CRH3动车组被动安全性和耐撞性优化研究

论文摘要

随着城市化进程的加快以及我国铁路的全面提速,如何提高高速列车运行安全性,减小事故损失,实现现代车辆以人为本的设计思想,最大限度的减少司机和旅客在事故中的伤亡,成为轨道车辆研发的热点课题之一。本文以CRH3动车组为载体,应用碰撞仿真软件PAM-CRASH和多学科协同优化软件iSIGHT进行碰撞数值模拟分析和吸能结构优化,得到CRH3动车组在大变形碰撞时的变形模式及乘员身体的受力和加速度情况,并对动车组的吸能结构进行评估及最优设计,实现车辆的被动安全保护和耐撞性优化设计。首先,根据CRH3动车组的结构特点,建立适用于高度非线性碰撞的有限元模型,从头车撞刚性墙、两车对碰以及两车连挂三个工况分别做碰撞仿真,根据仿真结果分析车身主要部件的变形规律、车与车之间的吸能情况、撞击力、撞击作用时间、以及各车的速度、加速度等一系列参数的变化规律,提出改进方案。其次,对头车撞刚性墙、两车对碰两个工况分别安装吸能结构进行碰撞仿真,从碰撞时的变形程度、速度、加速度、碰撞能量和碰撞力等方面与不加吸能结构时进行比较,分析吸能结构对车体的影响,为吸能结构的设计提供建议。再次,建立相对精确的车钩-缓冲装置-连挂系统的数值仿真模型,分别对CRH3动车组使用铰接连接和半自动车钩连接,分析比较碰撞过程中这两种连挂装置的变形、速度、加速度、碰撞能量和碰撞力等参数,为企业提供理论依据。第四,在动车组中加入假人模型,通过数值仿真,参照美国联邦机动车安全法规（FMVSS）和欧洲标准（ECE和EEC）,对假人模型各伤害指标进行评价,提出碰撞时人体造成伤害的关键因素,为人员安全设计提供依据。最后,将多学科协同优化软件iSIGHT与PAM-CRASH集成,基于序列二次规划法DONLP和混合整型法MOST两种优化算法,在尽可能降低车体质量并保证人员安全的前提下,确定合理的吸能结构参数,以吸收足够的撞击能量,保证人员的安全。

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
• 1.2.1 国内外动车组发展现状
• 1.2.2 大变形碰撞技术的研究现状
• 1.2.3 工程结构优化的研究现状
• 1.3 技术路线
• 1.4 本文主要研究内容及创新点
• 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
• 2.3.1 显式中心差分法
• 2.3.2 接触-碰撞界面算法
• 2.3.3 沙漏现象及控制
• 本章小结
• 第三章 CRH3 动车组大变形碰撞仿真
• 3.1 CRH3 动车组介绍
• 3.2 应用软件介绍
• 3.2.1 建模软件I-DEAS 介绍
• 3.2.2 划分网格软件HYPERMESH 介绍
• 3.2.3 碰撞分析软件PAM-CRASH 介绍
• 3.3 CRH3 动车组头车大变形碰撞仿真分析
• 3.3.1 头车模型与相关参数的定义
• 3.3.2 头车碰撞仿真结果分析
• 3.3.3 头车加吸能装置碰撞仿真分析
• 3.4 CRH3 动车组两车对碰大变形碰撞仿真分析
• 3.4.1 无吸能装置的两车对碰仿真分析
• 3.4.2 加吸能装置的两车对碰仿真分析
• 3.5 CRH3 动车组两节连挂车大变形碰撞仿真分析
• 3.5.1 采用铰接连接的CRH3 动车组大变形碰撞仿真分析
• 3.5.2 采用半自动车钩连接的CRH3 动车组大变形碰撞仿真分析
• 3.6 CRH3 动车组装入假人模型碰撞仿真分析
• 3.6.1 假人相关理论及评判标准
• 3.6.2 CRH3 动车组装入假人模型与相关参数的定义
• 3.6.3 CRH3 动车组装入假人模型碰撞仿真结果分析
• 本章小结
• 第四章 CRH3 动车组端部吸能结构优化设计
• 4.1 工程结构优化设计概述
• 4.1.1 结构优化设计的基本概念与分类
• 4.1.2 结构优化的基本方法
• 4.1.3 结构优化的数学模型
• 4.2 多学科优化软件ISIGT 介绍
• 4.2.1 iSIGHT 简介
• 4.2.2 iSIGHT 优化方法种类
• 4.3 CRH3 端部吸能结构吸能优化分析
• 4.3.1 优化前吸能装置碰撞仿真分析
• 4.3.2 吸能优化的数学模型
• 4.3.3 iSIGT 与PAMCRASH 的集成
• 4.3.4 吸能结构优化结果分析
• 4.4 CRH3 端部吸能结构吸能与轻量化的多目标优化分析
• 4.4.1 多目标优化的数学模型
• 4.4.2 iSIGT 优化模块的建立
• 4.4.3 多目标优化结果分析
• 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