轨道车辆耐碰撞结构及乘员安全防护技术研究

论文摘要

由于轨道交通事故复杂多变的偶然因素和严重的生命威胁，使车辆事故安全成为公众瞩目的关注点。科学的进步和现代车辆人性化设计的理念是车辆被动安全技术得到突破和不断进展的基础，而高速铁路和城市轨道交通的繁荣又进一步有力地推动了轨道车辆被动安全设计技术的发展与应用。 近十年来，欧美国家提出的车辆被动安全设计技术逐渐成熟并进入工程化应用阶段，根据被动安全设计思想研制的耐碰撞车体结构对乘员生命安全起到较好防护作用，并已开始研究乘员的二次碰撞问题，以进一步将碰撞事故造成的乘员伤害最小化。我国目前的研究主要局限于车辆结构变形分析上，对列车耐撞击安全未能从系统控制及优化的角度进行研究，对城市轨道车辆吸能元件关注甚少，至于乘员这一安全的主体受撞击后在车体内部的二次碰撞的影响基本没有加以考虑。基于这一现状，本论文拟运用车辆被动安全设计思想，在上述几个方面展开列车耐碰撞设计研究。 论文首先介绍了“为乘员提供有效安全空间和缓和撞击载荷”的耐碰撞车体系统总体设计思想，综述了耐碰撞车体的性能要求和评价指标，并以国外耐碰撞车体为例说明了耐碰撞车体设计的实现方法。 论文通过薄壁圆管吸能元件进行的实物碰撞验证性试验与仿真研究，结果比较表明了两种方法在圆管试件在结构塑性变形模式、能量吸收以及轴向冲击力等碰撞性能方面呈现出较好的吻合性，证实了采用MSC.DYTRAN软件进行非线性有限元仿真的可行性、有效性和经济性。在此基础上对两种可用于吸能防爬器的圆管和六边形蜂窝铝材芯材结构基本吸能元件及其组合结构件进行了能量吸收特性分析与仿真研究，得到了较为合理的设计参数，并比较了两种芯材的优缺点。 论文对具有强非线性特征的破裂型吸能结构采用仿真与理论分析相结合的方法进行了吸能特性研究。研究结果表明：在相同长度及壁厚条件下，两种截面构件有效变形行程相近，而四边形截面结构的吸能效果要优于六边形结构。此外，还对有限元仿真计算中若干影响参数进行了探讨。 论文通过对耐碰撞车体模型仿真，分析其结构塑性变形模式、变形区域、

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.1.1 工程背景
• 1.1.2 本课题的意义
• 1.2 轨道车辆被动安全技术研究状况
• 1.2.1 历史和现状
• 1.2.2 被动安全技术研究方法
• 1.3 本论文的主要研究工作
• 1.4 本文结构安排
• 第2章 车辆耐撞性有限元分析的理论基础
• 2.1 显式非线性有限元方程的建立
• 2.1.1 显示有限元算法的发展
• 2.1.2 基本控制理论和方程
• 2.2 显式积分算法与时步控制
• 2.2.1 显式积分算法的基本方程
• 2.2.2 显式积分算法的时步控制
• 2.3 显式动力薄壳单元
• 2.3.1 Hughes-Liu薄壳单元
• 2.3.2 Belytschko-Tsay薄壳单元
• 2.4 材料本构关系模型
• 2.4.1 与应变率无关的弹塑性材料模型
• 2.4.2 与应变率相关的弹塑性材料模型
• 2.5 碰撞问题的求解途径
• 2.5.1 多刚体动力学法
• 2.5.2 动态非线性有限元法
• 2.6 接触碰撞算法
• 2.6.1 接触碰撞界面算法
• 2.6.2 摩擦力的计算
• 2.7 连接方式的建模
• 2.8 本章小结
• 第3章 轨道列车被动安全系统总体设计
• 3.1 轨道列车碰撞分类和响应
• 3.2 轨道列车耐碰撞设计
• 3.2.1 耐碰撞车体设计评价标准
• 3.2.2 耐碰撞车体的性能要求
• 3.2.3 车辆碰撞的能量及其吸收
• 3.3 轨道列车耐碰撞车体设计方法
• 3.3.1 传统车体结构设计
• 3.3.2 耐碰撞车体结构设计
• 3.4 事故重建技术
• 3.5 本章小结
• 第4章 基本吸能元件吸能特性的试验研究和有限元仿真
• 4.1 薄壁结构吸能特性的理论分析
• 4.1.1 吸能特性的基本参数
• 4.1.2 薄壁结构的有效性
• 4.1.3 薄壁圆管轴向吸能特性的理论分析
• 4.1.4 金属撕裂的理论基础
• 4.2 薄壁圆管碰撞性能试验研究
• 4 2.1 落锤试验
• 4.2.2 准静态试验
• 4.2.3 薄壁铝材圆管准静态试验研究
• 4.3 薄壁元件及其组合结构吸能特性的仿真研究
• 4.3.1 薄壁圆管轴向吸能特性的仿真研究
• 4.3.2 薄壁矩形管轴向吸能特性仿真
• 4.3.3 铝管填充结构的吸能特性仿真
• 4.3.4 破裂型管件结构的吸能特性仿真
• 4.4 有限元仿真计算中若干参数的研究
• 4.4.1 摩擦力的影响
• 4.4.2 单元尺寸与网格密度分布的影响
• 4.4.3 单元类型与单元形状的选择
• 4.5 本章小结
• 第5章 高速客车车体耐碰撞结构设计及其最轻量优化
• 5.1 前言
• 5.2 高速客车车体设计要求
• 5.3 高速旅客列车的耐碰撞车体设计
• 5.3.1 承载吸能结构
• 5.3.2 车体碰撞仿真模型的建立和改进
• 5.3.3 碰撞仿真结果与分析
• 5.3.4 耐碰撞客车车体静强度校核
• 5.4 耐碰撞车体结构轻量化优化设计的策略
• 5.4.1 设计思想
• 5.4.2 优化设计策略
• 5.4.3 概念模型优化设计实例
• 5.5 本章小结
• 第6章 列车乘员的安全性分析
• 6.1 乘员在撞击事故中的伤害及安全对策
• 6.1.1 撞击伤害及其影响因素
• 6.1.2 乘员伤害标准
• 6.2 乘员伤害仿真分析技术
• 6.2.1 仿真环境与工况（面对面有小桌，面对面，面对背）
• 6.2.2 仿真中的加速度波形条件
• 6.2.3 MADYMO仿真软件简介
• 6.2.4 假人模型
• 6.3 乘员室内二次碰撞仿真分析
• 6.3.1 面对面工况（有小桌）
• 6.3.2 面对面工况（无小桌）
• 6.3.3 同向布置（座椅靠背不能转动）
• 6.3.4 同向布置（座椅靠背能转动）
• 6.3.5 其它布置类型
• 6.4 乘员伤害影响因素的研究
• 6.4.1 接触刚度的影响
• 6.4.2 客室内部空间的影响
• 6.4.3 冲击加速度的影响
• 6.4.4 其它因素的影响
• 6.5 乘员二次碰撞的试验研究
• 6.6 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 研究工作及结果
• 7.2 本论文主要创新之处
• 7.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果