一种铁道列车多车辆碰撞仿真的模型简化方法

摘要

本发明涉及一种铁道列车多车辆碰撞仿真的模型简化方法，采用动态非线性大变形有限元方法，该模型简化方法将组成铁道车辆整列车的各单车进行简化，其中单车包括头车和中间车，在简化的单车模型基础上进行组装头车和中间车，建立8辆编组的整列车有限元模型。利用该简化方法，大大简化了模型规模，缩短了计算时间，性能一般的计算机也能进行分析求解，节约了大量的存储空间，大大提高了分析效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种铁道列车多车辆碰撞仿真的模型简化方法。

背景技术

随着铁路运输的发展，列车运营速度的不断提高，人们对列车的运行安全 问题越来越重视，虽然铁路车辆发生碰撞事故的概率相对较小，但是高速运行 中的列车具有较大的初始动能，一旦发生碰撞，所带来的损失将是无比巨大的。 铁道列车一般由多辆车厢组成，当列车发生碰撞事故后，其碰撞不同于汽车的 单体撞击，其撞击过程往往是多辆车的耦合撞击过程，当两列车端车相互接触发 生碰撞时，后面的车厢会接二连三地与前面的车发生接触碰撞。

由此可见，列车的碰撞过程是一个非常复杂的物理现象，处理车辆间的相 互耦合碰撞外，还包括车体结构发生大位移，大转动所引起的几何非线性，各 种材料发生大应变时所表现的物理非线性，以及复杂的碰撞接触与摩擦问题。 数值仿真是开展车辆大变形碰撞研究的主要方法，在数值仿真分析过程中常用 的方法是动态非线性大变形有限元方法。动态非线性大变形有限元方法可采用 各种单元和节点描述系统，对车体结构进行详细建模，可以非常直观精确考察 碰撞部位的结构变形情况等。但对于列车碰撞仿真这样的复杂力学问题，采用 动态非线性大变形有限元方法需要花费较长的计算时间，特别是碰撞过程其实 是由整个列车组参与，如果要建立多节车辆编组的整列车撞击分析有限元模型， 就必须考虑在一定程度上对车体结构进行简化。本方法主要对列车碰撞简化模 型进行研究。

现有技术中的模型规模庞大，尤其是单元数、节点数量多，计算时间长， 对计算机性能要求高，模型和计算结果需要较大的存储空间，大大影响了分析 效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种铁道列车多车辆碰撞仿真的模型简化方法，利用 该简化方法大大简化了模型规模，缩短了计算时间，性能一般的计算机也能进 行分析求解，节约了大量的存储空间，大大提高了分析效率。

本发明的技术方案是：一种铁道列车多车辆碰撞仿真的模型简化方法，采 用动态非线性大变形有限元方法将组成铁道车辆整列车的各单车进行简化，其 中单车包括头车和中间车，其特征在于，具体步骤如下：

(a)、首先进行单车在一系列速度等级下与理想刚性墙的碰撞分析，分析车 体不发生塑性变形的头车中间部位和中间车中间部位，将这两部位提取出来， 并计算出其总重量和重心位置；

(b)、将步骤(a)中分析出来的头车和中间车的中间部位用分别一个质量点m₁和m₂来代替，质量点m₁和m₂位置分别为头车和中间车被简化部分的重心位置， 质量点m₁和m₂的重量分别等于原车型中被简化中间部位的重量；

(c)、质量点m₁和m₂与车体剩下部分断面处的各个节点用梁单元进行连接， 所有梁单元的刚度之和与被简化掉的车体中间部位一致；

(d)、在简化的单车模型基础上进行组装头车和中间车，建立8辆编组的整 列车有限元模型。

其中，车体不发生塑性变形的头车中间部位和中间车中间部位允许发生可 恢复弹性变形。

所述质量点m₁和m₂，其位置分别为原头车和原中间车被简化部分的重心位 置，其重量分别等于原车型中被简化中间部位的重量；所述梁单元的刚度之和 与被简化掉的车体中间部位一致。

所述一系列速度等级为5m/s、7.5m/s、10m/s和15m/s。

利用上述铁道列车多车辆碰撞仿真的模型简化方法，能解决铁道车辆多车 辆仿真分析中的模型规模大、计算时间长、分析效率低、对计算机性能要求高、 需要存储空间大等问题。

附图说明

图1为头车的简化过程图；

图2为中间车的简化过程图；

图3为简化前后头车动能结果对比分析图；

图4为简化前后头车塑性内能结果对比分析图；

图5为简化前后头车撞击力结果对比分析图；

图6为简化前后中间车动能结果对比分析图；

图7为简化前后中间车塑性内能结果对比分析图；

图8为简化前后中间车撞击力结果对比分析图；

图9为整列车结构模型图；

图10为两列车碰撞模型图；

图11为各车辆速度随时间变化曲线图；

图12为各车辆加速度随时间变化曲线图。

具体实施方式

一种铁道列车多车辆碰撞仿真的模型简化方法，以某高速列车的有限元车体 模型为研究对象，对车体进行简化，具体简化步骤如下：

(1)首先进行单车(头车和中间车)在一系列速度等级下(如5m/s，7.5m/s， 10m/s，15m/s等)与理想刚性墙进行碰撞分析，分析车体不发生塑性变形(允 许发生可恢复弹性变形)的部位，如图1和图2所示的中间部位，将这一部分 提取出来，并计算出其总重量和重心位置；

(2)将(1)中分析出来的车体中间部位用一个质量点m₁和m₂来代替，质 量点m₁和m₂的位置为头车和中间车被简化部分的重心位置，质量点m₁和m₂的重量分别等于原车型中被简化中间部位的重量；

(3)质量点m₁、m₂和车体剩下部分断面处的各个节点用梁单元进行连接， 需要注意的是：所有梁单元的刚度必须与被简化掉的车体中间部位一致。这样 简化后的单车模型在网格规模方面可大大得到精简，并且简化后的头车和中间 车在撞击速度为10m/s时与刚性墙的撞击结果对比分析如图3～图8所示，从分 析结果可知，简化前后车体的撞击动能、内能、撞击力变化曲线均吻合较好。

(4)在简化的单车模型基础上进行组装头车和中间车，建立8辆编组的整 列车有限元模型，如图9所示，简化前后的整列车网格规模对比如表1所示， 其中简化后的整列车有限元模型节点数和单元数分别为简化前模型的63.4％和 61.6％。

表1简化前后整列车网格规模对比

  节点数 单元数 简化前 2042648 2379910 简化后 1294430 1465041

最后通过简化模型进行了整列车的碰撞分析，设定一列车以一定速度 (10km/h)撞击另一列处于平直轨道上的静止相同车组，如图10所示，其中节 点号2339434、3282501、3323996、3282500、3386238、3278819、3282499、3389888 和3413463、3445924、3487417、3445923、3549656、3443506、3445922、3553140 分别为撞击车(T1、M1、M2、T2、T3、M3、M4、T4)和被撞击车(T1、M1、 M2、T2、T3、M3、M4、T4)质心处的取点，用于输出计算结果中各节车辆的 速度和加速度曲线。通过数值模拟分析得到各节车辆的速度随时间变化曲线和 加速度随时间变化曲线分别如图11和图12所示。