城际列车耐碰撞车体研究

论文摘要

列车在运行中一旦发生碰撞事故,不但会造成车辆结构的破坏,而且会严重威胁乘客的生命安全,因此,轨道车辆的被动安全性越来越受到世界各国的重视。对轨道车辆进行耐撞性研究并设计吸能结构,能够显著降低轨道车辆意外碰撞事故中的受损程度,同时有效保护乘客的安全。基于被动安全设计思想,本文以城际列车的头车车体为研究对象,采用数值仿真方法对其耐碰撞性能进行分析研究。从理论上对轨道车辆碰撞仿真所采用的基本力学方程、薄壳单元理论、显式积分算法、弹塑性材料的本构关系和适用性、接触界面的主要算法进行介绍。介绍耐碰撞车体的总体设计思想,参考国外相关的标准和规范,对轨道车辆耐碰撞车体的性能要求、评价指标以及实现方法进行阐述。吸能元件是耐碰撞轨道车辆的主要吸能结构,在探讨薄壁结构失效模式和吸能特性的基础上,着重对双层壳在轴向载荷作用下的吸能特性进行仿真模拟,总结双层壳在轴向载荷作用下的缓冲与吸能特点。提出采用内、外层长度不同的组合双层壳设计吸能元件的构想,为城际列车头车吸能元件的设计提供依据。最后,参考相关的规范,确定城际列车耐碰撞车体的性能要求和碰撞仿真速度。建立城际列车头车车体的碰撞仿真模型,在建模过程中通过合理地简化非大变形区域的结构以及将特定区域定义为刚体等方法来控制求解规模。在此基础上,分别对不安装防爬吸能装置以及安装防爬吸能装置的头车车体在设定速度下的碰撞过程进行仿真计算,并对仿真计算结果进行分析比较。分析结果表明,安装防爬吸能装置后,列车头车的耐撞性得到明显提高,界面力显著下降且变化平稳,在设定的最大碰撞速度下,头车客室结构无任何损伤,司机室的变形较小,司机的生存空间能够得到保障。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 研究的背景、意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 国内外车辆被动安全技术的研究状况
• 1.2 轨道车辆被动安全技术的最新发展及其应用
• 1.3 本文的研究内容
• 第2章 轨道车辆碰撞理论基础及关键技术
• 2.1 碰撞问题的基本控制理论
• 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
• 2.4 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 接触碰撞算法
• 2.5.1 接触碰撞界面算法
• 2.5.2 接触摩擦问题
• 2.6 本章小结
• 第3章 耐碰撞轨道车辆设计思想
• 3.1 总体思路
• 3.2 耐碰撞车体设计评价标准
• 3.2.1 英国
• 3.2.2 西欧其它国家
• 3.2.3 美国
• 3.3 耐碰撞轨道车辆的性能要求
• 3.4 吸能结构吸能容量的确定
• 3.4.1 碰撞能量
• 3.4.2 列车碰撞能量的分配
• 3.5 本章小结
• 第4章 基本元件吸能特性仿真分析
• 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 薄壁结构压溃过程
• 4.1.3 金属圆管失效模式和吸能特性
• 4.1.4 金属矩形管失效模式和吸能特性
• 4.2 薄壁元件及其组合结构吸能特性的仿真分析
• 4.2.1 双层圆柱壳吸能特性的仿真研究
• 4.2.2 矩形和圆柱形组合双层壳吸能特性的仿真研究
• 4.2.3 内、外层长度不同双层圆柱形壳吸能特性的仿真研究
• 4.3 本章小结
• 第5章 城际列车头车车体耐碰撞仿真分析
• 5.1 列车头车耐碰撞车体应满足的要求
• 5.2 防爬吸能装置及吸能元件
• 5.2.1 防爬吸能装置
• 5.2.2 吸能元件
• 5.3 列车头车碰撞仿真模型
• 5.3.1 列车头车结构简介
• 5.3.2 头车碰撞仿真模型的建立
• 5.3.3 接触定义
• 5.3.4 碰撞仿真速度的确定
• 5.4 不带防爬吸能装置头车碰撞仿真分析结果
• 5.4.1 列车碰撞速度为15km/h时的仿真结果
• 5.4.2 列车碰撞速度为20km/h时的仿真结果
• 5.4.3 列车碰撞速度为25km/h时的仿真结果
• 5.5 带防爬吸能装置头车碰撞仿真分析结果
• 5.5.1 列车碰撞速度为15km/h时的仿真结果
• 5.5.2 列车碰撞速度为20km/h时的仿真结果
• 5.5.3 列车碰撞速度为25km/h时的仿真结果
• 5.6 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目