铁道车辆碰撞以及结构优化的仿真研究

论文题目: 铁道车辆碰撞以及结构优化的仿真研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 车辆工程

作者: 房加志

导师: 焦群英,王成国

关键词: 车辆碰撞,有限元,并行计算,结构优化,响应面法

文献来源: 中国农业大学

发表年度: 2005

论文摘要: 随着我国铁路事业的蓬勃发展以及交通运输方面市场竞争的日趋激烈,列车运行速度日益提高,高速运行的列车一旦发生碰撞事故,将会直接导致车体被破坏而引发乘客的伤亡和巨大的国家财产损失,因此高速列车被动安全性研究开始受到国内外学者的重视。然而,由于经济实力的制约,在国内开展破坏性实验研究是不现实的。随着显式有限元技术的发展以及高性能计算机硬件和软件资源的出现,采用计算机数值方法进行高速碰撞仿真,研究高速车辆大变形碰撞特性,进而对车辆结构碰撞吸能特性进行优化,提高车辆的被动安全性有着非常现实而重要的意义。本论文的主要内容与创新之处有以下几个方面:1. 碰撞仿真理论研究为进行高速列车的碰撞仿真研究,本文从碰撞仿真显式有限元方法的基本控制方程出发,对积分格式、临界时间步长、材料非线性、几何非线性、接触搜索和接触力计算、摩擦力计算、沙漏问题以及刚性墙的处理等几个方面进行了详细探讨。2. 建立车体有限元模型首先本文利用UG软件根据25B客车的设计图纸建立车体的完整三维实体模型,抽取中面后,把几何模型输入到PAM/CRASH软件。在抽取中面的时候考虑各个零件的连接,有时取近似。结合碰撞变形特点,考虑单元质量,进行有限元网格划分,主要以四节点四边形单元为主,辅以三节点的三角形单元。选择材料模式、定义边界条件建立完整有限元模型,单车模型为268119个单元。同时,车体中加入了座椅并随机地放置了几个模拟乘客的假人模型。3. 铁路客车碰撞的有限元仿真(1) 本文对单节车体与固定刚性墙、与可移动刚性墙、可移动障碍物进行了碰撞模拟,发现碰撞时间极其短暂,变形集中在车体前部,车辆主体几乎不变形;碰撞过程中的绝大部分动能被车体前部的一小部分结构所吸收;车体前端加速度最大,从车体前端到后端,其加速度逐渐减小;刚性墙质量越大,车体与其撞击后的速度越小,车体的变形越大。(2) 对两节车体与刚性墙及两节车体对撞进行模拟计算,由于车体两端上下刚度差别较大,发现两节车体容易产生危险的爬车现象;同时模拟计算了三节车体斜撞刚性墙的脱轨情况。(3) 铁路客车碰撞的特点是规模大,碰撞作用时间长导致仿真计算时间让人难以忍受,本文采用并行算法模拟计算了两节车体与两节车体的对撞过程,仅花费7. 3h。研究过程表明对铁路客车碰撞问题采用并行计算的必要性。4. 碰撞吸能特性的结构优化牵引梁是铁路客车碰撞过程中的重要吸能零件,其设计好坏在很大程度上决定了一种车型碰撞性能的优劣。因此本文采用响应面法对牵引梁的碰撞吸能特性进行了动态结构优化,优化后的结构推迟了发生最大变形的时间。响应面法大大提高了优化的计算效率,节省了计算机时。本文的优化结果不仅可以指导牵引梁在车辆碰撞中的设计,而且提出的响应面法为铁路客车碰撞的动态优化问题开辟了一条新路。

论文目录:

第一章绪论

1．1 前言

1．2 薄壁结构撞击的研究现状

1．3 国内外汽车碰撞仿真研究现状

1．4 国内外铁道车辆碰撞仿真研究现状

1．5 用于车辆碰撞仿真研究的软件

1．6 用于车辆碰撞仿真研究的假人模型

1．7 用于车辆碰撞仿真研究的安全法规

1．8 本文研究内容

第二章车辆碰撞仿真的理论研究

2．1 非线性有限元的发展

2．2 车辆碰撞仿真的基本理论和计算方法

2．3 材料模型

2．4 几何非线性板壳单元的一般列式

2．5 接触算法

2．6 摩擦力的计算

2．7 沙漏控制方法

2．8 刚性墙的处理

2．9 本章小结

第三章铁道车辆仿真分析

3．1 引言

3．2 PAM/CRASH软件介绍

3．3 车体几何模型的建立

3．4 车体有限元建模

3．5 单节车厢与固定刚性墙的碰撞分析

3．6 单节车厢与可移动刚性墙的碰撞分析

3．7 车体与可变形障碍物的碰撞分析

3．8 碰撞后车体的爬车分析

3．9 碰撞后车体的脱轨分析

3．10 并行计算

3．11 本章小结

第四章牵引梁碰撞吸能特性的动态优化

4．1 引言

4．2 正交试验设计

4．3 曲线拟合

4．4 响应面法

4．5 子区域调整

4．6 牵引梁碰撞吸能特性的动态优化

4．7 本章小结

第五章结论

5．1 论文的主要研究内容及结论

5．2 论文的主要贡献及创新点

5．3 建议与展望

参考文献

致谢

个人简介

发布时间: 2005-06-13

铁道车辆碰撞以及结构优化的仿真研究

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