轨道客车碰撞被动安全性研究

摘要

铁路运输以其独特的优势在我国交通运输中扮演了重要角色，是国民经济发展的先导，随着城市化进程的加快和人民物质文化水平的提高，旅客运输正向着高速、安全、舒适的方向发展。然而，高速行驶的列车一旦发生碰撞事故，将导致旅客生命、财产的巨大损失，时有发生的碰撞事故给人们敲醒了警钟，向人们昭示着研究车辆被动安全防护技术的必要性。本文在总结国内外研究现状的基础上，讨论了耐碰撞轨道车辆设计及仿真中的关键技术，研究了轨道客车的被动安全防护系统及乘员安全。
　　 论文首先对轨道车辆碰撞动态非线性有限元基本原理进行了介绍，主要包括基本力学方程和求解算法;对动态非线性有限元中显示中心差分法、质量缩放、沙漏问题的控制及刚性墙的处理等关键技术问题进行了系统得说明。
　　 其次以某200km/h卧铺客车为基体，研究设计了其被动安全防护系统。通过采用LS-DYNA中离散梁单元并配以119#材料，对钩缓装置的特性进行了真实的模拟;通过调研相关文献吸能装置，设计了6种不同结构、形状的吸能元件，选取性能最好的作为最终方案;通过合理得削弱客车端部结构的板厚及加开减载孔，使得客车纵向刚度呈现“弱-强-弱”分布，将车体端部弱刚度结构设计为吸能区域。
　　 然后针对目前轨道车辆碰撞仿真中对轮、轨及车体与转向架连接关系模拟高度简化的现状，提出建立实际的、详细的轮、轨有限元模型来更真实得模拟轮轨接触关系;建立中心销、牵引拉杆实际有限元模型，通过做接触来模拟车体与转向架的牵引装置;采用LS-DYNA中离散梁单元并配以66#材料来模拟空气弹簧的特性。
　　 最后根据欧洲标准EN12663，选取13个常见的、恶劣的静强度工况对200km/h卧铺客车进行强度验证;根据标准EN15227及参考相关文献，设计6个典型的碰撞工况，验证客车被动安全防护系统的耐撞性，重点考察其加速度、变形及吸能特性;借鉴汽车领域成熟的乘员安全评价方法，建立卧铺车厢的详细结构，对典型工况下的乘员二次碰撞进行研究，重点讨论比较了不同姿态、不同位置、不同性别的乘员受伤情况。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及研究现状

1．1．1 选题背景及意义

1．1．2 国内外研究现状

1．2 轨道车辆碰撞分类及主要研究方法

1．3 本文研究的主要内容

第2章 轨道车辆碰撞仿真基础理论及关键技术

2．1 轨道车辆碰撞动态非线性有限元基本原理

2．1．1 动态非线性有限元基本方程

2．1．2 动态非线性有限元求解算法

2．2 轨道车辆碰撞动态非线性有限元关键技术

2．2．1 显式中心差分法

2．2．2 质量缩放、子循环和动态松弛

2．2．3 沙漏问题及控制方法

2．2．4 刚性墙的处理

2．3 本章小结

第3章 客车被动安全防护系统设计及仿真关键问题

3．1 客车耐碰撞车体结构设计

3．1．1 耐碰撞车体结构设计思想

3．1．2 客车车体端部吸能结构设计

3．2 防爬吸能装置结构设计

3．2．1 防爬吸能装置概述

3．2．2 吸能元件吸能特性评价指标

3．2．3 吸能元件结构设计及吸能特性研究

3．2．4 防爬吸能装置功能验证

3．3 车钩缓冲装置设计

3．4 轨道车辆碰撞仿真关键问题研究

3．4．1 轮轨关系的模拟

3．4．2 车体与转向架连接关系的模拟

3．4．3 钩缓装置特性的模拟

3．4．4 乘员二次碰撞的模拟

3．5 本章小结

第4章 客车车体静强度及振动模态分析

4．1 客车车体结构概述

4．2 客车车体有限元模型及载荷工况

4．3 客车车体静强度分析

4．4 客车车体模态分析

4．5 本章小结

第5章 客车典型碰撞工况有限元仿真

5．1 客车车体与固定刚性墙的碰撞

5．2 客车车体与可移动刚性墙的碰撞

5．3 客车车体与可变形障碍物的碰撞

5．3．1 可变形障碍物的模拟

5．3．2 客车车体与15t可变形障碍物碰撞结果

5．4 客车发生碰撞后的响应研究

5．4．1 客车爬车行为分析

5．4．2 客车脱轨行为分析

5．5 客车被动安全防护系统吸能特性研究

5．6 本章小结

第6章 乘员二次碰撞安全性研究

6．1 乘员二次碰撞研究假人模型

6．2 乘员损伤判据

6．3 典型碰撞工况下乘员二次碰撞安全性评估

6．3．1 乘员二次碰撞仿真模型的建立

6．3．2 乘员二次碰撞仿真分析结果

6．4 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文