高速列车车体耐碰撞结构研究

论文摘要

高速列车在运行中一旦发生碰撞事故,不但造成车辆结构的破坏,而且还严重威胁乘客的生命安全,因此,高速列车的被动安全性越来越受到世界各国的重视。对高速列车进行耐撞性研究并设计吸能结构,能够显著降低高速列车在意外碰撞事故中的受损程度,同时有效保护司乘人员的安全。基于被动安全设计思想,本文以某型号的高速列车为研究对象,采用数值仿真方法对其耐碰撞性能进行分析研究。首先,从理论上对高速列车碰撞仿真所采用的基本力学方程、拉格朗日法、空间有限元理论、显式积分算法、材料非线性、接触非线性等主要算法以及前后处理软件进行了简单介绍。其次,简单说明了吸能元件几种变形模式理论以及其评价指标,在探讨吸能元件变形模式基础上,提出了以翻转圆管作为车体碰撞的基础吸能元件,对其吸能特性进行研究并与普通直圆管进行对比,为高速列车车体的吸能元件的设计提供理论依据。最后,建立高速列车碰撞仿真模型,根据标准EN15227：2008确定高速列车耐碰撞车体的碰撞仿真情形。在建模过程中通过合理地简化非大变形区域的结构以及去除对碰撞仿真结果不起主要作用的细小部件等方法来控制求解规模,缩短计算时间；同时对车上主要设备进行较为详尽的建模以获取其质心加速度,为对设备的冲击评定提供数据支持；为了准确的分析司机在碰撞发生时的响应,在模型中加入了司机假人模型,并对其碰撞响应进行分析。结构分析结果表明,在几种碰撞情形下车体结构变形合理,而且没有出现爬车现象,基本能够满足标准要求,但仍然需要对司机室结构和能量吸收装置进行局部改进；司机假人仿真结果表明司机假人头部、胸部加速度值均超出人体耐受极限,不能满足标准中规定的要求,说明司机已经受到了伤害,建议在司机座椅前端加装类似汽车上安全带和安全气囊等装置或增加前端防护软垫,以保护司机安全。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的背景意义及国内外研究现状
• 1.1.1 研究背景意义
• 1.1.2 国内外车辆被动安全技术的研究状况
• 1.2 列车碰撞的事故分类及特点
• 1.3 本文的研究内容
• 第2章 列车碰撞有限元分析基础理论
• 2.1 列车碰撞动态非线性有限元算法
• 2.1.1 拉格朗日法描述
• 2.1.2 有限元方程和空间有限元离散
• 2.1.3 显式有限元时间积分算法
• 2.2 列车碰撞过程非线性特征
• 2.2.1 材料非线性
• 2.2.2 几何非线性
• 2.2.3 接触非线性
• 2.3 软件简介
• 2.3.1 HyperMesh
• 2.3.2 LS-DYNA
• 2.4 本章小结
• 第3章 吸能元件特性仿真分析
• 3.1 吸能元件的特性及评价指标
• 3.1.1 几种变形模式的理论预测
• 3.1.2 吸能元件的评价指标
• 3.2 新型吸能元件的提出与仿真分析
• 3.2.1 圆管的翻转
• 3.2.2 翻转圆管与普通直圆管的对比分析
• 3.3 小结
• 第4章 高速列车碰撞仿真模型的建立
• 4.1 列车实体模型的建立
• 4.2 单元类型的选择
• 4.3 材料的选择
• 4.4 有限元网格的划分
• 第5章 高速列车耐碰撞仿真分析
• 5.1 高速列车碰撞仿真情形的确定
• 5.2 乘员二次碰撞损伤机理及安全法规
• 5.2.1 乘员二次碰撞损伤机理
• 5.2.2 二次碰撞研究的安全法规
• 5.3 高速列车与15吨可变形障碍物碰撞分析
• 5.3.1 高速列车变形及爬车分析
• 5.3.2 能量吸收和加速度分析
• 5.4 高速列车与配备侧缓冲器的80吨铁道车辆碰撞分析
• 5.4.1 高速列车变形及爬车分析
• 5.4.2 能量吸收和加速度分析
• 5.5 运行速度为36KM/H的高速列车与静止列车碰撞分析
• 5.5.1 高速列车变形及爬车分析
• 5.5.2 能量吸收和加速度分析
• 5.6 司机二次碰撞分析
• 5.6.1 头部加速度分析
• 5.6.2 胸部加速度分析
• 5.6.3 胸部压缩距离分析
• 5.7 小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文