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。     

动车组行李架耐撞性分析及优化设计

现有列车行李架仅考虑静载荷要求,为了提升动车组列车行李架耐撞性,降低碰撞事故中乘员二次损伤的风险,开展250 km/h标准动车组列车行李架的碰撞特性研究和耐撞性优化设计。首先,基于LS-DYNA显式非线性有限元程序,建立动车组列车行李架有限元模型,仿真分析现有动车组列车行李架结构碰撞响应;其次,采用加宽安装座并在行李架端部加装蜂窝吸能结构和调整螺栓预紧力的方法对行李架耐撞性进行设计,对改进后行李架的碰撞响应进行参数分析;最后,以螺栓预紧力、蜂窝吸能结构压缩强度和托架拉杆厚度作为设计变量,以比吸能、位移和冲击峰值力作为设计目标,采用优化拉丁超立方试验设计获取样本空间,构建设计变量和设计目标的响应面近似模型,选用NSGA-II遗传算法对行李架进行耐撞性多目标优化设计。研究结果表明：现有动车组行李架结构碰撞后安装螺栓失效,行李和行李架掉落,存在对乘员造成损伤的风险;改进后的行李架在碰撞时沿安装座滑动并压缩蜂窝吸能结构,通过行李架与安装座的摩擦和蜂窝材料塑性变形耗散行李碰撞动能,行李未发生掉落;多目标优化设计后得到行李架耐撞性Pareto前沿,行李架在平衡解处具有更优异的耐撞性能,且优化与仿真...     

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。     

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.     

双线铁路下承式连续梁拱组合桥列车-桥梁时变系统空间振动随机分析

在列车-桥梁时变系统横向振动能量随机分析理论的基础上,采用26个自由度的列车空间振动模型,以空间梁单元模拟桥梁结构,以普通空间梁元即12自由度的空间梁元来模拟拱及吊杆结构,建立了双线铁路下承式连续梁拱组合式桥列车-桥梁时变系统空间振动分析模型,分别以构架人工蛇行波及前苏联规律性的竖向不平顺函数为横向及竖向激振源,进行双线铁路下承式连续梁拱组合式桥列车-桥梁时变系统空间振动响应分析。计算了列车以不同车速通过桥梁的空间振动响应,所得结果可供设计参考。     

高速铁路槽形连续梁车-轨-桥相互作用动力分析

济青高速铁路(40+70+70+40) m槽形连续梁是国内外跨度最大的高速铁路双线预应力槽形连续梁。为分析其列车通过时的动力性能,建立列车-轨道-槽形连续梁动力相互作用模型,编制铁路列车-轨道-桥梁耦合动力仿真软件RTTB,利用现场实测数据验证仿真软件的工程可用性,对动车组与货车过桥时系统的动力响应进行数值计算和评估。结果表明:CRH2动车组、CRH3动车组、C64货车在设计速度范围内以单列或者双列的形式通过桥梁时,车辆的安全性指标均合格,平稳性指标为优秀,桥梁的各项动力响应指标均满足规范要求,槽形连续梁结构设计合理,满足设计要求。     

轨道交通列车前端吸能结构碰撞研究

利用LS-DYNA软件建立列车前端吸能结构的有限元模型,通过仿真分析对试验台车吸能结构进行优化以及试件材料选择;通过受力对比分析确定整车模型与试验台车模型对于吸收结构碰撞试验的一致性。台车吸能结构碰撞试验结果及其分析表明:利用台车吸能结构碰撞试验可以替代整车碰撞试验,用于验证列车前端吸能结构设计的合理性。采用仿真分析与台车试验相结合的方法,对列车端部吸能结构的耐碰撞性能进行验证,可以有效地压缩设计与试验的成本和周期。     

悬挂式单轨车桥耦合动力分析

为研究悬挂式单轨运营过程中桥梁和车辆的动力响应变化规律,以某悬挂式单轨双线7跨30m简支梁方案为工程背景,运用通用有限元软件ANSYS建立桥梁有限元模型,分析桥梁的动力特性;然后在多体动力学软件SIMPACK中建立车桥耦合动力学模型,研究双线列车以运营速度对开通过桥梁时桥梁和车辆的动力响应,并分析轮胎刚度和列车编组对桥梁和列车动力性能的影响。分析结果表明:双线列车以65km/h的速度对开通过桥梁时,桥梁跨中的整体横向位移响应最大值为19.03mm,表明桥墩横向刚度较小;轮胎刚度对车桥系统的加速度响应有显著影响;3辆车编组过桥时,桥梁的竖向和横向响应值明显比1辆车编组大,因此,在车桥耦合动力仿真分析时,必须考虑列车编组对车桥系统动力响应的影响。     

云桂铁路南盘江上承式铁路拱桥动力分析与验证

云桂铁路南盘江大桥为上承式混凝土拱桥,大桥建成后,相关单位利用动态检测方法获取了23t轴重货物列车和CRH2列车以不同速度通过该桥时桥梁结构的多项动力响应,并分析评价了桥梁的动力性能。为探究动力仿真分析方法的模拟效果,以南盘江大桥为背景,采用MSC系列软件建立列车-轨道-桥梁动力学仿真模型,分别用美国五级谱和德国低干扰谱作为货车和动车组的轨道不平顺激励,模拟列车过桥的全过程,获得桥梁结构的动力响应规律,并将仿真分析结果与实测结果进行对比验证。对比结果表明:大桥一阶横弯与竖弯频率计算值分别为0.30 Hz和0.576 Hz,与实测的横弯频率0.33 Hz、竖弯频率0.59 Hz接近;分别采用美国五级谱和德国低干扰谱,其波长和幅值能较好地模拟货物列车和动车组通过南盘江大桥的动力响应,数值仿真计算和实车动态测试的结果接近。     

能量吸收方案对列车碰撞响应的影响

为了研究列车头车司机室吸能装置的行程、界面力及中间车钩缓冲装置的界面力对列车碰撞响应的影响,建立了列车碰撞纵向多体动力学模型,以2列完全相同的8节编组列车碰撞工况为例,对配置不同能量吸收方案的列车碰撞动态响应进行了分析和对比。研究结果表明:头车司机室吸能装置的行程存在最优值,在不超过最优值的前提下增加其行程可以减小碰撞后期各车辆的加速度;增加司机室吸能装置的界面力会使中间车辆加速度显著增大;同步减小各中间车钩缓冲装置界面力,会使中间车辆加速度增大;以递减式与向内递减式减小中间车钩缓冲装置界面力可以增加中间车端吸能量;递增式增大中间车钩缓冲装置界面力会增加司机室端部吸能量。     

高速公路PPP项目贷款融资决策研究

贷款融资作为PPP项目常用的一种融资模式,有效地解决了PPP项目融资困难的问题。在贷款融资时,项目公司可通过合适的贷款计划和偿还计划使项目的投资回报达到最大。为实现项目的投资回报最大化,基于项目自身的偿债能力,以项目在建设期和运营期每年的贷款额以及项目每年偿还的本金和利息额作为决策变量,建立高速公路PPP项目的贷款融资决策模型,得出高速公路PPP项目在建设期和运营期的贷款计划和偿还计划。结合算例进行分析,充分证明了模型的有效性,为高速公路PPP项目的贷款融资决策提供参考。     

客车振动舒适性评价方法在 瞬变风环境下的应用

瞬变风环境下铁道客车的振动情况较为复杂,为准确评估旅客乘坐感受,采用动力学仿真与实车试验相结合的方法,对瞬变风环境下客车振动情况与舒适性进行评价。分析兰新客专线实车试验中乘客对振动的感觉及仿真得到的舒适性值后发现,随着车速以及外部气动载荷变化次数的增加,车辆振动越来越剧烈,舒适性指标有变差的趋势;各工况中当车辆以200km/h速度运行且受到连续瞬变气动载荷作用时振动舒适性指标最差。在瞬变风环境下,GB5599,ISO2631和UIC513方法的评价结果有一定差异,原因部分来源于各方法频率加权的差别,导致各指标对横、垂向加速度频域峰值的放大作用不同。     

不同运行方式对高速地铁气动效应的影响

为了研究时速140km/h高速地铁列车以不同运行方式在隧道中运行时的气动效应,采用三维、可压、非定常N-S方程的数值计算方法,对地铁列车由明线驶入隧道及站间运行时产生的气动效应进行数值模拟,分析不同运行方式对高速地铁隧道气动效应的影响。研究结果表明:列车站间运行时,车体表面测点压力峰峰值沿车长方向基本不变;而列车由明线驶入隧道时,车体表面测点压力峰峰值从头车向尾车逐渐降低。2种运行方式下的隧道壁面测点压力峰峰值均在中间风井处达到最小值。并且列车由明线驶入隧道时的最大车体表面和隧道壁面压力峰峰值分别为列车站间运行时的1.37倍与1.49倍。不同列车密封指数下,列车由明线驶入隧道时的车内压力变化均大于列车站间运行时的车内压力变化。因此,地铁列车由明线驶入隧道时的空气动力学效应比站间运行时更加不利。     

非接触式铁路货运车辆超偏载检测系统研究

针对现有铁路货运装载站存在的装货效率低,过程反复的问题,提出一种新型铁路货运车辆无线动态称重系统的设计方法,即在被测车辆底部非共线的4个点上垂直于轨面安装测距传感器,得到各测点投射到钢轨表面的位移量,从而得到车辆的超偏载信息。并设计出一种货运车辆超偏载检测装置。详细介绍车辆超偏载检测原理,系统的硬软件设计以及样机模型功能检验。研究结果表明:本系统稳定、测量精度较高、可拓展性强,可实时监测装载的超偏载状态,可达到预期效果。     

重联动车组通过隧道时气动性能研究

为研究重联动车组通过隧道时重联区域对列车气动性能的影响,采用三维、可压和非定常N-S方程的数值计算方法,对重联动车组通过隧道时压缩波与膨胀波的传播特性,列车表面压力和隧道壁面压力变化特性进行研究。研究结果表明:数值计算与动模型试验相比,压力变化曲线吻合较好,幅值偏差不超过7%,重联区域前段流线型头部进入隧道,产生膨胀波,重联区域后段流线型头部进入隧道,产生压缩波,由于重联区域产生的膨胀波和压缩波之间的时间间隔短,导致膨胀效应和压缩效应相互抵消,车体表面和隧道壁面压力变化不显著,当重联区域经过隧道壁面测点时,重联区域车体表面压力变化影响隧道壁面压力变化,使隧道壁面测点压力产生先升后降的波动。     

刨削式吸能结构用45号钢高应变率高温力学行为与本构模型研究

为研究刨削式吸能结构用45号钢在不同应变率和不同温度下的力学行为,对该材料进行实验与本构模型研究。开展在不同应变率下(10-4 s-1～1 500 s-1)和不同温度下(300～600℃)的拉伸实验。研究结果表明:刨削式吸能结构用45号钢为应变率敏感型材料。随着应变率的提高,材料屈服强度和极限强度有着明显提高,而温度升高则会使材料软化降低材料强度。基于实验结果,建立Johnson-Cook(J-C)本构模型来描述材料流变应力与应变率和温度之间的关系,并对温度软化参数进行线性修正,对率敏感性参数进行了二元二次回归修正。误差分析表明修正后的J-C本构模型在预测不同应变率下材料的力学特性时有更高的精确度。     

磁力计阵列监测车体相对钢轨位移的方法研究

针对轨道车辆动态偏移量检测需要和特殊安装环境要求,提出一种利用磁力计阵列监测车体相对钢轨位移的方法。该方法通过合理设计磁力计、永磁体和钢轨间的相对位置,由多个磁力计测量的磁感应强度变化分析得到车体相对钢轨的位移。通过有限元仿真方法分析初步设计的监测样机的磁场分布,以指导样机中磁力计的选型。确定磁感应强度趋于0的区域以指导传感器的布置,进一步分析得到各位移量与磁感应强度值间的多项式映射关系。研制样机进行试验,证明监测方法的可行性,验证有限元模型的可靠性,可用于监测系统的进一步优化设计。     

城际列车越站瞬变压力数值仿真研究

采用三维非定常、黏性、可压缩N-S方程和RNGk-ε双方程湍流模型,基于滑移网格技术,对8节编组的城际列车以160km/h速度通过地下越行车站的空气动力学性能进行模拟,分析列车速度和流线型长度对其瞬变压力的影响。研究结果表明:数值计算得到的车体和隧道表面测点的压力变化曲线与动模型试验的结果吻合较好。车站内部结构多变不对称,列车表面左右对称测点压差不明显,屏蔽门与其对面车站内壁对称测点的压差主要发生在头车通过时,屏蔽门上压力幅值比对面车站内壁大54.32%;屏蔽门表面压力变化幅值沿高度和纵向逐渐减小;流线型长度由1.5 m增加到5.5 m时,列车表面压力最大减小了10.52%,屏蔽门入口段压力变化幅值最大减小了14.06%。     

地铁车辆司机室骨架结构准静态 分析与试验验证

以某型地铁车辆为研究对象,对其司机室骨架结构进行设计与评估验证。根据评估标准,提出骨架结构的设计思路,并基于有限元仿真计算,对3种设计方案进行比选;对整车样车结构进行准静态压缩工况的试验,分别测试压溃力和防撞柱各高度的位移值,通过对试验数据的分析并与评估准则的条件进行对比,发现该设计方案能够满足所有的设计要求;最后,对试验工况进行有限元模拟,并对试验数据和数值计算结果进行对比分析,结果具有很好的一致性,可以作为后续研究的基础模型。