滚石冲击EPS新型复合拦石墙现场原位试验研究

以聚苯乙烯泡沫（Expanded Polystyrene,EPS）新型复合拦石墙板为研究对象，以合璧津高速公路危岩防护工程为背景，首次开展滚石冲击拦石墙现场大型原位试验，研究滚石冲击EPS复合拦石墙动力作用过程，揭示EPS泡沫板在滚石灾害防治结构设计中的耗能减震机理。采用有限元分析软件验证了现场试验结果的准确性，并讨论了钢板夹层厚度对结构耗能效率的影响，为提高结构抗冲击性能引入钢管耗能器进行结构优化。结果表明：EPS复合拦石墙降低了滚石冲击接触压力，最高可达43%；保持EPS缓冲层厚度不变，其材料密度越小，则耗能效果越显著，但EPS缓冲层密度降低的同时也将导致复合结构的抗冲切破坏能力下降；钢板夹层越厚，结构耗能效果越好，相较于15 mm钢板，35 mm钢板耗能效果可提升约25%；布设耗能器可有效提高结构抗冲击能力，且在结构中心位置布设耗能器时效果最佳，耗能效果提升31.8%；耗能器个数与结构耗能效果呈正相关关系。     

桥墩防船撞设施研究

文章结合官洲河特大桥防撞设施设计实例，分析了桥墩防撞设施的基本要求，对我国常用的防撞设施作了性能比较，并对不同防撞设施进行了经济比较，提出了适用的计算方法，同时介绍了该桥主墩钢套箱设计情况：主要由类似船舶结构的多室构造套箱和套箱与桥墩间的橡胶弹性缓冲层构成，具有吸能好、占空间少等优点。     

低地板车泡沫铝防撞装置动静态性能研究

为了设计四模块低地板有轨列车耐撞性车体防撞装置,实现列车被动安全保护,采用数值仿真技术进行准静态和动态压缩计算,研究不同孔隙率下泡沫铝防撞块的吸能特性。研究结果表明:泡沫铝防撞块准静态压缩的压溃力呈现明显的弹性阶段、稳定压溃阶段和致密化阶段;泡沫铝防撞块的压溃力和吸收的能量随着孔隙率的减小而增加;同一孔隙率下,动态压缩过程初始压溃力的变化趋势与准静态压缩的压溃力大致相同,而随着泡沫铝的压实,准静态压缩的压溃力呈线性增大。     

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.     

轨道车辆碰撞吸能闭孔泡沫铝优选设计

基于不同应变率加载条件下不同密度闭孔泡沫铝能量吸收曲线,进行轨道车辆碰撞吸能用泡沫铝材料优选设计,实现了泡沫铝的高效选择。提出轨道车辆碰撞吸能用泡沫铝逆向设计流程与优选方法,通过初选碰撞场景,确定泡沫铝专用吸能元件设计总体需求,构建其标准化应力与单位体积标准化吸能量之间的映射关系,预选厚度,正向计算碰撞条件下的应变率及对应的能量吸收能力,并进行需求比对,循环迭代,直至收敛于最优密度及厚度。最后,通过动车组头车耐撞性吸能元件设计实例,验证了泡沫铝密度与厚度优选的高效性,所提方法可大大提高轨道车辆碰撞吸能用泡沫铝的选材效率。     

表观密度对聚氨酯泡沫固化材料力学性能的影响

为深化聚氨酯固化道床的研究,通过调整用水量控制聚氨酯泡沫固化材料的表观密度,研究表观密度对聚氨酯泡沫固化材料拉伸性能、撕裂性能、压缩性能和黏结性能的影响,并利用扫描电子显微镜观察聚氨酯泡沫固化材料的泡孔结构。结果表明:聚氨酯泡沫固化材料的表观密度直接影响其泡孔结构,随着表观密度的增加,泡孔数量及大孔数量均减少,而其拉伸强度、断裂伸长率、撕裂强度、压缩强度均呈线性增加,黏结强度逐渐增大。因此,综合考虑技术性和经济性,对碎石道床承载力和稳定性有更高要求的重载铁路而言,宜采用表观密度为165~200kg·m-3的聚氨酯泡沫固化材料;聚氨酯泡沫固化材料能够与混凝土和道砟石良好黏结,且相同表现密度下聚氨酯泡沫固化材料与混凝土的黏结强度高于其与道砟石的黏结强度。     

软岩隧道EPP混凝土受力特征及卸压效果分析

研究目的:软岩隧道在运营期间由于围岩蠕变导致隧道衬砌发生大变形及开裂，严重影响运营安全。在前期试验取得的EPP(聚丙烯)泡沫混凝土力学参数的基础上，开展软岩隧道EPP泡沫混凝土缓冲层受力特征及卸压效果分析，提出一种抵抗隧道围岩蠕变、减小衬砌变形的方法，为类似隧道工程设计提供参考。研究结论:(1)EPP泡沫混凝土作为软岩隧道缓冲层对衬砌受压有良好的改善效果；(2)以EPP泡沫颗粒含量为64%的混凝土作为缓冲层且厚度为0.8 m时，衬砌受到的压应力最小，衬砌处于全断面受压状态，且极限承载能力最高；(3)缓冲层的让压量是决定其卸压效果的直接原因，缓冲层EPP泡沫含量越高，厚度越大，让压量就越大，卸压效果最好；(4)EPP泡沫混凝土应用于土木工程领域铁路和公路工程方向软岩隧道初期支护与二衬之间缓冲层结构中，其应用前景广阔，为进一步改善EPP泡沫混凝土卸压性能及提升工程实用性，需对材料配合比及压缩特性开展优化研究。     

不锈钢双层客车防撞柱弹塑性分析及试验验证

以某型不锈钢双层客车为研究对象，对其司机室端防撞柱结构进行评估和试验验证。根据美国CFR标准49章238部分的评判准则，提出3种防撞柱弹塑性试验方案，并基于动态仿真结果进行比选；对司机室端防撞柱结构设计并进行弹塑性冲击试验，测试冲击速度、反弹速度和防撞柱各垂向高度的位移，并计算吸能量，通过对试验数据的分析并与评判准则进行对比，表明防撞柱设计满足所有设计要求；最后，基于试验数据对防撞柱有限元模型及建模方法进行校验，试验数据和仿真数据的对比分析表明结果具有很好的一致性，为后续进一步的研究工作提供了可信的基础模型。     

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.     

无砟轨道降噪用泡沫铝吸声板研究

无砟轨道吸声板采用泡沫铝吸声材料,搭配密闭空腔,四周浇筑混凝土,表层覆盖格栅网,通过微孔、共振和衍射作用产生吸声效果。通过阻抗管试验,对比不同频率下结构的吸声系数和降噪系数,分析泡沫铝层数、表层和内层泡沫铝材质、表层和内层空腔深度组合对吸声效果的影响。根据试验结果,采用上下双层方案,表层为厚15 mm通孔泡沫铝,内层为厚10 mm闭孔泡沫铝,表层空腔深度30 mm,内层空腔深度80 mm。经混响室试验测定,在250~6 300 Hz较宽频率范围内吸声系数较高,降噪系数为1.0,达到了较好的吸声效果。     

基于显式有限元的高速列车吸能装置吸能原理研究

吸能装置是提高高速列车耐碰撞性能的关键部件。首先阐述了金属切削数值仿真的关键技术,包括材料的本构模型、切屑与工件的分离、切屑与刀具的接触和摩擦等。然后利用显式有限元仿真了薄壁结构被轴向切削时刀具的前角、切屑的厚度和宽度等对其吸能特性的影响。提出薄壁结构轴向切削吸能和轴向压缩吸能的组合作为吸能装置的吸能原理。分析结果表明,该吸能原理是一种非常理想的碰撞能量耗散模式。     

结构参数对铝蜂窝防爬器吸能特性影响

为研究某型地铁车辆的铝蜂窝防爬器的吸能防爬特性，利用非线性有限元数值模拟方法，建立了可靠的等效铝蜂窝防爬器有限元模型。通过对不同结构参数铝蜂窝防爬器的吸能特性研究，对该防爬器进行了优化设计，并将优化后的防爬器用于整车，模拟了6编组地铁车辆在速度为25 km/h时的对撞工况。仿真结果表明，增加薄壁壳壁厚将使碰撞初始峰值力大幅度增加，碰撞力的波动也随之增大；在多个铝蜂窝块之间插入隔板串联组合使用，将极大地提高蜂窝块的吸能效果；在薄壁壳上开诱导孔是诱导防爬器稳定有序变形的手段之一，但是诱导孔数量过多反而对吸能造成不利影响。通过整车碰撞模拟，以欧洲铁路标准EN15227:2020的相关要求对其进行评判，证明了该防爬器具有良好的吸能和防爬性能，为铝蜂窝防爬器在地铁车辆上的应用提供了理论依据。     

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...     

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。     

密度对聚氨酯固化材料减振性能的影响

通过调整发泡剂用量制备出不同密度的聚氨酯固化材料,研究密度对聚氨酯固化材料力学性能、减振性能以及对聚氨酯固化材料与道砟形成的固结体减振性能的影响,探讨聚氨酯固化材料减振性能与其固结体减振性能的关系,分析聚氨酯固化材料减振性能的影响因素。结果表明:随着密度的增加,聚氨酯固化材料的拉伸强度、撕裂强度和压缩强度均逐渐增大,而断裂伸长率先增加后降低,在密度为137 kg/m3时达到最大值;聚氨酯固化材料的减振性能与其固结体的减振性能呈线性正相关关系;聚氨酯固化材料的减振性能与固化材料中开孔气泡的数量有关,随着聚氨酯固化材料密度的降低,固化材料中开孔气泡数量越多,吸能效果越显著,减振效果越好。综合考虑力学性能和减振性能,聚氨酯固化材料的密度宜在140～170 kg/m3。     

落石冲击作用下棚洞-拦石墙顶板及缓冲层的动力响应

以黔张常铁路（黔江—张家界—常德）为例，采用离散元软件PFC3D与有限差分软件FLAC 3D进行耦合计算，研究落石冲击棚洞-拦石墙顶板及缓冲层的动力响应，优化棚洞-拦石墙顶板及缓冲层设计，并对掺有轮胎颗粒的缓冲层进行研究。结果表明：可适当减小棚顶厚度，达到减轻结构自重与节省原料的目的，但棚顶厚度不宜小于0.4 m；适当增加缓冲层厚度可以减小落石冲击力，从而减小顶板挠度与应力，且缓冲层厚度不宜低于0.50 m；缓冲层添加20%～30%轮胎颗粒能有效提升缓冲层防护效果。     

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。     

铁路桥梁金属耗能防落梁装置力学性能研究

针对目前铁路桥梁钢防落梁装置缺乏缓冲耗能能力的问题，提出一种金属波纹钢耗能防落梁装置，采用Ansys软件建立多种类型金属波纹钢耗能元件有限元模型，对比研究各耗能元件的滞回性能，比选出最优方案，推导建立金属耗能防落梁装置关键力学参数计算理论和装置力-位移骨架曲线计算方法，建立金属耗能防落梁装置设计方法并编制了装置设计软件，进行耗能防落梁装置力学性能试验验证，开展波纹钢厚度、波纹钢幅值、钢材硬化比、半波弦长等参数对耗能防落梁装置力学性能的影响分析。研究结果表明：建立的铁路桥梁金属耗能防落梁装置设计方法正确，算法精度高，满足工程应用的要求，推荐采用正弦波纹钢和半圆波纹钢作为耗能防落梁装置的耗能缓冲元件，研发的耗能防落梁装置可用于高烈度地震区铁路桥梁抗震及减震，具有良好的经济性和适用性。     

隧道内弹塑性钢管混凝土防撞系统设计及列车撞击荷载研究北大核心

为了减轻列车在隧道内脱轨后引发的灾害,提出了一种设置于隧道内用于抵挡高速列车脱轨后撞击的新型防撞系统。该系统由W梁、W梁连接件、吸能块和钢管混凝土防撞墩组成。为了研究新型防撞系统的适用性,建立了列车-防撞系统-隧道耦合模型,计算得到在不同撞击角度和撞击速度下列车撞击力时程曲线,分析列车撞击力峰值与列车撞击角度、速度的关系,最不利工况下车头的横向速度、位移时程曲线,以及撞击后列车与防撞系统的形态变化。结果表明:列车撞击力随撞击角度和速度的增大而增大,且撞击角度变化对撞击力影响较大;新型防撞系统可以抵挡列车的撞击作用,吸收部分碰撞能量,并且受到撞击后整体结构保持完整。     

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.