轨道车辆分级压溃式结构吸能装置设计研究.pdf
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1、:./.轨道车辆分级压溃式结构吸能装置设计研究杜鹏成 李 思 张硕韶(.中国铁路北京局集团有限公司北京 .中车唐山机车车辆有限公司河北 唐山)摘 要:轨道车辆的被动安全技术作为保障列车安全运行的最终屏障越来越受到人们的重视 该文针对车辆吸能装置结构复杂、生产成本高等问题提出一种两级压溃式结构吸能单元梁设计方案 该方案通过有限元分析与碰撞试验相结合的方式开展不同吸能单元梁壁厚对吸能性能的影响研究并基于仿真计算结果对吸能部件进行动态冲击试验 结果表明该吸能装置平均吸能量十分接近能有效实现充分吸能过程中的可控有序的塑性变形且结构屈服后平均力值未超过车体静态纵向承载值 该方案在满足车辆设计要求的同时降
2、低结构复杂程度在产品降本增效方面具有明显的应用优势关键词:压溃式吸能单元梁吸能结构碰撞性能中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.:引 言随着我国城市化进程的不断加速大力发展轨道交通成为解决城市客运紧张和城市交通堵塞的有效途径 尽管轨道车辆的主动安全技术在不断提高但在列车实际运行过程中依然存在主动防护措施失效或主观人为因素所造成的碰撞追尾事故轨道车辆的被动安全防护性能就成为了保护乘客的最后一道屏障 吸能装置作为提高轨道车辆耐撞击性能的关键点逐渐成为轨道车辆安全领域的研究热点轨道车辆的吸能装置一般位于列车前端通过前端吸能装置的破坏性变形来耗散列车在冲击过程中的动能从而达到保护乘客的目的
3、 目前研究人员主要采用仿真分析与碰撞试验结合的方式开展车辆吸能装置研究 修瑞仙等针对某型客车车体纵向刚度分布不合理等问题设计出一种吸能效果良好的耐撞性元件并通过仿真分析对其结构耐撞性进行分析 陈乙等提出一种轨道车辆吸能结构碰撞变形沉浸式虚拟仿真方法实现了碰撞变形过程实时交互分析的高沉浸感的虚拟仿真碰撞实验 贺世忠等以膨胀管式吸能元件为研究对象通过冲击试验分别研究了壁厚、锥头外径、冲击速度对吸能元件吸能特性的影响 何晓龙等以刨削式吸能装置为研究对象对其导向座的结构强度进行了仿真分析及试验验证 谢耿昌等对某型城轨车辆变阻抗压溃装置开展纵向动力学计算与碰撞特性研究吸能装置耗散能量的方式主要分为刨削式
4、、膨胀式、压溃式三种现阶段将吸能装置同时作为前端支撑结构的结构性吸能研究较少 为了减少司机室端的设备布置空间简化吸能装置结构同时便于车辆主机厂生产制造笔者提出了一种压溃式的结构吸能机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)车辆研究收稿日期:作者简介:杜鹏成()男天津宁河人高级工程师主要从事高速列车、城际列车车体制造技术方面的科研工作单元梁及其所组成的吸能装置通过仿真模拟分析与碰撞试验相结合的方式验证了吸能单元梁和吸能装置的吸能能力实现了吸能装置在充分吸能的过程中的可控有序塑性变形 同时其结构简单、制造成本低可为车辆主机厂自主生产、掌握关键核心技术提供基础 压溃式结构吸能装置方案设计.列车吸能系
5、统设计良好防撞性能的列车关键就是设计一个包括防爬装置、能量吸收装置等在内的安全保护系统使列车在预设变形区域内可控、渐进地发生塑性变形从而利用材料的塑性变形来吸收巨大的碰撞能量以尽可能为驾驶员和乘客提供足够的生存空间同时减小冲击力和冲击加速度并延长撞击减速时间.压溃式结构吸能装置方案设计理想吸能装置应具备以下特性()从碰撞开始到结构完全变形压溃的整个过程中塑变后的稳态平均力应小于并尽可能地接近设计碰撞力目标极限值碰撞力曲线变化平缓初始触发力拐点无尖峰这样才能获得最大的吸能总量并避免损坏车体结构 理想状态下最良好的能量吸收装置在急速大变形情况下应具有接近定常的力学特性()碰撞动能应尽可能不可逆转地
6、转换成塑性变形能即以塑性变形而不是弹性变形来消耗冲击能量因为弹性变形会导致内部乘客和车体承受剧烈的二次碰撞()吸能装置在碰撞条件下的变形模式应当稳定在各种碰撞工况下均不能发生结构失稳的情况()吸能装置本身的压缩比应尽可能长以吸收更多的动能且变形后不会占据大的空间或发生诸如碎片飞裂的次生破坏()吸能装置本身自重轻具有良好的比吸能()由于吸能装置为一次性破坏使用件应该成本低廉易于制造司机室前端吸能装置设计区域范围要充分顾及到邻近区域相关部件的功能性发挥确保它们在安装空间上互不干涉 如考虑到车体前端车钩的功能性发挥则设计区域不能与车钩的摆动空间干涉要考虑前端防爬器的安装空间也要考虑前端吸能装置与车体
7、端梁安装面的空间联系整体在横向上还要考虑前端吸能装置的布局与侧梁空间位置的协调 通过整体性筹划布局提取车体前端吸能装置的设计空间总体拓扑布局如图、所示通过多方案的对比分析最终总体设计方案如图 所示 总体上通过过渡梁可将前端吸能装置沿纵向分为两级逐步压缩的吸能区域第一级吸能区先于第二级吸能区被压溃 在两级吸能区域中以吸能单元梁来适应不同类型列车的碰撞吸能需求 司机室前端吸能装置采用焊接或者螺栓的形式连接到车体上图 设计空间相对车 图 吸能装置设计空体的位置图间拓扑图 整个司机室前端吸能装置是沿横向对称图 所示意的 位置和 位置、位置和 位置的吸能单元梁为同一种几何结构 依据实际需要将 位置和 位
8、置设为不同尺寸结构的吸能单元梁 但在、位置由于车钩安装空间的需要这两个位置的吸能单元梁结构与、位置的吸能单元梁不同、位置采用了不同的几何结构形式图 吸能装置方案示意图 尽管整个吸能装置由多个吸能单元梁组成但为实现制造的便捷降低成本吸能单元梁设计两种“基本结构”形式可通过有限的参数选择来满足具体的结构应用、为同一种“基本结构”形式的吸能单元梁的“子结构”、为另一种“基本结构”形式相同的吸能单元梁的“子结构”在司机室前端吸能装置撞击刚性平面而产生压缩变形期间 位置和 位置的吸能单元梁接受防爬器的传力首先发生塑性变形而此时由于“之”字形折板产生延伸变形 位置的吸能单元梁并没有被压溃 同时其还能协调将
9、 位置吸能单元梁的压缩力峰值与、位置吸能单元梁的压缩力波谷相对应使所有的吸能单元梁能够步调一致地产生塑性变形.压溃式结构吸能单元梁方案设计吸能单元梁的主体为塔形结构由上、下两部位折弯钢板拼焊而成在内部增设带有减重椭圆孔的诱导隔板诱导隔板能够促进吸能单元梁两侧塑性变形进程趋于一致并且精确控制吸能单元梁形成塑性铰的数量 通过迭代法仿真分析确定合理的诱导隔板车辆研究 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用间距确保每一个塑性铰均能完整形成且每个塑性铰能够独立形成不对下一塑性铰的形成造成影响在塔形模块化吸能单元梁端部设置 形诱导板此诱导板能够首先触发吸能单元梁前端产生塑变从而控制吸能单元梁的塑变方向避
10、免其从底部或中部开始产生塑变 型诱导板的角度设计应反复校核角度太大或者太小均不能合理地调整吸能单元梁的触发力这种设计在调整压溃触发力的同时也增加了塔形模块化吸能结构整体的稳定性如图图 吸能单元方案示意图 所示 位置吸能单元梁除了在几何尺寸上满足空间要求还在其尾部增加了补强立板其作用是弥补防爬器与吸能单元梁前端之间的距离差确保第一级吸能区的塑性铰能够同步压缩第二级吸能区的塑性铰能够同步开始从而使底架前端受力更均匀更好地保护车体结构 压溃式结构吸能装置仿真分析.仿真模型建立文中采用法国著名公司 的 碰撞模拟软件对上述方案进行分析 主要建模流程如下:首先使用美国 公司的 软件创建用于结构耐撞性分析的
11、几何模型并导出 格式文件然后将几何模型导入 处理器中进行有限元网格剖分并输出 格式文件最后将有限元模型导入到 中进行结构耐撞性分析 其中在吸能单元梁的有限元网格划分时应尽量采用较小的单元尺寸小的单元尺寸比较容易捕捉到碰撞中产生的小塑性铰模拟的结果也更加精细而吸能装置和车辆的划分可采用较大网格以减少计算量提高计算效率 基本结构吸能单元梁有限元模型如图 所示.吸能单元梁仿真分析为了更好地研究吸能单元梁壁厚与吸能数量、塑性变形之间的关系将每种吸能单元梁的壁厚均按照、.、的数值分别模拟分析计算方案如表 所列在模拟中利用压力试验机以恒定的/速度对吸能单元梁进行压缩图 基本结构吸能单元梁有限元模型表 吸能
12、单元梁计算方案序号说 明高度/厚度/编 号“基本结构”“基本结构”第二级吸能区“子结构”第二级吸能区“子结构”.对吸能单元梁进行仿真分析在诱导板的作用下单元梁均产生了渐进稳定的塑性变形 基本结构的压缩变形图如图 所示 吸能单元梁的触发力、行程、吸能计算结果如表 所列图 吸能单元梁压缩变形图表 吸能单元梁的触发力、行程、吸能计算结果序号编号高度/厚度/触发力/有效压缩行程/吸能总量/.机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)车辆研究续表 吸能单元梁的触发力、行程、吸能计算结果序号编号高度/厚度/触发力/有效压缩行程/吸能总量/.从表 仿真结果可以看出吸能单元的壁厚对结构吸能数量有直接影响随着壁
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