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。     

轻质镁合金鼓胀吸能结构吸能特性研究

为提高轨道车辆耐撞性,提出一种轻量化镁合金鼓胀吸能结构.该结构在保证吸能性能的基础上,能极大地降低自重.首先设计镁合金鼓胀管吸能结构几何模型,并加工与之对应的实物样机.随后通过准静态压缩试验手段,开展结构力学特性研究.在压缩过程中,管结构逐步发生径向扩张塑性变形,变形模式稳定可控.在此基础上研究锥头锥角、锥头外径、吸能管壁厚等几何参数对鼓胀管吸能性能影响,研究结果表明:随着锥头锥角、外径以及管壁厚度的增大,结构的最大峰值力、平均力、吸能量及比吸能均增加.分别对比镁合金、铝合金、碳钢吸能管的特性,得出比吸能分别为10,9.6和7.6 J/g,镁合金管具有较高的比吸能.     

基于向量化的BESO方法灵敏度过滤快速算法

在使用双向渐进式拓扑优化算法(BESO)时,优化结果中常会出现棋盘格和网格依赖的现象。单元灵敏度过滤器是解决此类问题的有效方法,但随着结构规模扩大单元数量增多,计算单元权重因子耗时将十分可观,其原因是计算单元的权重因子数据需进行多次循环嵌套,逐一计算单元中心距,串行算法使得计算效率低下。通过结合深度学习训练模型中将数据集进行向量化预处理的思想,对灵敏度过滤计算所需数据进行向量化预处理,并推导了基于向量化的单元灵敏度过滤算法,将逐一的标量运算改进为可并行的矩阵运算。对向量化算法中可能出现的储存空间占用过大的问题,使用稀疏矩阵对储存空间进行优化,提出进一步改进的Sparse算法。通过ABAQUS二次开发实现了改进后的BESO拓扑优化流程,分别使用二维和三维悬臂梁算例进行计算时长验证,结果表明向量化的灵敏度过滤算法的加速比相对于双循环算法最高可达6,Sparse算法的加速比可达8,改进后的算法极大提升了单元权重因子和灵敏度过滤的计算速度。在计算权重因子时,Sparse算法的耗时略高于向量化算法,但在优化总耗时方面,Sparse算法优于向量化算法;当结构规模大单元数过多时,向量化算法可能限于硬...     

标准地铁列车前端专用耐撞结构吸能模式及力学匹配

开发轻质高比吸能的能量吸收装置是标准化地铁列车项目的核心需求，开展专用吸能装置的匹配性增强设计对结构耐撞性提升有重要意义。在不改变现有装置所占空间的前提下，根据标准化地铁列车的碰撞防护参数，设计了3种吸能元件方案，运用显式有限元分析方法，基于试验测定的部件性能参数，对比分析了3种结构在25 km/h速度条件下的冲击响应行为，并确定了最终的优选设计方案。在此基础上，运用拉丁超立方试验法构造了吸能参数响应面；采用非支配排序多目标遗传算法（NSGA-II）开展了吸能元件的多目标结构优化匹配设计，获得了优化后的结构方案，并完成了验算。结果表明，通过串联式蜂窝结构设计可改进吸能装置中长行程蜂窝的失稳问题；通过顶杆式蜂窝组合结构设计，显著提升了装置压缩过程中的吸能特性。响应面优化后的标准化地铁列车吸能装置吸能能力显著提升。     

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...     

动车组行李架支座结构拓扑优化设计

文章基于拓扑优化的设计思想,以行李架支座刚度最大化为设计目标,考虑材料体积约束,对结构材料布局进行优化设计,采用准则法对优化问题进行求解.为了实现所设计结构的对称性和通用性,以2种不同工况下的结构加权刚度为目标函数,有限元建模和优化计算分别在软件Hypermesh和其优化模块Optistruct中进行,对最优结构的强度及模态校核证明了设计方案的可用性与有效性.     

地铁车辆底架前端传力路径及结构优化方法

根据力流路径分配最优原则设计出不同的底架前端吸能区结构布置方案;基于Beam梁单元简化的有限元模型进行仿真计算,比选得到最优的传力路径方案;对该最优传力路径方案进行实体化建模,以设计方案仿真计算得到的关键参数作为目标,设计出2种不同构型的承载式吸能结构;对整个底架前端结构进行参数优化,对优化前后的底架前端结构进行碰撞仿真计算对比分析。研究结果表明:优化后的底架前端结构能够满足能量吸收的约束条件,并且碰撞过程响应稳定。     

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.     

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.