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铁道科学研究院
硕士学位论文
城轨车辆耐碰撞结构设计及其乘员安全数字仿真研究
姓名:李兰
申请学位级别:硕士
专业:载运工具运用工程
指导教师:王成国
20070601
作者躲砖乙导师躲绷钽嗍俣嘣论文储虢巷羔关于学位论文使用授权说明日期:》刁年占月日铁道科学研究院学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究魉取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。本人了解铁道科学研究院有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留学位论文,允许学位论文被查阅和借阅;学校可以公布学位论文的全部或部分内容,可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文;学校可根据有关规定,送交学位论文。对以上规定中的任何一项,本人表示同意,并愿意提供使用。
摘要进入世纪以来我国城市轨道交通建设突飞猛进,城市轨道交通完成的运量在公共交通运量中的比例越来越大,其安全性也越来越受到重视。城市轨道车辆大多运行在人口密度较高的市区,行车密度高,载客量大。一旦发生碰撞,乘员的伤亡会很严重。随着我国城市轨道车辆使用的增多且运行速度不断提高,对城市轨道车辆进行被动安全研究,采取适当的安全对策使事故的损失最小化,具有重大的现实意义和工程实用价值。城轨车辆的被动安全研究受国内外广泛重视,进行了深入研究,已有不少研究成果运用到实际车型中。但在国内,这一领域还属于起步阶段,试验研究和数字模拟试验研究的基础都很薄弱,其与工程实际相结合的例子很少。为提高我国城市轨道车辆的设计水平和安全性能,进一步将碰撞造成的乘员伤害最小化,本文结合天津津滨城市轨道车辆,运用数字碰撞仿真试验方法探索城轨车辆碰撞的变形规律、耐碰撞结构的设计、研究乘员二次碰撞响应。研究车辆大变形的碰撞方法包括理论研究、实物试验和数字仿真试验三种。车辆碰撞安全性研究固然需要进行大量试验和理论分析,而随着显式有限元技术的发展,采用数字仿真试验手段进行碰撞研究,则是一个非常好的选择。论文对车辆碰撞分析所采用的有限元方法的基本理论、控制方程及求解方法,接触问题的处理、薄壳单元的选择、材料本构关系模型等核心问题作简要的阐述。为了保证碰撞数字模型的有效性和可用性,根据天津滓滨城市轨道车辆的实际结构建立了P图癋模型,并按照国内外的地铁车辆技术标准确定了不同载荷工况,对车体静强度、刚度和模态频率进行了有限元计算
分析,其计算结果和实验结果进行了比较。强度计算结果表明车体各工况的强度基本上在许用应力范围之内,其车体主要部位应力的计算值和实验值结果有所不同,但其趋势是一样的;刚度计算结果则和试验结果基本吻合。这说明车体的强度和刚度满足使用要求,有限元模型可以用来进行碰撞仿真研究。从计算结果中发现,焊点和局部结构设计都可能引起应力集中,因此在制订工艺时应避免在结构易发生应力集中的区域布置焊点,还要控制焊点间距,避免焊点之间相互影响。为提高车体的被动安全性,车体结构不能发生永久变形的既有概念应变为基于可控制能量吸收过程的设计理念。因此,本文对天津津滨城轨车辆进行了耐碰撞结构设计。车辆端部的耐碰撞设计有两种方法:一种方法是车辆端部碰撞变形能量吸收区与车体结构完全集成在一起:另外一种则由吸能元件构成的碰撞变形能量吸收区与防爬器结构集成一起组成一个模块化部件,通过螺栓等机械联接组装到底架结构前端。在对天津津滨车辆的耐碰撞设计中采用了后者。目前,各国还没有针对城轨列车被动安全性的标准。本论文在国外关于机车和客车防碰撞安全性标准以及相关城轨耐碰撞性研究的基础上,提出以下几条定性的要求:耐碰撞车体结构设计的重点为车辆端部的碰撞变形能量吸收区,塑性压溃变形应该从车辆端部区域首先开始,并按设定的过程渐进式发展。最大碰撞冲击力极限值的设定应确保列车发生碰撞时的减速度保持在—个适度的水平,以便保护乘务人员及乘客的安全,并避免设备安装、内装及转向架连接装置脱落或损坏。碰撞发生时,必须给司机和乘客足够的生存空间,也就是说,客室区域车体结构强度必须远远大于碰撞变形能量吸收区的强度。安装阻止其他车辆爬入本车内的防爬器。防爬装置应当能够承受
垂直方向的载荷,并且在发生碰撞的车辆之间存在达到怪狈较的偏差的情况下防爬器仍能够正常工作。碰撞变形能量吸收区的设计通常需要在给定的碰撞假设条件下进行,包括列车编组、碰撞速度及车钩缓冲装置布置等。为了发生碰撞时,减少车体结构的破坏,需要吸能装置按照可控制的变形方式吸收碰撞能量。吸能装置的设计通常采用方形、圆形截面的薄壁筒形结构。因此,了解材料、形状、壁厚、预变形等因素对薄壁方管吸能特性的影响是城轨车辆安全性的基础研究。论文运用软件