地铁车辆底架薄壁梁吸能结构耐撞性试验与仿真研究

针对城轨列车的结构形式,以典型地铁头车车体司机室安装接口为设计约束,设计一种底架薄壁梁司机室结构.首先对城轨列车底架吸能结构进行设计,并基于模型设计,研制实际司机室结构样机,并通过冲击试验对吸能结构进行了耐撞性研究,结构撞击平台力为1450 kN,吸收能量为550 kJ.随后建立有限元模型,对吸能结构进行数值仿真,最终对有限元与试验研究结果进行分析,结构在撞击力、吸能量、变形模式、压缩位移、褶皱形状及位置基本一致.研究结果表明:试验和仿真的误差范围控制在10％以内,验证了该有限元模型拥有较高的精度,可通过仿真手段代替试验研究,进一步探究各冲击工况下的动态响应.     

城市轨道车辆吸能结构设计

为了实现车辆在碰撞事故中的被动安全保护,综合运用比吸能较高的方管、圆管及蜂窝铝等不同吸能元件,设计一种城轨车辆用可更换的两级吸能组合吸能结构,并运用显式有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA进行25 km/h撞击速度下碰撞仿真分析。研究结果表明:吸能结构发生了有序可控的两级塑形变形,第一级为铝蜂窝压缩变形,其变形行程为151.1mm,撞击平台力约为154.8 kN,吸能量为24 kJ;第二级为方管叠缩和圆管挤压变形,变形行程约为307.6 mm,平台撞击力为732.5 kN,吸能量为190.2 kJ。为城轨车辆用吸能结构设计提供新思路。     

膨胀薄壁圆管吸能特性研究

薄壁圆管的变形模式包括膨胀、撕裂、渐进压溃、欧拉屈曲等多种形式，文章通过ls-dyna软件对膨胀薄壁圆管的吸能特性进行了数值模拟。以建立的膨胀薄壁圆管有限元模型为研究对象，得到了在压模角度为30°、下压速度为5 m/s时，压模直径与膨胀薄壁圆管吸能特性之间的关系，得出当吸能特性最好时压模直径与膨胀薄壁圆管直径之间的比值D_d/D₀。通过相同尺寸的薄壁圆管在渐进压溃与膨胀2种变形模式下的吸能量对比，得到当D_d/D₀=1.22时，2种变形模式下圆管的吸能量基本相同；当1.22d/D₀<1.3时，膨胀圆管的吸能效果优于渐进压溃圆管；当D_d/D₀>1.3时，膨胀圆管出现压溃、撕裂等不稳定变形模式，吸能量开始下降。     

轴向冲击下薄壁方管屈曲模式及初始峰值力控制研究

基于冲击试验和仿真实验手段对带隔板方管吸能结构的碰撞力学响应特性进行分析,建立有限元模型,采用显式动力有限元ANSYS/LS-DYNA进行数值仿真,并与试验结果对比,误差基本稳定在5%以内,验证该数值仿真模型的有效性。研究结果表明:结构变形模式为稳定可靠的轴对称模式。研究隔板结构与诱导结构对吸能特性的影响,得出结构在隔板的约束下产生更多的屈曲褶皱,吸能量提高17%。诱导结构对结构整体吸能量影响不大,可以显著降低结构的初始撞击力峰值,降低百分比达到42.3%。     

列车端部双层方管组合式吸能结构耐撞性研究

为了克服现有缓冲吸能装置不能同时满足高比吸能和低撞击峰值力的问题,提出一种具有内外双层方管的组合压溃式金属薄壁方管吸能结构,该结构具有压缩效率高,吸能量大的优点.根据列车安装空间要求对吸能结构进行初步几何参数设计,建立详细的有限元模型,并进行相关数值仿真模拟.针对吸能结构设计方案进行实物样机试制,开展吸能结构轴向动态冲...     

某城轨车辆碰撞能量管理系统研究

为了改进某城市轨道车辆车体耐碰撞性能,根据美国AAR S-034标准要求,建立了一种基于蜂窝铝芯和锥形薄壁方管结构的碰撞能量管理(CEM)系统,利用LS-DYNA平台,对该CEM子系统的撞击性能进行了分析,并对比了安装CEM系统前后整车撞击刚性壁障的界面力-位移曲线和加速度-时间曲线。研究表明:"铝芯-薄壁管"组合式吸能结构可以使压溃变形过程有序进行,且具有较低的撞击力初始峰值;采用文中的CEM系统可显著提高车体端部结构的耐碰撞性能。     

气液-压溃组合式缓冲装置冲击吸能特性实验研究

动车组用中间车钩缓冲吸能装置主要由气液缓冲器和压溃管组成,为研究其工作场景中动态吸能特性,采用两辆台车与中间车钩连挂,撞向刚性墙进行冲击实验,台车冲击速度分别为7.19、18.7和25.7 km/h 3种工况。冲击作用下,气液缓冲器阻抗力具有明显的动态特性,最大压缩行程的阻抗力随冲击速度提升而增高,可达1500 kN,远高于其静压实验最大阻抗力800 kN;而压溃管动态阻抗力与静压结果基本一致为1500 kN;冲击速度为18.7和25.7 km/h,气液缓冲器压缩行程达到30 mm时,阻抗力达1200 kN,压溃管被触发压溃,气液缓冲器与压溃管同时进入压缩状态,一起压缩变形。     

恒定内压金属圆管受轴向冲击的吸能特性研究

为了研究承受内压预载金属圆管在轴向冲击载荷下的力学行为和吸能特性,基于Abaqus对承受恒定内压预载的R/t较小的金属圆管轴向冲击进行有限元分析,同时考虑到初始几何缺陷、预加载引起的初始几何形变等因素的影响,在有限元仿真时建立相应的对照组。仿真结果表明:随着内压载荷的增加,圆管轴向变形半波长和圆管变形的偏心率m都逐渐增加,褶皱的厚度越来越大;内压状态时,初始峰值力和平均轴向压缩力都有大幅度的降低,峰值力降低的数值比对平均峰值力降低的更大;存在内压预载的冲击模型对初始几何缺陷很不敏感。     

钢板拉伸-弯曲式大行程吸能装置研究及优化

提出一种新型大缓冲行程吸能装置,该结构利用金属吸能板在冲击作用下产生重复弯曲-拉伸塑性变形吸收冲击动能,具有远大于其自有长度的变形行程.首先开展吸能结构样机落锤冲击试验,研究在冲击载荷下的力学特性.结果表明,吸能结构整个冲击过程稳定可控,初始峰值力为21.88 kN,稳定变形力为10 kN.随后建立有限元模型,经比较仿真结果与试验误差在10％范围内,充分证明了有限元模型的有效性.通过有限元仿真分析吸能装置的变形特性,以及钢板厚度和宽度,导轮半径和导轮数量对其吸能特性的影响.最终得出随着结构的板厚,板宽度,导轮数量的增加以及导轮半径的减小,装置的撞击力和吸能量均呈增加趋势.     

车钩缓冲装置用过载保护吸能装置综述

钩缓用过载保护吸能装置根据其变形模式的不同分为2类.文中重点介绍了圆管、方管、扩张式、收缩式和折叠式的作用原理和优缺点,并介绍了客量的计算方法和行程的确定方法,列出了扩张式触发力的计算公式.     

轨道车辆泡沫铝填充吸能元件的优化设计

通过仿真研究了填充泡沫铝对吸能元件性能的影响,然后针对轨道车辆吸能装置中填充泡沫铝圆管元件参数进行优化研究.研究以质量最小为优化目标,以薄壁厚度、圆管直径以及泡沫铝密度为优化设计参数,以刚度为约束,运用序列二次迭代(SQP)法进行优化.最后,运用非线性有限元分析软件MSC.DYTRAN进行碰撞分析并验证了优化结果.结果表明:泡沫铝填充材料对元件的比吸能以及其他耐撞击性能的改善起到较为重要的作用;针对不同的吸能要求,泡沫铝密度需合理选取;填充泡沫铝的薄壁圆管壁厚度不宜取太大;泡沫铝材料的密度的选取应随压溃力的提高而适当增大.     

基于有限元的城市轨道交通列车钩缓装置压溃吸能仿真分析

压溃式半永久钩缓装置是城市轨道交通列车中间车厢耐撞性吸能的主要部件.在分析压溃式半永久钩缓装置结构与功能的基础上,建立了压溃式钩缓部件的有限元模型.基于EN 15227-2008《车体防撞性要求》的城市轨道交通列车中间车厢耐撞性评估场景,分析了压溃式半永久钩缓装置在12.5 km/h速度撞击工况下的动态响应.数值仿真结...     

一种双级式列车吸能防爬装置耐撞性分析

文章首先利用Hyper mesh软件建立了列车双级式吸能防爬装置的有限元模型,并基于该有限元模型对蜂窝结构强度对双级式吸能防爬装置耐撞性的影响进行了研究分析。结果表明,该吸能结构可以形成有序的变形模式。初始峰值力和平均撞击力随着蜂窝A强度或蜂窝B强度的增加而增加。该结构能量吸收量主要受蜂窝A强度影响,而蜂窝B强度则对初始峰值力有较大影响。     

列车收缩管吸能防爬器耐撞性研究

为提升列车车辆在偏心碰撞和倾斜碰撞场景下列车车辆的耐撞性,提出一种收缩管吸能防爬器.该吸能结构在碰撞过程中,其收缩吸能管和吸能座圆锥面产生摩擦作用,收缩吸能管产生径向收缩变形吸收冲击动能,提升非正心碰撞场景下列车吸能结构的吸能特性.采用准静态拉伸试验得到吸能管材料的本构模型,并通过台车冲击试验验证所建立有限元模型的有效...     

耐冲击地铁车辆设计及整车碰撞研究

针对地铁车辆自身特点进行耐冲击地铁车辆吸能结构设计,提出了耐冲击地铁车辆设计理念,将该地铁头车在撞击过程中的能量吸收过程设计为4级:第1级为车钩缓冲装置缓冲器,第2级为缓冲装置中的压渍变形管,第3级为车钩剪切螺栓,第4级为位于头车前端底架的吸能结构和防爬器等可变形结构.并对地铁中耐冲击车体进行了研究,在车体结构中于指定部位设计大塑性变形结构,即设置专用吸能结构;建立了该地铁头车的车体碰撞模型,进行了各碰撞工况的数值仿真.研究结果表明:在撞击过程中吸能结构从预期部位开始发生稳定有序的塑性变形,车体客室仅发生弹性变形,大部分冲击动能(超过80%)转化为吸能结构的塑性变形,表明该车具有很好的耐冲击效果.     

带隔板单锥薄壁方管结构吸能特性研究和多目标优化

研究轴向静载荷工况下带隔板单锥薄壁方管的能量吸收特性和耐撞性优化设计。试验和数值仿真结果证明该结构的变形模式具有规律性和稳定性,并通过静载荷试验验证有限元模型。在此基础上建立响应面模型,探究该结构不同部位壁厚对其吸能特性的影响。研究结果表明:比吸能和初始峰值力受到外管壁厚的影响比隔板厚度的影响要大。为进一步优化带隔板单锥薄壁方管的吸能性能,以外管和隔板的厚度为设计变量,以比吸能和初始峰值力为优化函数进行多目标结构优化。结果表明,优化目标比吸能和初始峰值力相互冲突,吸能比的增加会导致初始峰值力的增加。优化结果可为地铁车辆的耐撞性提供良好的设计矩阵,以获得性能更好的吸能结构。     

减轻乘员二次碰撞损伤的列车铝蜂窝吸能桌耐撞性研究

为提高我国列车的被动安全性,设计一种蜂窝蒙皮夹层结构吸能桌,能够有效降低列车碰撞时乘客与列车固定桌的碰撞损伤。采用全尺寸法建立蜂窝结构全尺寸有限元模型,用准静态试验和动态冲击试验验证蜂窝全尺寸模型有效性,然后使用Hypermesh建立蜂窝夹层结构吸能桌的数值仿真模型,先后验证了吸能桌的承载强度和被动安全防护性能。垂纵向承载强度校核结果表明,吸能桌在垂纵向均布载荷作用下产生很小的永久塑性变形,承载强度满足GM/RT 2100 issue 5等标准要求;标准50th混Ⅲ男性假人与现有餐桌和吸能桌的滑台碰撞仿真结果表明,吸能桌相比现有桌能够明显改善乘员的运动姿态,有效地降低乘员的碰撞损伤。然后,探究了蜂窝夹层结构的蜂窝胞元厚度t1和蒙皮厚度t2对假人撞击力F和胸部压缩量THCC的影响情况,结果表明当胞元壁厚和蒙皮厚度变化时,吸能桌对假人防护效果先是变好,然后变差,胞元壁厚的影响程度较蒙皮厚度大。最后对不同厚度参数组合下假人损伤进行综合评价,结果显示t1和t2分别为0.10 mm和0.22 mm时损伤综合评价最优。     

列车纵向-垂向碰撞动力学耦合模型建模与研究

为研究列车碰撞响应机理,基于多体动力学方法,建立包括轨道子系统、轮轨关系子系统、车钩缓冲器-防爬器子系统以及车辆子系统的列车纵向-垂向平面碰撞动力学模型。轨道子系统中将钢轨假设为离散点支撑的Timoshenko梁;轮轨关系子系统考虑了大蠕滑情况下轮轨切向力的计算;钩缓-防爬器子系统中考虑了车钩和防爬器转动以及动态因素对吸能特性的影响;车辆子系统中考虑了车端点头运动和吸能变形模式以及悬挂系统的非线性特性影响。采用显示数值积分方法,编制了该耦合系统的动力学仿真程序,并进行时域求解。将数值求解结果与有限元仿真和试验结果进行比较,验证了列车纵向-垂向碰撞动力学耦合模型的正确性。论文研究成果为进一步研究车辆主要结构参数对碰撞性能的影响规律、改善列车碰撞动力学行为以及新型耐撞性车辆设计提供了理论依据和仿真手段。