轻轨列车耐撞性分析和优化研究

论文摘要

当今的世界,铁路进入崭新的大发展时期,随着科技的发展进步,车速也随之不断提高,而车速的提高必将又使碰撞事故后果更为严重。所以解决铁路车辆的碰撞安全问题已成为当务之急。本文以某轻轨车为载体,采用PAM-CRASH软件,基于数值仿真技术对轻轨车进行大变形碰撞仿真分析,同时,采用多学科协同优化策略以实现确保安全的吸能结构最优化。首先,在大量查阅资料的基础上选用多元胞截面薄壁管为载体,着重研究了壁厚和材料性能的梯度分布对结构耐撞性能的影响。对三种壁厚的薄壁管模型进行轴向冲击数值模拟,得到壁厚对薄壁管轴向冲击的一般影响规律。接着,对薄壁管结构进行梯度材料分布设计,发现复合材料结构在轴向压缩过程中逐次压溃,呈现出较规律的梯度性,相对于传统的薄壁吸能构件通过设置缺口或者压痕的方式来引导塑性屈曲的吸能模式,无论是从耐撞性能还是制造成本方面,都具有更大的优势。其次,根据轻轨车车体的结构特点,建立一个适用于高度非线性碰撞的有限元模型,以两列车对撞工况对车体做碰撞仿真分析,根据仿真结果分析车身主要部件的变化规律和车体各部位在碰撞过程中的塑性变形程度,从而找出两车对撞工况下车体吸收能量情况、车间的碰撞力、碰撞作用时间以及车体各个部分的加速度、位移等一系列参数变化规律,并提出相应的改进方案。再次,对轻轨车加装材料梯度分布多元胞截面薄壁管吸能结构,并进行碰撞仿真分析,与不加吸能装置时作对比,得到碰撞过程中变形、加速度、碰撞能量和碰撞力的不同变化情况,分析吸能结构的加装对轻轨车车体碰撞性能的影响。最后,在上述数值分析的基础上,利用PAM-CRASH软件嵌入到多学科优化软件iSIGHT中,基于合适的优化算法,在保证乘员安全的前提下,确定合理的薄壁管以及车头前端吸能机构的参数,以达到吸能最多、碰撞力最小的目标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 耐撞性研究的背景和意义
• 1.2 吸能结构和材料的研究现状
• 1.2.1 研究现状
• 1.2.2 研究方法以及一般原理
• 1.3 耐撞性评价体系
• 1.4 本文研究内容
• 1.4.1 本文研究内容
• 1.4.2 技术路线
• 本章小结
• 第二章 碰撞仿真理论基础和关键技术
• 2.1 碰撞基础理论
• 2.2 显式有限元算法原理
• 2.2.1 基本方程
• 2.2.2 求解算法
• 2.3 关键技术问题
• 2.3.1 沙漏现象与控制
• 2.3.2 显式中心差分法
• 2.3.3 接触摩擦问题
• 本章小结
• 第三章 结构及材料性能的梯度分布对结构耐撞性的影响
• 3.1 引言
• 3.2 多元胞截面薄壁管的有限元模型及梯度分布材料性能
• 3.2.1 有限元模型
• 3.2.2 材料性质
• 3.3 壁厚对薄壁管耐撞性能的影响
• 3.3.1 薄壁管轴向冲击仿真
• 3.3.2 分析与探讨
• 3.4 材料性能梯度分布对薄壁管耐撞性能影响
• 3.4.1 薄壁管轴向冲击仿真
• 3.4.2 分析与探讨
• 本章小结
• 第四章 轻轨车车体大变形碰撞仿真
• 4.1 引言
• 4.2 三模块编组列车仿真模型的建立
• 4.2.1 头车车体模型
• 4.2.2 中间车车体模型
• 4.2.4 三模块编组列车模型
• 4.3 26KM/h动车撞击静止列车模拟碰撞仿真与结果分析
• 4.3.1 碰撞仿真结果
• 4.3.2 结果分析与探讨
• 4.4 多元胞截面薄壁管在轻轨车车体上的应用
• 4.4.1 加装多元胞截面薄壁管的轻轨车车体前端模型图
• 4.4.2 前端车体部分碰撞仿真结果
• 4.4.3 吸能装置部分仿真结果
• 本章小结
• 第五章 基于iSIGHT软件的车体耐撞性能优化设计
• 5.1 引言
• 5.2 吸能结构的优化设计
• 5.2.1 结构优化设计的概念
• 5.2.2 结构优化的基本方法
• 5.3 多学科协同优化软件iSIGHT概述
• 5.3.1 iSIGHT简介
• 5.3.2 iSIGHT优化方法
• 5.4 多目标优化模型
• 5.5 有限元模型
• 5.6 优化分析
• 5.6.1 优化前碰撞仿真分析
• 5.6.2 车体吸能机构的多目标优化
• 5.6.3 优化结果分析
• 5.6.4 优化后的碰撞仿真结果
• 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