某地铁车大变形碰撞分析和结构优化研究

论文摘要

随着城市化进程的加快和科学技术的进步,中国轨道车辆步入发展的新时期。轨道车辆的性能得到不断改进,车辆运行速度大幅度提高,于是碰撞的安全性问题日趋重要,因此,解决轨道车辆的碰撞安全性问题已经成为当务之急。本文以地铁车为载体,应用软件PAM-CRASH进行碰撞仿真,得到列车碰撞后的撞击加速度、撞击力、撞击变形等一系列数据,并应用HyperMesh软件和SiPESC.OPT系统对地铁车进行提高静强度性能和吸能效果的结构优化,实现车辆的被动安全保护和耐撞性优化设计。首先、根据地铁车三维实体模型,利用Hypermesh软件将地铁车的所有车体结构抽取中面,建立完整的与地铁车实际结构相对应的有限元分析所需的车体三维中面模型。根据地铁车车体各个部件之间的焊接关系图纸,在车体三维中面模型中,创建焊点,在Hypermesh中利用梁单元连接焊点来模拟焊接关系,将车体三维中面模型划分有限元网格,为了计算的准确性,模型构成以任意四节点薄壳单元为主,三节点薄壳单元为辅。其次、在PAM-CRASH中进行八节编组列车的大变形碰撞仿真分析,通过计算结果观察车体的变形规律以及分析车体的碰撞吸能效果,在结果文件中提取不同时刻的速度、加速度、碰撞能量、碰撞力等数据,并检查各结果数据是否在合理范围之内。为验证变形的准确性,对头车进行碰撞重分析,通过对单一头车和八节连挂列车碰撞仿真结果的对比,检查车体变形是否合理。再次、在地铁车头车有限元模型中,提取前端司机室区域进行提高强度的结构优化,以达到降低外载荷作用下的车体应力和车体位移的目的。首先,将模型进行静强度分析,得到车体应力的初始值和位移的初始值；其次,将模型的质量最小化作为优化的目标函数,参考应力初始值和位移初始值,将较小的应力和位移作为优化的约束,将模型中各个组的板厚作为设计变量,在Hypermesh中进行尺寸优化。最后、利用SiPESC.OPT系统对地铁车头车进行提高吸能效果的结构优化。首先,将地铁车头车有限元模型进行简化,因为碰撞吸能区域主要是头车前端司机室区域,所以将头车前端司机室区域保留原有结构,之后其他区域按照等效刚度的原则进行简化代替,将模型中司机室区域各个组的板厚作为设计变量,质量最小化作为目标,对简化模型进行提高吸能效果的结构优化,以达到在发生碰撞时最大限度的吸收动能和保证人员安全的效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 技术路线
• 1.4 本文主要研究内容
• 本章小结
• 第二章 大变形碰撞仿真理论基础
• 2.1 大变形碰撞仿真概述
• 2.2 大变形碰撞仿真的算法原理
• 2.3 大变形碰撞仿真的关键技术问题
• 本章小结
• 第三章 地铁车大变形碰撞有限元分析
• 3.1 有限元法的基本思想
• 3.2 仿真软件介绍及研究方法
• 3.3 有限元模型的建立
• 3.4 地铁车大变形碰撞仿真分析
• 3.5 对计算结果验证分析
• 本章小结
• 第四章 地铁车头车提高强度的结构优化
• 4.1 工程结构优化设计概述
• 4.2 Optistruct结构优化方法简介
• 4.3 Optistruct优化设计的数学基础
• 4.4 Optistruct结构优化设计流程
• 4.5 地铁车头车前端结构静强度分析
• 4.6 地铁车头车前端结构尺寸优化
• 本章小结
• 第五章 地铁车头车提高吸能的结构优化
• 5.1 SiPESC.OPT软件介绍
• 5.2 SiPESC.OPT系统优化算法简介
• 5.3 地铁车头车大变形碰撞仿真分析
• 5.4 SiPESC.OPT系统对地铁车头车优化分析
• 5.5 优化后碰撞重分析
• 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢