃吸能装置的车钩

2．3．2 车体吸能结构

2．4 本章小结

第3章 车体专用吸能结构研究

3．1 显式有限元理论

3．1．1 显式有限元所用单元

3．1．2 积分简化和沙漏控制

3．1．3 接触-碰撞算法

3．1．4 材料本构关系模型

3．2 专用吸能结构吸能特性的影响因素

3．2．1 吸能结构截面形状

3．2．2 吸能结构截面尺寸

3．2．3 吸能结构管壁厚度

3．2．4 诱导结构

3．3 车体专用吸能结构的总体设计

3．3．1 车体专用吸能结构总体要求

3．3．2 车体专用吸能结构的结构设计

3．4 本章小结

第4章 地铁列车碰撞动力学仿真

4．1 列车碰撞动力学仿真原理

4．1．1 研究方法

4．1．2 列车碰撞仿真的动力学计算模型

4．1．3 列车碰撞的仿真模型

4．2 地铁列车连挂碰撞仿真模型建立

4．2．1 列车碰撞的工况要求

4．2．2 地铁列车参数

4．2．3 摩擦系数设定

4．2．4 吸能结构参数设置

4．3 地铁列车碰撞仿真结果分析

4．3．1 碰撞初速度为15km/h时碰撞结果分析

4．3．2 碰撞初速度为25km/h时碰撞结果分析

4．4 本章小结

第5章 地铁列车碰撞联合仿真

5．1 各吸能结构力元设置

5．1．1 弹塑性弹簧力元介绍

5．1．2 模拟专用吸能结构的力元设置

5．1．3 模拟钩缓装置的力元设置

5．2 联合仿真结果分析

5．3 专用吸能结构优化

5．3．1 专用吸能结构优化方法

5．3．2 优化之后联合仿真结果

5．4 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及科研成果