机车车辆车钩缓冲装置碰撞模拟研究

论文摘要

随着铁路行业的蓬勃发展和人们安全意识的提高,铁路运输的安全性研究已成为车辆在设计制造过程中必须考虑因素。在铁道车辆运行过程中,如果发生碰撞事故,难免造成司乘人员人身安全受到威胁。本文通过对铁道车辆事故发生原因以及事故造成后果进行分析,认为被动安全防护研究具有一定的研究意义。被动安全防护技术综合考虑了车辆在运行线路上可能发生的碰撞情况和机车车辆车体本身结构因素,通过在车体端部设置专用吸能装置或改进车辆自身结构两种途径,提高车辆的耐撞击性能。在车辆碰撞分析中,车体结构设计、部件装配形式、焊接方式的模拟、材料参数等影响着仿真计算的精确度。通过对比几种常见薄壁吸能构件的比吸能、界面力等指标得出了多元胞结构在同等碰撞条件F具有更优的碰撞性能。基于车体焊接技术相关标准,对车辆车体建模中常用的四种连接关系处理方式进行了对比分析,确定了车体焊接的模拟方法。车钩缓冲装置是车辆最基本也是最重要的部件组合之一。其作用是连挂车辆和缓和列车运行过程中的纵向冲击。本文通过分析常见型号车钩的外形及结构、车钩材料及破坏形式建立了车钩等效模型,并对车辆常用缓冲器的几个重要指标进行了分析,建立了缓冲器等效模型,并验证其碰撞性能。应用ANSYS软件建立了四分之一机车车体有限元模型,根据ENl 5227机车车辆与同等类型车辆在一般运行特性下的碰撞参考场景确定了本文所采用的碰撞场景,针对三个特定的工况应用LS-DYNA软件进行碰撞模拟,在三个不同工况下,分析了车体底架、侧墙、司机室和车钩缓冲系统的碰撞响应,且对高于调车作业连挂速度下车体碰撞刚性墙工况进行了分析,分析结果指出,所设计的车端吸能装置、车钩缓冲器等效模型可有效地保护车体结构的安全性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 机车车辆碰撞研究基本方法
• 1.3 车辆碰撞分析中常用有限元软件及假人模型
• 1.4 国内外研究现状
• 1.5 本文研究内容和主要工作
• 第2章 显式有限元理论基础与接触碰撞理论
• 2.1 显式有限元理论基础
• 2.1.1 大变形非线性有限元算法
• 2.2 显式有限元接触碰撞相关理论
• 2.2.1 接触的描述与处理
• 2.2.2 接触力的计算方法
• 2.3 刚性墙与刚性体的应用
• 2.4 本章小结
• 第3章 机车车辆碰撞仿真有限元模型建立
• 3.1 机车车辆有限元模型的建立
• 3.1.1 单元的选择
• 3.1.2 材料的失效模式
• 3.1.3 机车车辆车体有限元模型的建立
• 3.2 求解时间控制与接触穿透的处理
• 3.2.1 质量缩放原理与应用
• 3.2.2 接触的定义与接触穿透的处理
• 3.3 车体焊接关系模拟方法
• 3.3.1 焊接连接有限元模拟方法
• 3.3.2 点焊失效有限元模型
• 3.4 沙漏描述与控制
• 3.5 本章小结
• 第4章 车钩缓冲装置等效模型建立
• 4.1 耐碰撞车辆吸能结构研究
• 4.1.1 薄壁构件碰撞理论基础
• 4.1.2 薄壁构件碰撞性能分析
• 4.2 车钩缓冲装置等效模型
• 4.2.1 铁道车辆车钩缓冲器概述
• 4.2.2 车钩缓冲装置等效模型的建立
• 4.2.3 车钩缓冲器等效模型碰撞仿真分析与验证
• 4.3 本章小结
• 第5章 机车车辆碰撞过程计算机仿真分析
• 5.1 车辆碰撞仿真标准与场景建立
• 5.1.1 GMRT/2100和EN15227中关于车辆碰撞相关标准表述
• 5.1.2 碰撞场景与碰撞速度的选取
• 5.2 机车车辆在不同碰撞速度下碰撞仿真结果分析
• 5.2.1 机车车辆在54km/h时碰撞结果分析
• 5.2.2 机车车辆在35km/h时碰撞结果分析
• 5.2.3 机车车辆在24.5km/h时碰撞结果分析
• 5.3 车钩缓冲装置在编组作业工况下对车体保护分析
• 5.4 本章小结
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文