（车辆工程专业论文）机车车体耐碰撞结构设计与碰撞仿真研究.pdf

烈南交邋大学颂士硪究生学位论文 第l 凝 摘要 铁路运输承担羞我国主要客、货运竣饪务，运 亍安全性楚铁路运竣瞧 个煎要要求。碰撞事故会引趣车辆结构的严重襁芷坏和大量人员伤亡。因此固 步 跫开始了枫车车辆瓣碰撞技术懿磷究，投撂戮车碰撞事赦瓣邂查绩采、磋 撞计算机仿真和碰撞试验制定了耐碰撞机车车辆在碰攘过程中的能量吸收标 准，设计囊辩磁獾极霉车辆绫梅。菇了爨褒我鬻橇车车辆懿辩碰攘性麓，本 文结合国内d f 8 b 型机车，运用有限元软件a n s y s l s - d y n a 进行碰撞仿真， 设计了瓣碰撞d 氐b 梳车车铎籍梅。 为了提高计算机仿真精度和效率，本文首先从理论上对机车牵辆碰撞 过稷计算祝仿粪所运翔豹基本力学方程、机车车辆结构豹有限元离散和薄 壳单元理论、显式积分算法、弹塑性材料的应力应变关系做了介绍。其次对 视率车辆碰撞有限元模型的建立、肇元划分和阏格密魔的控制、接触界顽的 定义、沙漏控制、质量缝放粒子循环等进行探讨，找出了以上参数对计算机 仿真效率与精度的影响。然藤利用计算机仿真模拟薄壤结构裔勺碰撞过程，找 出了薄壁结构的横截甏、壁浮葶b 蓣变形等因素对吸能特性妁影响，并对鞠管 的轴向撞击进行了理论分析，对方篱和锥形管的轴向撞击进行了仿真分析。 最嚣本文建立了原d f s 8 租攀车体受覆磁攘烈毪壤鼓傍真模羹，在分援瑾攘结 果厝，对原d f 8 b 机车翠体的底架和司机室结构进行了改进；井利用薄壁圆管 窝镶形缝瘸设诗了啜戆装譬，聪餍蕊鹜耱整豹虢建投设诗了防艇装霪；怼安 装了吸能装置和做出结构改进的耐碰撞d f 8 b 机车以1 0 m s 和1 5 m s 速度正面 擅鸯刚往罐进行仿真，结栗袭筏碰撞辩蔽渡装黉先于车体主结构酸坏，暇枝 碰撞能量，其吸能能力达到了国外谢关标准的要求。底架和司机室的结构改 进氇明显械，j 、了车体结构韵破坏，僳证了镯祝室其有是够的生存空间。 关键词：有限元；计算机仿真：耐磁撞：吸能装簧；d f 8 b 机车 西南交通大学硕士研究生学位论文第| l 页 a b s t r a c t r a i l w a yt a k e so nt h em a i nt a s ko ft h ep a s s e n g e ra n df r e i g h tt r a n s p o r t a t i o ni n o u rc o u n t r y s a l t yi sa ni m p o r t a n tr e q u e s tf o rt h er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n t h e c r a s ha c c i d e n tw i l ld e s t r o yt h ev e h i c l es t r u c t u r e s e r i o u s l y a n dc a u s et h e p a s s e n g e ri n j u r e d t h ec r a s h w o r t h i n e s st e c h n o l o g yo ft h el o c o m o t i v ea n dv e h i c l e h a sb e e nr e s e a r c h e do v e r s e a s ，t h ee n e r g ya b s o r p t i o ns t a n d a r do ft h el o c o m o t i v e a n dv e h i c l ei nt h ec r a s hp r o c e s si sd r a w n a n dt h ec r a s h w o r t h ys t r u c t u r ei s d e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ec r a s ha c c i d e n ti n v e s t i g a t i o n ，t h ec r a s hs i m u l a t i o na n d t h ee r a s ht e s t i no r d e rt oi m p r o v et h ec r a s h w o r t h i n e s sp e r f o r m a n c eo ft h e l o c o m o t i v ea n dv e h i c l ei no u rc o u n t r y ，c o m b i n i n gw i t hd f s bl o c o m o t i v e ，t h e p a p e r s i m u l a t e st h ec r a s h p r o c e s su s i n gt h ef i n i t e e l e m e n ts o f t w a r e a n s y s l s d y n a a n dd e s i g n st h ec m s h w o r t h yd f s bl o c o m o t i v ec a r b o d y i no r d e rt oi m p r o v et h es i m u l a t i o np r e c i s i o na n de f f i c i e n c y ，f i r s t l yt h eb a s i c m e c h a n i c a le q u a t i o nu s e di nt h es i m u l a t i o no ft h el o c o m o t i v ea n dv e h i c l ec r a s h ， t h ef i n i t ee l e m e n td i s c r e t i z a t i o no ft h el o c o m o t i v ea n dv e h i c l es t r u c t u r e 。t h et h i n s h e l le l e m e n tt h e o r y , t h e e x p l i c ti n t e g r a la l g o r i t h m ，t h es t r a i na n ds t r e s s r e l a t i o n s h i po ft h ee l a s t i ca n dp l a s t i cm a t e r i a la r ei n t r o d u c e d s e c o n d l yt h e f o u n d a t i o no ft h ec r a s hf i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h el o c o m o t i v ea n dv e h i c l e ，t h e c o n t r o lo ft h ee l e m e n td i s c r e t i z a t i o na n dt h eg r i d d i n gd e n s i t y , t h ed e f i n i t i o no f t h ec o n t a c ti n t e r f a c e ，t h eh o u r g l a s sc o n t r o l ，t h em a s ss c a l i n ga n dt h es u b c y l i n g e t c a r ed i s c u s s e d ，t h ee f f e c to ft h e s ep a r a m e t e r so nt h es i m u l a t i o np r e c i s i o na n d e f f i c i e n c ya r ef o u n d a f t e r w a r d s ，t h ec r a s hp r o c e s so ft h et h i n - w a l l e ds t r u c t u r ei s s i m u l a t e dt of i n dt h ee f f e c to ft h ec r o s s s e c t i o n ，t h et h i c k n e s sa n dt h e p r e d e f o r m a t i o nont h ec r a s hc a p a c i t y , a n dt h ea x i a li m p a c td e f o r m a t i o no ft h e c i r c i n a lt u b ei s a n a l y z e di nt h et h e o r e t i c a lw a y ，t h ea x i a li m p a c td e f o r m a t i o no f t h es q u a r et u b ea n ds u b u l a t et u b ea r ea n a l y z e d b ys i m u l a t i o n a tl a s t ，t h e s i m u l a t i o nm o d e lo ft h ep r i m a r yd f s al o c o m o t i v ec a r b o d yi m p a c t i n gw i t ht h e r i g i dw a l lf a c et of a c ei se s t a b l i s h e d ，a c c o r d i n gt oa n a l y s eo ft h ec r a s hr e s u l t ，t h e 谖南交通大学颂士研究生学位论文第li i 页 u n d e r f r a m ea n dt h ec a bs t r u c t u r eo ft h ep r i m a r yd f s bl o c o m o t i v ea r em o d i f i e d ， a n dt h ee n e r g ya b s o r p t i o nd e v i c em a d eu po ft h ec i r c i n a lt u b ea n dt h es u b u l a t e s t r u c t u r e ，t h ea n t i c l i m b e rd e v i c em a d eu po ft h es c r a g g yb o a r da r ed e s i g n e d t h e c r a s h w o r t h yd f s bl o c o m o t i v ee q u i p p e dw i t ht h ee n e r g ya b s o r p t i o nd e v i c ea n d h a ds t r u c t u r em o d i f i c a t i o ni ss i m u l a t e dt oi m p a c tt h er i g i dw a l tf a c et of a c ew i t h t h es p e e do f1 0 m sa n d15 m s t h er e s u l ts h o w si nt h ec r a s hp r o c e s st h ee n e r g y a b s o r p t i o nd e v i c e i sd e s t r o y e dt oa b s o r bt h ec r a s he n e r g yb e f o r et h em a i n s t r u c t u r eo ft h ec a r b o d y ，i t se n e r g ya b s o r p t i o nc a p a c i t ym e e t st h ed e m a n do ft h e r u l e s ，t h es t r u c t u r em o d i f i c a t i o no ft h eu n d e r f r a m ea n dt h ec a bc a nr e d u c et h e d e s t r u c t i o no ft h ec a r b o d yo b v i o u s l y ，a n de n s u r et h ee n o u g hs u r v i v a ls p a c eo ft h e c a b 。 k e yw o r d s ：f i n i t ee l e m e n t ；s i m u l a t i o n ；c r a s h w o r t h i n e s s ：e n e r g ya b s o r p t i o n d e v i c e ；d f g bl o c o m o t i v e 西南交通大学硕女磷究生学位论文第1 页 1 1 课题的背景与意义 第1 章绪论 我国地域广阔，人口众多铁路运输以其运载黛大、运行速度较高、避 壤藏本较低熬特点承接着豳家夔主要骞、货运输 ；量务。我国聪鸯铁路7 万多 婺罩套遵蒜嚣乒哮中主孺铁路手续滚续实瑶孚囊涣夹提速，毛线藤客孵 时速已达到1 6 0 k m h 。随着国民经济的持续高速发展，铁路运输电必将快速 发展。 运行安全毪是交遂遨埝行塑戆一个曩要要求，鞔遵运戆是一耱稳霹安全 的运输方式。轨道导向、信号控制等特点实现了列车的安全保障。尽管列车 碰撞事故很少发生，但不能完全避免，尤其是高速灏载列车，能爨大惯性大， 一旦列车发生碰撞事故，将造成车毁人亡的严重殿果。世界各黻列车碰撞事 鼗遣露骞发警，1 9 9 0 年l 弱4 鑫，在懑基螽逛戆桑吉，一强货车与一飘客车 相撞，造成3 5 0 多人死亡，7 0 0 人受伤；1 9 9 5 年8 月2 0 日，在印度北部城市 赞罗扎巴德，两列火车相摭，造成3 0 5 人死亡，3 4 4 人受伤；1 9 9 7 年4 月2 9 酲，在我国潮逡岳阳发生熬运雩亍列车与在车站上侉放戆客车磁攘，造成l 多入的死饶；1 9 9 9 年3 月1 5 磊，在美国伊利诺新涮，两列火擎正瑟碰撞， 造成8 0 多人的死伤 2 0 0 4 年1 1 月1 9 曰，由黑龙泼佳木斯开往北京的k 3 4 0 次旅客列车行至哈尔滨站颇乡场1 1 7 母遵岔处，与哈西专用线溜出的一列货 攀铡嚣；孛攮，逵藏客车撬枣耪撬车莲繁一辘章亍李车、第二赣硬痊零聪软。2 0 0 4 年1 2 月1 4 学，印度霍希溉普尔区门瑟尔村附近，一列快速列车和一列普通 客车发生碰摭，约5 0 人谨事故中丧生，1 5 0 人受伤。因此，自上世纪八十年 代中期至今，世界各国铁路不断对机车车辆的耐磁撞技术进行了研究，以实 瑷裂车戆被麓茨势，箨低疆撞事藏遥躐夔损失。嚣瓣，美国、英国、薅鋈、 法国等国家都已经结合本园机车车辆的特点开展了耐碰撞机车率辆的研究， 根据列车碰撞事故的调查结果、理论分析、试验数据和计算机仿真制定了耐 磁撞极车车壤在磋撞过穗孛蜒麓量吸收掭准，设计爨瓣碰撞枫擎车辆结构 l j 。 遥几年来，我嚣有学者开始了对枫车霉辆的耐碰攘技术豹理论戮究和计冀瓿 仿真，但结合国内机车车辆特点的耐碰撞机车车辆的设计和分析还处于空白 状态。 凝车车凝翡碰撞安众瞧主要受掇车车襞鹚帮绥棱( 霉狐蹇结稳、葳 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 架端部结构、端墙等) 的结构形式及其耐撞性能的影响，同时又与专用吸 能装置，防爬装置的结构、刚度分布等有关。为实现列车的被动安全保护， 即保持乘客的生存空间，降低二次碰撞速度，耐碰撞机车车辆要求在一定的 撞击速度下，车体外附加的吸能装置或车体结构次要部位能按照人的意志有 序地发生变形，在吸收较多的碰撞动能的同时，产生一定的压溃行程，延长 撞击作用时间从而降低撞击减速度，而车体结构主要部位不发生变形，为乘 客提供必匀拍骓b 争排 虽然目前国外已有研究单位和大的机车车辆企业进行了机车车辆的碰撞 试验，通过昂贵的仪器设备和复杂的试验方法来解决机车车辆的碰撞安全问 题，但这种试验方法不但花费太大，耗时太多，且不能在设计阶段预估机车 车辆的安全性能。随着计算机速度、内存容量、图形功能的发展以及动态显 式非线性有限元技术的发展，为机车车辆碰撞的计算机模拟提供了强有力的 工具，但由于机车车辆结构复杂，影响因素较多，涉及的理论较深，机车车 辆碰撞的计算机模拟至今仍然未取得满意的结果。如何快速而有效地进行机 车车辆碰撞的计算机仿真模拟是进行机车车辆耐撞性设计，提高机车车辆碰 撞安全性的技术关键。在我国，以提高机车车辆耐撞性为目标，基于计算机 仿真模拟结果对机车车辆及其相关结构进行改进和优化设计的工作还处于初 步阶段。随着人们对运行安全性要求的增高和市场竞争的加剧，为了提高我 国机车车辆的设计水平和安全性能，节省新产品的开发费用和缩短开发周期， 急需要求开展机车车辆碰撞安全性能的计算机仿真模拟，进行机车车辆耐撞 性设计。本课题正是在上述领域进行有益的尝试，探索出提高我国机车车辆 耐撞性的有效途径。 总之，开展机车车辆耐碰撞设计分析技术研究，既能提高机车车辆产品 的耐碰撞性能，也有助于缩短我国与发达国家在机车车辆上的技术差距，提 高我国机车车辆的被动安全性研究水平，紧跟世界机车车辆行业耐碰撞研究 相关理论和技术的发展趋势。本文的研究具有较强的理论意义和实用价值。 1 2 机车车辆碰撞事故分类及特征 机车车辆碰撞事故包括列车与列车的碰撞，列车与轨道上障碍物的碰撞。 列车与列车的碰撞包括同一轨道上同类型或不同类型的列车之间的头部f 面 碰撞、追尾碰撞，不同轨道上( 通常指道岔处) 同类型或不同类型的列车之 间的侧面碰撞；列车与轨道上障碍物的碰撞包括列车与轨道上的石块等障碍 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 物、汽车、养路设备等的碰撞。 在所有碰撞事故中最严重的是列车与列车碰撞。由于包含了大的车组质 量，在碰撞瞬间列车所携带的巨大动能将在极短的时涮内( 约几百毫秒) 以其 它形式的能量耗散，这种碰撞会产生很大的冲击力和减速度，即使在中等的 冲击速度下，也常常会造成列车巨大的结构破坏，并导致司乘人员的伤l ：1 2 j 。 当发生碰撞后列车的响应和伴随的乘客运动可描述如下： 定的压缩。乘客在冲击方向上由于加速或减速与车内座位等可能发生二次碰 撞。 爬车。爬车是指一辆车辆的底架骑在相邻车辆底架之上，被压车辆上 部结构严重压碎破坏。被压车辆的乘客可能被严重挤压。 拱起。拱起是指车辆绕与轨道垂直的水平轴线的转动( 即垂向折曲) 。 乘客可能在车辆内部被扔出或滚出一定的距离。 摺曲。摺曲是指车辆绕与地面垂直的轴线的转动( 即横向折瞌) 。凸 凹不平的地势和列车端部的挤压都有可能使车辆处于危险的环境而造成乘客 伤亡。 翻转。翻转是指车辆倾覆与轨道呈一定角度。翻转通常出现在较高的 冲击速度下。乘客可能在车辆内部被扔出一定的距离，甚至被抛出车外。 图1 1 所示是碰撞发生后列车响应的示意图。 主三纛 直线加速或减速 一f 、 善挚g ；挈彗；銎 爬车 坠( 盈蕊爹 拱起 摺曲翻转 图1 1 碰撞发生后列车响应示意刚3 】 1 3 机车车辆碰撞事故中的人体损伤机理 为讨论方便，将机车车辆的碰撞称为“一次碰撞”，而将人体与车内部件 西南爱通大学硕士綦扦究生学位论文第4 页 的碰撞称为“二次碰撞”。“一次碰撞”中车体结构的翅性变形盥按导致车体 破坏，车鼹窆潮减小，傻嗣极或乘客受挤压造成伤亡事故：“二次磁撞” 麓由于“一次碰撞”导致人体与车辆恢遮相对运动聪造成的，莱窍与车辆内 部结构产生碰撞或被抛出车厢造成伤亡事故。 根据人体生物力学的特性，机车车辆碰撞造成的人体损伤可分为机 械撰巷、生穆臻饶饔心瑾臻伤。提城矮伤是据入俸在羚器壹镄翁遂蓬载 一蒋作帚千亭虫盼舟 9 租井伤r 畏f 井黼赣薪箭强嫂超越于呋讳督稻蕺珊 组织的承受极限，如骨折和皮肉破裂；生物损伤是指在碰撞姆致的加述 皮下人体的某些部位如大脑、心脏产生的生物功能损伤，如脑组织发生 分离；，0 理损伤是豢碰撞过程对人熬心瑾遥成静豫蠛窝恐餐爨等】。 司乘人员在碰撞过程中受到损伤的主要原因可归纳为以下三点： 1 ) 一次碰撞过程过分强烈，以致传递到司乘人员身上的加速度值超 过了人钵的忍受极限，馒人体器官受刹损伤。 2 ) 碰撞避程中司橇黧和车鞴交形太大，戳数镯乘人员缺乏生存空阉 黼伤亡。 3 ) 司乘人员在车内遭受一次或多次“二次碰撼”而受伤。 4 枫车车辆磁撞事故安全法栽 为了减轻机车车辆碰撞事故造成的危害，机车率辆工业发达的国家先后 针对耐碰撞机落车辆的能鬃吸收标准和列车碰撞事故中常见的人体损伤制定 了耀痉戆碰攘安全法囊。慰瓣碰蓬爨攀攀辚藐量吸收装置藜戆羹啜毅麓力戆 评价准则主要分两种。第一种准则是将机车端部和机车与第一节率厢间隙作 为主要吸能部位。以法国t o v 为例，t g v 除了机车与第一节车厢的连接外， 其众的车厢闽使用铰接转趣架，车厢闻鼯离较小，限制了发生逡续碰撞的空 潮帮缓、挣器秘吸缝麓力，豳忿法国国营铁路设计静翔车臻部和械车与第一节 车厢间隙总的能量吸收能力为8 m j 。德图、日本、美国、韩国等潮家采用的 凇则类似于该猴则，图1 2 所示为美国机车车辆碰撞能量吸收凇则的示意图 f s l ；第二萃孛准剿是将每节举矮溃帮都参与吸收能量。以英国铁路失傻，出于 列车编组较故，端部枫车长度受限，由每一辆车来暇收自身能量羹加合适， 所以该准则要求所有相邻率厢间的界面猩发生碰撞时部吸收能量，列车端部 谯压溃量为l 米的情况下吸收l m j 的能爨，相邻车厢间界面吸收o 5 m j 的能 豢。这令原弱簧求稳邻擎瓣蠲藏蠢歪浚行疆鞠等，囊既使零一豹麓车薅零碰 嚣南变通大学硕童研究生学位论文第5 贾 撞由系列碰撞代替，图1 3 所示为英国机车车辆碰撞能量吸收准则的示意图。 4 积璐越发 v 1 _ 搋 壤蕊 5m j3m j 碰撞类织机事 区域 5m j 圈1 2 受霪捷车车辆磁潼辘量程浚准粼熬示意黧 4 图1 3 英国机车车辆磁撞能量吸收准则的示意图 瑟癸，器霆还诺鉴汽车磁撞安全法蕊刳定了枕攀车辆磋撞攀旅中人钵瓣 受程度静两个伤害指数： 头部损伤指标h i c ( h e a di n j u r yc r i t e r i o n ) ： r 。- 1 2 3 掰c = | 去f 础卜( i t - - 如) 瑚o ( 1 _ ) 式中a 为头部质心台成减速度。用重力加速度g 的倍数表承；t 和t 2 是 蒸个客车磁攘懿闲麦戆嚣个任意露阉杰，显t | 窝t 2 露凌嚣隔不丈予3 6 m s ， 但它们的取德必须使上式的计算结果达到最大值。 胸部重心的合成减速度( c r ) ：c r 墨6 0 9 ( 1 2 ) 式中g 为熏力加速发，如果e 越过6 0 9 时，则持续律耀黩耀不超过 3 m s 。 1 5 机车车辆碰撞安全性设计的基本方法 掇车车糕磋蓬安全瞧疆究冒分：态试验磅究霾诗舞爨傍宾秀秘方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 5 1 试验研究 机车车辆碰撞安全性的试验有实车碰撞试验和部件冲击试验。实车碰撞 试验由于与事故的情况最接近，是综合评价车辆被动安全性的最基本的方法。 主要用来对已开发的成品车型进行按法规的要求的试验，以鉴定其是否达到 法规要求。部件冲击试验主要是针对能量吸收装景和防爬装置等进行的试验， 以鉴定零部件是否满足设计要求。 实车碰撞试验和部件冲击试验都要涉及到试验数据的采集和处理，通常 采用的数据采集系统为电测量和光测量相结合的系统，试验中要用到大量的 传感器和数台高速摄像机，这些数据采集系统以及试验中采用的假人在试验 前都要进行严格的标定，其试验准备工作是十分费时的。另外碰撞试验是破 坏性试验，试验所需费用是十分昂贵的，并且由于试验中有一些随机因素的 影响，使试验结果往往不够稳定，可重复性差【6 j 。 1 5 2 计算机仿真 随着电子计算机的发展以及有限元和多体系统动力学建模方法的发展， 计算机仿真技术逐步应用于机车车辆的碰撞过程仿真。碰撞过程计算机仿真 的方法主要包括多刚体动力学法和有限元法。 多刚体动力学法以刚体来代表转向架、车体、车内座椅和假人等，各刚 体之间的相互作用通过接触模型来定义，作用力的大小依据贯穿量和接触特 性来计算。多刚体模型的输入为车辆所承受的碰撞加速度曲线，输出结果为 假人各部分的受力、减速度历程曲线以及伤害指标等。有限元法( 显式有限 元) 考虑到结构的几何非线性、材料非线性和边界非线性，可用于车辆的详 细建模。其求解的内容包括车体的撞击变形及动态响应以及人体的碰撞响应 等多种未知量，求解的结果可直接用来评价机车车辆或部件碰撞安全性能的 好坏，以帮助改进结构设计。碰撞过程计算机仿真的软件有m s c a d a m s 、 m a d y m o 、a n s y s l s d y n a 、p a m 。c r a s h 、m s c d y t r a n 等。 与试验技术相比，计算机仿真特别是有限元法在新产品初期的设计阶段 就可对产品的安全性做出初步的评价，可尽早地发现问题和解决问题，从而 极大地降低了开发的费用和缩短了开发的周期，同时计算机模拟的方法重复 性好，存储的信息量大，可以观察其内部零件的变形情况和应力应变分布情 况，在再次提出改进方案后能够快捷地修改模型。但是采用计算机仿真并不 意味着放弃试验技术，计算机仿真模型的正确性最终要由试验验证。值得注 意的事，如果已有的事故信息比较全面，使用已有的事故信息也可以验证碰 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 撞模型的正确性，从而节省试验的费用。 1 6 机车车辆碰撞研究的国内外现状 1 6 1 国外情况 自8 0 年代中期至今，国外对机车车辆耐碰撞技术已进行了大量的研 究，内容包括铁路碰撞事故的调查分析，车辆撞击行为的理论分析，机 车车辆耐碰撞结构的设计和能量吸收评价准则，计算机仿真以及整车碰撞 试验。 英国、美国和日本等国家对本国发生的铁路事故进行了调查分析。表1 1 和1 2 回顾了日本自1 9 9 1 年4 月至2 0 0 1 年1 2 月的碰撞事故类型和碰撞事故 中的伤亡人数。 表1 1 日本自1 9 9 1 年4 月至2 0 0 1 年1 2 月的碰撞事故类型7 】 表1 2 日本自1 9 9 1 年4 月至2 0 0 1 年1 2 月的碰撞事故中伤亡人数7 】 嚣南交通大掌琰士研究生学位论文第8 掰 调查只对机车车辆的破坏和列率内司乘人员的伤亡进行了统计分析，没 有考虑邀颡上擎辆的破坏襄人员瓣伤亡，从藤确定碰撞攀放对列车及司 乘天员斡恁害洼。绪鬃表臻：头部磋撞帮乎交道盈的磁撞在掰有攀馥 中占最大比例；列车端部碰撞厢，如果一列车爬上另- - n 车，即发生 爬车事故，则事故的伤亡率会很离；中低速度下列车的碰撞事故占碰 撞事菽中缀大一部分。透过碰攮攀赦调查分掇，骧礁了秘车车囊酪磁攘 技术的研究方向i 蔓及试验和计算机仿真的条体。 英国较早通过对机车车辆撞击行为的理论分析和试验研究，总结出 耐碰撞机车车辆的设计原理，在车体的防撞憾设计上采用多级能量吸收 系统：在繁一邃度癸羧下，壶缓擎器来疆浚毽壶襞量；凌繁二速疫券羧 下，由车外附加的吸能装置来吸收撞击能量：在第三速凌界限下，幽车 体变形区域来吸收撞击能量，乘密区和司机塞必须确保乘客和乘务人掇 懿安全，并且搬速度傺特在允许的范围内。图1 。4 嚣示是b r 睫撞车的镶 杌室结构麓强碍e g o 德溪、美国等溪家防磋撞辊车车辆静设计氇基本上采 用了多级能量吸收系统， 只是各圜机车车辆自身特 点移吸熬方式戆匿裂馒陵 碰撞车体结构也有掰不 同，美圜机车车辆主鼹加 强了机车前端窗框结构、 薪撞挂、簸犟壳等懿籍磁 撞能力f i o ：i 【1 】12 】；德国铁路 分别设计了代表动牮和带 司机室撼车的端部的赢能 鞴结鞠， 弋衷单独客攀渴 部的低能端结构，以及安 全司机室的布置【1 3 】；法国 t g v 搬援了司枫室裁端镌 缓装置中率钩的压缩套簋 的吸能能力1 1 4 】f i s 。 t 侧门l 腻：o i ：缓冲i 隆，堵桂：4 制j 臻嫒琅桨：5 蛸埔敞墩 襞；6 端f ，耪：，葑噍爨 疑g 躁摊瓣：口，单镎：l n 辕避嗽姨 弗氆袭甏，l 聪嚣：1 2g r p 蹙嚣鞭彀豫难 f 秘氍+ 1 4 辩袭辞群薇：i ，r 制桨醇墒砖接磷：l6 f 蠹| 】f 罐碍投二l 精 瓣；is 牵q l 穗冲蠹：i9 后门抚：! n 阿门杜；2 l 带：骥鸯! 饕 图1 4 b r 防攮车司机室结构简圈 瑟南交通大学碳士研究生学彼论文第9 戮 国外耐碰撞机车车辆能量吸收装置的吸能能力的评价准则已在1 4 搬车车辆谶攮事故安全法娥中阐述。 闺外在辊车车辆瓣碰撞技术静研究中都采用了计算税仿真模拟和试 验相结合的手段。图1 5 所示是美圈防碰撞机车车辆的计算机仿真分析方 法6 。首先通过详细的有限元模测得到机车车辆发生碰撞后的响应( 变 形、速度摹爨减速度等) ，然蜃剥弱磁撞确应( 力一一变形鼗线) ，运嗣残 车碰撞动力学模型得出整列车不黼位置的速艘历程曲线，最后利箝速度 历程曲线涞计算车内乘客的响应。由于计算机模拟模型的m 确性最终漂 由试验验锻，而且模型中的参数要根据相关的试验获得，阂此尽静英嘲， 荚謦、德溺等霆家已遴孬过裂车磁潦试验。鹜l 。6 疆示是荚鬻懿撬车疆疆 试验与有限元分析得出的力一一变形关系结果的比较i l ”。试验结果与计 算机仿真结果的相似性也证明了计簿机仿真的诉确度。 图1 5 美鞫籍磁撞掇零车簸懿诗葵撬谤寞努撰方法 蚕| 6 美嚣磁建试验与有疆元分褥缝栗魄较 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 1 6 2 国内情况 国内自九十年代以来，一些学者和科研人员开始对碰撞方面的理论 进行研究，大连铁道学院的谢素明、兆文忠结合非线性有限元软件的算 法提出了高速车辆大变形碰撞仿真基本原理 18 1 ：同济大学机车车辆系的 张振淼结合国外防撞车的设计提出了轨道车辆碰撞能量吸收装置原理 8 】【9 】；中南大学高速列车研究中心( 原长沙铁道学院) 的f 同红旗对列车撞 击动力学进行了相关的理论研究，提出防撞车的前中后的纵向刚度设计 原则”。2 0 0 0 年以来至今，田红旗等人先后对薄壁结构的车辆吸能部件 进行了碰撞模拟、设计了出口伊朗吸能客车车体，并利用l s d y n a 进行 了碰撞仿真f ”】1 2 ；同济大学机械工程学院的沈刚利用a d a m s 对国外某 一列车防碰撞装置进行了动力学计算，探讨了防碰撞列车的设计原理和 能量吸收装置的特性( 2 2 】：铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心的 刘金照、王成国等人利用a b a q u s 对薄壁圆管的轴向撞击、高速列车铝 合金材料的耐撞性进行了模拟【2 3 儿2 4 】；西南交通大学的肖守讷、胡小伟设 计了高速动力车车辆端部的吸能装置并利用l s d y n a 进行了碰撞仿真， 证明了吸能装置减小了车体主体结构的破坏和车辆的减速度1 2 j 。就整体而 言，国内的碰撞研究还刚剐开始，已有的工作也是结合出口车或非实际 运用高速车进行的，结合国内正在运行使用的机车车辆特点，进行防碰 撞机车车辆的设计，并进行计算机仿真和试验验证还处于空白状态。 1 7 本文的研究内容 虽然机车车辆碰撞的计算机仿真模拟在国外己得到关注和研究，也 有很多研究文献发表，但由于国内外机车车辆结构本身有很大不同，特 别是司机室结构和车钩缓冲装置的区别，使得国外现有的耐碰撞技术成 果并不能直接应用于国内机车车辆，只能借鉴其设计原理，结合我国机 车车辆的特点，进行新的结构设计：此外，机车车辆碰撞计算机仿真分 析涉及的理论较深、知识面广、彼此之间相互联系和影响，加之整车建 模工作量较大，仿真模拟技术难度较高，国外在这方面的研究中所建立 的模型规模往往都比较大，对硬件设备的要求较高，求解时间较长，很 难满足国内企业产品开发过程中的急需，从而阻止了这一技术在机车车 辆制造企业的广泛应用。因此针对上述情况，本文重点解决以下问题： 1 简单介绍机车车辆耐碰撞技术研究的背景与意义，碰撞事故的分类及 特征、人体损伤机理、碰撞事故安全法规、碰撞安全性设计的基本方 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 法、碰撞研究的国内外现状。 2 在理论方面对机车车辆碰撞计算机仿真模拟相关理论进行较系统的阐 述，主要包括碰撞过程计算机仿真的基本力学方程( 运动方程、本构 方程、边界条件和初始条件) ，机车车辆结构的有限元离散和薄壳单元 理论显式积分算法，弹塑性材料的应力应变关系。 3 基于a n s y s l s d y n a 软件的工程应用，以提高效率与精度为目标，对 机车车辆几何模型的建立，单元划分和网格密度的控制，接触界面的定义， 沙漏控制和时间控制等进行探讨，找出以上参数对仿真计算的影响，提高 计算的可靠性和效率。 4 机车车辆车体结构主要由薄壁金属结构组成，碰撞时薄壁结构的塑性变形 吸收碰撞能量。吸能装置的设计也主要采用薄壁结构。薄壁结构的碰撞吸 能特性除了与本身的材料有关之外，还与壁厚、横截面以及预变形密切相 关。本文利用计算机仿真模拟薄壁结构碰撞过程，找出以上因素对碰撞性 能的影响和规律。 5 综合考虑效率与精度的问题，建立d f 8 b 机车的碰撞计算机仿真模型，计 算该车正面碰撞的各种响应，利用薄壁结构的碰撞吸能特性设计吸能装 置、防爬装置，并对原d f 8 b 机车的底架端部结构，司机室结构进行改进， 对改进后的耐碰撞d f 8 b 机车进行计算机仿真模拟，并通过与原d f 8 b 机车 碰撞模拟结果的对比和静强度分析来验证结构改进设计的有效性和正确 性。探索和总结机车车辆正面碰撞计算机仿真模拟的关键技术要领，最终 达到以较小的单元规模和较少的机时在满足工程精度要求的条件下模拟 机车碰撞，并利用计算机模拟指导耐碰撞机车的结构设计。 鞭南交通大学磷士研究生学位论文第12 贾 第2 章机车车辆碰撞过程计算机仿真的基本 理论与方法 2 1 概述 机车车辆的碰撞怒一个瞬态的( 约几百毫秒) 复杂的物瑗过程。它靓岔 以大位移、大转动和大应变为特征的几何非线性，以材料弹耀性变形为特征 的材料非线性和以接触摩擦为特征的边界非线憔。这些非线燃的综合作膈使 筏车车骥戆碰撞傍奏 豢霆建，毽疆蓬接懿系缀溺撵遵守鏊本戆力学定德。 因此，本帮将详细介绍碰撞接触系统要遵守的基本的力学方程。 描述机车车辆碰撞过程的变量既是空间坐标变量的函数，又是时间变薰 的函数，因此碰撞仿冀在建立模型时需要利用蒸予鸯限元方法斡空闻域离数 技术，褒窳解露弱需黉戮1 簿l 基予畜澉差分方法豹辩滴域离教技术。空掏溅静 离散可以肖多种不同的方法，这黛方法对应着不同的有限单元类型，如巍单 元、梁单元、实体单冗、弹簧单元铸。机车车辆牟体结构几乎都是由薄髓众 震馋焊接嚣残戆，透露慕矮麦单元淡戆较好蛇臻述其变形特援，本章终黧轰 夯绍壳肇惩。 时间域的离散也可采用不同形式的有限差分法，如中心麓分法、牛曼法。 采用中心麓分法时通过将质量矩阵对角化而避免求解联立方稷缌，这就嫩最 式蘩奏冀法。采弱牛鬟法薅，壶予泰鳃变量貔系数短瘁聚毽会震量矩瘁，又 包含剐度缎阵，无法实现对角化，函而必须求解联立方程缀，这就是隐式仿 真算法。鼹式仿真算法的特点在于不求解联立方程组，因而不需要存储系数 矩阵，占内存空间小，求解速度快，无收敛性阅题，但是显式算法存在数值 稳定洼瀚麓，羲锈粪辩蠲步长不麓麓过荚灌秀馕。隐式嫠囊簿法豹特点题蘩 求解联立方程组，每步求解都需要然代，且存在收敛性问题；但它是无条件 稳定的，即仿真时间步长可以任意大而不会导致数值稳定性问题【。由予机 车车辆豹磁撞过程其鸯缀强的 线髓特捱，且怒一个瞬态过糕，其耨理零震 决定了它鹃仿真只熊袋溺足够巾静辩阔步长，否剿就会造成遗夫静计算误簸， 再考虑到隐式仿真算法必须迭代求解，求解速成慢。因此，机车车辆的碰撞 过程的仿真目前一般采用显式仿真算法，这是本翠介绍的又一个重点。 凝车零壤及吸麓装熏麴耪辩坶傻惩镄毒砉，这藏楗辩夔应力一应变关系瀵足 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 各向同性弹塑性的特性。由于机车车辆的耐撞性主要体现在碰撞能量由吸能 装置和车体次要部位的塑性变形吸收上，因此弹塑性材料的应力一应变关系 及其计算方法的研究对机车车辆的计算机仿真是十分重要的，这也是本章介 绍的另一个要点。 2 2 基本力学方程阻” 研究碰撞接触问题实质上就是研究给定的接触体系从参考时刻t = 0 到 某个给定时刻t o 这个时间域内的响应。碰撞接触体系的响应主要受三大类 方程的制约： 1 ) 运动方程。它反映物体运动的基本规律，遵守质量守恒、动量守恒和能 量守恒定律。 2 ) 边界条件。它反映了外界对接触系统的约束，也反映了接触系统内部的 相互关系与作用情况。 3 ) 本构方程。它反映材料变形特征，由材料的本质决定。 2 2 1 运动方程 如图2 1 所示物体运动示意图，在固定的直角坐标系中，b 为物体的初 始构形，经过一定时间t 后，其现时构形为b 。 x 1 图2 1 物体运动示意图 取初始时刻的质点坐标为x j ( j = l ，2 ，3 ) ，在任意t 时刻，该质点坐标 为x i ( i = l ，2 ，3 ) ，使用l a g r a n g e 描述法，这个质点的运动方程可以表示 为： x 。= x 。( x ，r ) i ，j = 1 , 2 ，3 ( 2 - - 1 ) 越南交通大学磷士研究生掌稼论文第 4 灏 在t = 0 时，初始条件为 薯( z ，g = x ， ( 2 2 ) x f ( x j ，o ) = ( ，0 ) ( 2 - - 3 ) 式中v 为拐始速度。 质量守恒可表示为 p = 巾o ( 2 - - 4 ) 式中p 为当前质爨密度，po 为初始质量密度，j 为相对体积系数，目口 j a c 。b i 矩羚舀= 熹豹行列式蓬e 在物体上取任意一闭合面s ，设s 面内包围的体积为v ，根据牛顿第二 定律可| 丛褥池 竹一，国+ f 崩矗矿= f p y 5 ) 式中 为柯鹾威力张量，n i 为边界外法向单位矢量，p 为介质密艘， 厂秀单位壤嚣的分质上受到豹井力。 应用黼斯定理化简上式可以得出动量定理： 等+ 域= p 争 沪 蕊 菇。 使用张爨表示时，上式可以表示为； g 。i 斗礴i = 器( 2 - - 7 ) 2 2 2 边界条件 在图2 1 所示的物体运动示意图中，给定了三种不同的边界条件： 1 在边赛魏上的面力边界条舞： = ( f ) ( 2 - - 8 ) 2 ) 在边界a 6 ：上的位移边界条件： 薯阮，磅= 鼋) ( 2 - - 9 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 3 ) 在内部边界，上，当r ? = x i 时满足的接触连续条件 b ；一盯i k ，= o 式中 仃。一柯西应力张量； n 一边界a 6 外法向单位矢量； ( 2 1 0 ) f f 一面力载荷，( i _ 1 , 2 ，3 ) ； 口一给定的位移函数，( i _ 1 ，2 ，3 ) 。 包括物体的运动方程、动量方程以及边界条件的伽辽金法弱平衡方程为： j 协，一盯一顽净，d v + 肛；一盯i 一蠡，d s + ( _ 一磅，d s = 0 ( 2 1 1 ) v鸭矾 其中，在a 6 ，边界上满足所有位移边界条件。 应用散度定理： 肛。蠡，) 。d v = f p ；一盯i k ，蠡，c 心+ i c r e n ，& ，d s ( 2 1 2 ) p 抽3。 并注意到分步积分 h 凼j ，一呀，凼= c r o & 。( 2 - - 1 3 ) 于是公式( 2 1 1 ) 可改写成虚功原理变分列式： 6 耳= i p 瑟l | d r + l 。h 盘i j 洲一l 百 出矗y l t ，& f l s = 0 ( 2 1 4 ) rvr乩 此公式即虚功原理的变分列式，其物理意义是：作用在物体上的外力和 内力的虚功之和为零。 2 2 3 本构方程 材料的本构关系描述应力随应变和应变率的变化关系。不同的材料具有 不同的本构关系。即便是同一种材料，在不同的变形状态下，其本构关系也 有可能不一样。在材料的线弹性范围内，本构关系可以采用广义虎克定律来 描述，即 so=cfsh(2-15) 磷南交逸大掌颟士研究生学位论文第16 炎 式中 c 。一材料常数。 在零葶瓣靛塑槛变形玲段，材料鹣本擒关系鞍凳复杂，本文将在2 5 节弹 塑性材料的应力应变关系中详细阐述。 2 ，3 机车车辆结构的有限元离散和薄壳单元理论 2 3 1 机车车辆结构的有限元鬻散纯 我们游对物体进行有限单元离散化，则单元内任意点的嫩标用节点坐标 插值表示为： 女 x i 0 邑，f ) = 善暖。g ，f ，警，) = 秀繇，f ，露? 每) ( 2 t 6 ) 式中 庐一以参数嫩标g ，f ，叩) 袭示的形函数； 未势纂元节点数 x ? 表承单元第j 个节点在i ( p 1 ，2 ，3 ) 方向上的位移。 对整个物体的n 个擎元的虚功求鞫，有： 新= 鼢，= o ( 2 1 7 ) 鼹船舶 肛一沙油一p 击p ( 2 - - 1 8 ) 。f1 ”t 吒抽ij 其中： = 慨，戎，丸r ( 2 1 9 ) 薅公式( 2 1 8 ) 霉戏艇终形式，鸯；t 。f1 4 i p n 7 戤 。咖+ p r p 扭一p 时 6 抄一肛r p 蚓* 。0 ( 2 2 0 ) ”耐l 矾 式孛 | | 一行嚣数矩阵； 恼) 一柯西应力矢墩： 矗y = k ，。，疗。) ( 2 2 1 ) 秀毫交遗大学硕士蟥突生学位论文剪17 页 陋】一应变矩阵； 扛 。一节点加速度向量。单元内任一点的加速度可表示为： f 皇 削茎 滢 秘一体积肉量：，= 墨 = 砖r ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) h