列车碰撞动力学仿真平台开发及钩缓参数对碰撞性能的影响

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列车被动安全性是车辆设计的重要组成部分。在设计的初始阶段,难以使用有限元仿真方法快速验证列车耐撞性设计的合理性,由于列车碰撞过程中存在强非线性因素,传统动力学仿真软件无法准确模拟其特性,钩缓装置作为碰撞过程中首先接触的部件,对列车后续碰撞行为影响较大。因此,论文通过建立列车碰撞动力学参数化模型,研究钩缓装置参数对列车碰撞的影响,开发了列车碰撞动力学仿真平台,使用有限元方法验证了平台计算准确性,基于EN15227轨道车辆碰撞标准,研究了钩缓装置状态对列车纵向、垂向响应的影响,探讨了钩缓装置与其他车辆参数的关联性,研究成果为轨道车辆耐撞性设计中钩缓装置等车辆参数的选取提供了一定的指导方法,有助于提高列车被动安全性。首先,基于车辆-轨道耦合动力学,建立了用于列车碰撞动力学研究的车辆模型和轨道模型;建立了钩缓装置压溃管缓冲器的加卸载数学模型,并推导了车钩力在钩缓装置与车体间的三维传递函数;建立了轮轨间的非线性接触模型,吸能防爬装置模型和悬挂装置模型,形成了完整的列车碰撞动力学参数化模型。同时,建立四编组列车的有限元模型,在LS-DYNA求解器中进行计算,并提取车辆参数,代入列车碰撞动力学参数化模型进行动力学计算,选取车辆速度、车辆加速度、轮对抬升量等主要碰撞响应指标进行对比,验证了列车碰撞动力学参数化模型的准确性。其次,基于Visual Studio MFC主程序框架,将MATLAB计算引擎作为求解器,VTK可视化库作为后处理器,设计了主程序、求解器和后处理之间不同数据类型的传递函数,构建了适用于参数读写、求解计算以及可视化的程序混合架构,建立了主程序、求解器和前后处理器之间数据传递的混合编程路线,开发了列车碰撞动力学仿真平台。在此基础上,选取钩缓装置力值和行程参数,使用此平台分别研究了压溃管和缓冲器的参数变化对列车整体的碰撞响应,筛选出其中影响最大的状态参数,并据此进一步研究与其他车辆关键参数之间的关联性。最后,研究结果表明:头车车钩压溃管的力值对车辆碰撞响应起到了主要的影响作用,且在力值的增加过程中,最大轮对抬升量存在突变升高现象;中间车钩缓冲器的行程会对车辆碰撞响应产生较大的影响,其行程与最大轮对抬升量呈稳定的负相关趋势;在钩缓装置参数与车辆参数的关联性分析中,二系垂向刚度、车辆定距和车体点头惯量均在不同的数值变化阶段具有最高的关联性。
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