铁道客车大变形碰撞仿真研究.pdf

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1、2 0 0 8 中困汽牟安全技术国际研讨会 铁道客车大变形碰撞仿真研究 刘金朝1 ，房加志2 ，王成国1 ，冯青春3 ，张洪4 ( 1 铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心，北京1 0 0 0 8 1 ；2 中国农业大学理学 院应用力学系3 中国E S I 博骞仿真公司4 四方车辆厂) 摘要：利用数值仿真技术对铁道客午进行大变形碰撞研究。通过设茕不同部分壳体单元的小同厚度，巧 妙地处理了车体钢骨架与车体侧墙扳及其他各种板什的焊接火系。根据仿真结果分析车身 要吸能部件的 变形规律，改进牵引缓冲梁的结构，提高其吸收能最的性能。建立午与乍的I i 撺模型，计算表明初速度相 对大的午可能爬到仞速度相

2、对小的午卜。建、Z 斜角碰撺模型，指卜H 为了减少列午脱轨后的严重伤害，应加 强铁道安全护栏的研究。假人模型中的有关头部伤害指标和大腿伤害指标的汁锋结果表明，列车碰撞及其 乘员二次碰撞足导致乘客伤害的关键原因。利用P A M - - C R A S H 的并行处理技术，进行了6 0 0 万自由度有限元 模型的2 5 B 铁道客午之I I J 的碰撞分析。 关键词：铁道午辆：碰撞：吸能性：仿真分析 S i m u l a t i o nR e s e a r c ho nF i n i t eD e f o r m a t i o nC r a s h w o r t h i n e s so

3、f R a i i w a yP a s s e n g e rC a r L I UJ i n z h a o ，F A N GJ i a z h i 2 ，W A N GC h e n g g u 0 1 ，F E N GQ i n g c h u n ，Z H A N GH o n 9 4 ( 1 R e s e a r c ha n dD e v e l o p m e n tC e n t e r ，C h i n aA c a d e m yo fR a i l w a yS c i e n c e s ，B e i j i n gl0 0 0 8l ，C h i n a ：2 D

4、 e p a r t m e n to f A p p l i e dM e c h a n i c s ，C o l l e g eo fS c i e n c e ，C h i n aA g r i c u l t u r a lU n i v e r s i t y ；3 E S IC h i n a ；4 S i f a n g R o l l i n gS t o c kF a c t o r y ) A b s t r a c t ：N u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi Su s e dt od os i

5、m u l a t i o nr e s e a r c ho nf i n i t ed e f o r m a t i o n c r a s h w o r t h i n e s so fr a i l w a yp a s s e n g e rc a r W es e tt h et h i c k n e s so ft h es h e l le l e m e n t so ft h ew e l d i n gp a r t so ft h e s t e e ls t r u c t u r eo f t h ec a rb o d va n di t ss h e a

6、t h i n g s ，s u c ha ss i d ew a l ls h e a t h i n g ，a st h es u mo f t h e i rt h i c k n e s s O nt h e b a s i so ft h es i m u l a t i o nr e s u l t s t h ed e f o r m a t i o nl a wo ft h em a i ne n e r g Ya b s o r p t i o ns t r u c t u r eo ft h ec a rb o d yi S a n a l y z e d S o m es

7、 h o r t c o m i n g si nd e s i g na r ef o u n do u ta n ds o m ec o r r e s p o n d i n gm e a s u r e sf o ri m p r o v e m e n ta r e g i v e n T h em o d e lo fs i n g l ev e h i c l ec r a s h i n gw i t has i n g l ev e h i c l ei Sb u i l t T h ep h e n o m e n o nt h a tt h ev e h i c l ew

8、 i t h r e l a t i v eh i g hi n i t i a lv e l o c i t yw i l lc l i m bt ot h eo t h e rv e h i c l ew i t hr e l a t i v el O Wi n i t i a lv e l o c i t yi Sf o u n d W eb u i l da c r a s h w o r t h i n e s sm o d e lo fo b l i q u ea n g l e a n dp o i n to u tt h a tm o r er e s e a r c h e

9、so ns a f e t yb a r r i e r sm u s tb ed o n et o r e d u c et h ed a m a g ea f t e rd e r a i l m e n t T h en u m e r i c a lr e s u l t so fh e a di n i u r yc r i t e r i o na n dl e gi n j u r yc r i t e r i o ns h o w t h a tt r a i nc r a s h w o r t h i n e s sa n ds e c o n d a r yc o l l

10、 i s i o n sa r et h ek e yr e a s o n st or e s u l ti np a s s e n g e ri n j u r y B yu s i n g P A M C R A S Hp a r a l l e lf u n c t i o n w ed e v e l o paf i n i t ee l e m e n tm o d e lw i t hs i xm i l l i o nd e g r e eo ff r e e d o m a n d a n a l y z et h ec r a s h w o r t h i n e s

11、sb e t w e e nt w or a i l w a yv e h i c l e sw i t ha n o t h e rt w or a i l w a yv e h i c l e s K e yw o r d s ：R a i l w a yv e h i c l e ：C o l l i s i o n ：E n e r g ya b s o r p t i o n ：S i m u l a t i o na n a l y s i 1 引言 同汽车碰撞事故柏比，虽然列车发生碰撞的概率要小于汽车发牛碰撞的概率，然而一旦 发生意外事故，则会带来严最的人员损伤和经济损失。鉴于此

12、，许多国家为r 使事故造成的 损失最小化，在设计车辆时都充分考虑乍辆的耐撞性。从1 9 9 9 年起，美国丌始要求在高速 列车T I E RI I ( 商q k 速度为2 0 0 “ - - 2 4 0k m - h 。1 ) 上必须有列_ 午I 防撞性设计与评估。在不久的 将来，欧洲也会把列4 i 防撞性纳入U I C 的规则中。 研究车辆大变形碰撞的方法有理论研究、实物实验和数值仿真3 种。虽然理论研究和实 物实验不可缺少，但是车辆大变形碰撞研究的本身性质，决定了数值仿真应成为其主要的研 究方法。随着计算机的发展和显式仿真软件( 如P A M - C R A S H ) 的成熟，成功的工业

13、案例表明， 仿真方法完全能胜任午辆大变形碰撞的大部分研究。借助数值仿真手段，1 9 9 6 年A 1 s t o m 公 司对高速列呜i T G V 进行r 耐撞性研究：S i e m e n s 公一J 于1 9 9 9 年进行了高速列车的缓冲器研究： 韩国铁道科学研究院对K H S T 进行丫耐撞性优化没计研究。中国从1 9 9 9 年开始，对列车零 部件及其一些简单的午I 辆模型进行了大变形碰撞仿真研究旧。 我l i J , O 用P A M C R A S H 对2 5 B 铁道客车进行大变形碰撞仿真研究。基于实际的2 5 B 车体C A D 图形，建立了全壳体单元的有限元模型，单车模

14、型的规模将近2 5 万节点。研究了车与固定的 刚性墙，车与变形体，单牟体与单车体，两节年体与两节车体的正面碰撞以及车体与刚性墙 斜撞后的脱轨现象。在单j 与刚性墙的正撞模型中，随机放置了一些假人模型，研究在列车 碰撞后，人体与座椅，人体与人体的二次碰撞响应。 3 0 3 2 0 0 8 中国汽车安全技术国际研讨会 2 大变形碰撞虚功方程及其离散形式 文献【6 】证明可以将接触力看成未知面力的虚功方程，可写成如下的形式 户：f 蛰d 矿+ o U a 矿2 户U d ” 伽删s + f c R 8U d S ( 1 ) 式中：，为应力边界，c 为可能接触边界，p 为密度，6 c ，为虚位移，盯为

15、柯西应力张量。 对于弹塑性问题，应力应变的增量关系式为“ 3 d 矿= D ；a d e D 品= D 知- 如 式( 2 ) 中弹性矩阵和塑性矩阵的一般形式是 ( 2 ) r、 D 知= 2 6 | 氏菇+ 丁乞岛& J n p 一 旦二。【丝坌。) 2 盖( 丝坌亟2 州一( a f a 吩) D 知( 聊a 呀) + ( 4 9 ) 吒2 ， ( 3 ) 式中：材料塑性模量可由应力对等效塑性应变变分得到，= d d ，：现时屈服应力 6 。和f 与后继屈服函数相关。 本文采用V o n M i s e s 屈服准则，各向同性硬化的后继屈服函数可以表示为 F ( 矿，曲= f k = 0

16、厂= 古舻妒，k = Z ( ，P ) ( 4 ) 由文献 8 可知，对于每个接触对a ，在局部牮标系下，定义葫为法向相对位移，( 焉，正) 为 法向和切向作用力，矗t 为切向相对速度，刻画接触关系的S i g n o r i n i 条件和C o u l o m b = P 摩擦条 件为 V p 0 ，荫= P R O J R + ( 荫P u 4 n ) V p 0 ，筋= P R O J c c 7 03 6 42 0 _ 3 最初的并行软件只是单元计算和求解器并行化，现在的并行软件发展到了基于区域分 解的并行处理，例如并行的P A M C R A S H 软件。前处理中用户根据C P

17、U 的数目，将需要计 算的区域划分成一些相对来说比较均匀的子区域，程序能自动地使用不同的C P U 来计算不 同子区域的各种场。对于每个子区域来说，需要求解的方程( 7 ) 与方程( 6 ) 比较类似， M j 亏( 嘶( 1 + 1 ) - m ( 力觑( D ) + 力f 曩( z ，( 力) + R ，( ”( D ) + 九= 0( 7 ) 式中：下标沩子区域；五f 为处理子区域i 和子区域，公共边界的连续性而引入的内部界面 力，与接触力一样，它也是未知的，在迭代过程中由子区域边界的连续性方程得到。 本文利用并行技术和上海超级计算中心的并行环境进行了2 节车与2 节车的对撞分析。 模型

18、中总的节点数为l0 0 44 3 4 ，壳单元数为9 8 85 2 8 ，刚体单元为70 4 6 ，利用3 2C P U 花费 7 3 h 就完成了碰撞分析，碰撞后的变形如图1 8 所示。 图1 8两节车体与两节车体碰撞的变形 7 结论 1 ) 利用P A M - C R A S H 对2 5 型铁道客车进行了大变形碰撞仿真研究。仿真数据说明，牵 引缓冲梁是主要的吸能结构，在变形过程中出现了弯曲失效，可以通过加强其失效部位的 刚度来提高其吸能性。 2 ) 客车车厢内乘员的伤害，不但与列车的碰撞有关，而且与乘员的二次碰撞有非常大 的关系。为了减少乘员在撞击事故中的伤害，除了优化车体的设计，提高其

19、耐撞性外，还应 采取措施尽量避免乘员的- 次碰撞。 3 ) 采用何种方式吸收脱轨后车体的动能是一个非常值得研究的问题。类似于高速公路， 在线路的两旁设置防护栏，让脱轨后的车体与防护栏发生再次碰撞是有必要的。 4 ) 本文的车辆模型中没有包括车钩和车端减震器模型，比较计算结果和试验结果，我 们认为其对计算结果有较大的影响。现在铁道车辆碰撞研究还没有形成法规，制定法规时， 建议碰撞模型包括车钩和车端减震器。 参考文献 【l 】J e o n g S e OK o o ，T a e S o oK w o n ，H y u n - J i kC h o 韩国高速铁路防撞设计与评估 J 】中国铁道科学，

20、2 0 0 4 ， 2 5 ( 1 ) ：1 - 7 【2 】谢素明，兆文忠，闫雪冬高速车辆大变形碰撞仿真基本原理及应用研究【J 】铁道车辆，2 0 0 1 ( 8 ) ： l 4 【3 】 姚松，田红旗车辆吸能部件的薄壁结构碰撞研究f J 】中国铁道科学，2 0 0 1 ，2 2 ( 2 ) ：5 5 “ - 6 0 【4 】 刘金朝，土成国，梁国半多弹性体接触问题的数值算法【J 】中国铁道科学，2 0 0 3 ，2 4 ( 3 ) ：6 9 7 3 【5 】 刘金朝，王成国，房加志薄壁圆柱在轴向力作用下的动力学响应【J 】中国铁道科学，2 0 0 4 ，2 5 ( 4 ) ：1 8 2 4

21、 6 】L a u r s e nTA ，S i m oJC AC o n t i n u u m - b a s e dF i n i t eE l e m e n tF o r m u l a t i o nf o rt h eI m p l i c i tS o l u t i o no f M u l t i b o d y ，L a r g eD e f o r m a t i o nF r i c t i o n a lC o n t a c tP r o b l e m s 【J 】I n tJN u mM e t hE n g e g ，1 9 9 3 ，3 6 ：3 4 5

22、1 - 3 4 8 5 2 0 0 8 巾困汽车安全技术国际研讨会 【7 】王勖成，邵敏，有限单元法基本原理和数值方法【M 】，北京：清华大学出版社，1 9 9 7 【8 】 F r a n kJ o u r d a n ，P i e r r eA l a r t ，M i c h e lJ e a n AG a u s s S e i d e lL i k eA l g o r i t h mt oS o l v eF r i c t i o n a lC o n t a c t P r o b l e m s 【J 】C o m p u t eM e t h o d sA p p lM e t hE n g r g ，l9 9 8 ，l5 5 ：3l 4 7 【9 】严隽耄争辆【程【M 】北京：中幽铁道版社，1 9 9 9 f l O 】李健，沈钢列车防碰撞装置及动力学仿真【J 】铁道车辆，2 0 0 1 ，3 9 ( 7 ) ：5 - 9 一3 l l 铁道客车大变形碰撞仿真研究铁道客车大变形碰撞仿真研究 作者：刘金朝， 房加志， 王成国， 冯青春， 张洪 作者单位：刘金朝,王成国(铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心,北京 100081)， 房加志(中国 农业大学理学院应用力学系)， 冯青春(中国ESI博骞仿真公司)， 张洪(四方车辆厂) 本文链接：http:/