轨道车辆耐碰撞结构及乘员安全防护技术研究
【摘要】：由于轨道交通事故复杂多变的偶然因素和严重的生命威胁，使车辆事故安全成为公众瞩目的关注点。科学的进步和现代车辆人性化设计的理念是车辆被动安全技术得到突破和不断进展的基础，而高速铁路和城市轨道交通的繁荣又进一步有力地推动了轨道车辆被动安全设计技术的发展与应用。
近十年来，欧美国家提出的车辆被动安全设计技术逐渐成熟并进入工程化应用阶段，根据被动安全设计思想研制的耐碰撞车体结构对乘员生命安全起到较好防护作用，并已开始研究乘员的二次碰撞问题，以进一步将碰撞事故造成的乘员伤害最小化。我国目前的研究主要局限于车辆结构变形分析上，对列车耐撞击安全未能从系统控制及优化的角度进行研究，对城市轨道车辆吸能元件关注甚少，至于乘员这一安全的主体受撞击后在车体内部的二次碰撞的影响基本没有加以考虑。基于这一现状，本论文拟运用车辆被动安全设计思想，在上述几个方面展开列车耐碰撞设计研究。
论文首先介绍了“为乘员提供有效安全空间和缓和撞击载荷”的耐碰撞车体系统总体设计思想，综述了耐碰撞车体的性能要求和评价指标，并以国外耐碰撞车体为例说明了耐碰撞车体设计的实现方法。
论文通过薄壁圆管吸能元件进行的实物碰撞验证性试验与仿真研究，结果比较表明了两种方法在圆管试件在结构塑性变形模式、能量吸收以及轴向冲击力等碰撞性能方面呈现出较好的吻合性，证实了采用MSC.DYTRAN软件进行非线性有限元仿真的可行性、有效性和经济性。在此基础上对两种可用于吸能防爬器的圆管和六边形蜂窝铝材芯材结构基本吸能元件及其组合结构件进行了能量吸收特性分析与仿真研究，得到了较为合理的设计参数，并比较了两种芯材的优缺点。
论文对具有强非线性特征的破裂型吸能结构采用仿真与理论分析相结合的方法进行了吸能特性研究。研究结果表明：在相同长度及壁厚条件下，两种截面构件有效变形行程相近，而四边形截面结构的吸能效果要优于六边形结构。此外，还对有限元仿真计算中若干影响参数进行了探讨。
论文通过对耐碰撞车体模型仿真，分析其结构塑性变形模式、变形区域、
【关键词】：轨道车辆 被动安全 耐撞击 吸能元件 车体结构 乘员 仿真
【学位授予单位】：同济大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：U270
【DOI】：CNKI:CDMD:1.2006.192907
【目录】：
【学位授予单位】：同济大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：U270
【DOI】：CNKI:CDMD:1.2006.192907
【目录】：
- 摘要6-8
- ABSTRACT8-14
- 第1章 引言14-24
- 1.1 研究的目的和意义14-18
- 1.1.1 工程背景14-18
- 1.1.2 本课题的意义18
- 1.2 轨道车辆被动安全技术研究状况18-22
- 1.2.1 历史和现状18-20
- 1.2.2 被动安全技术研究方法20-22
- 1.3 本论文的主要研究工作22
- 1.4 本文结构安排22-24
- 第2章 车辆耐撞性有限元分析的理论基础24-43
- 2.1 显式非线性有限元方程的建立24-27
- 2.1.1 显示有限元算法的发展24-25
- 2.1.2 基本控制理论和方程25-27
- 2.2 显式积分算法与时步控制27-30
- 2.2.1 显式积分算法的基本方程27-29
- 2.2.2 显式积分算法的时步控制29-30
- 2.3 显式动力薄壳单元30-33
- 2.3.1 Hughes-Liu薄壳单元31-32
- 2.3.2 Belytschko-Tsay薄壳单元32-33
- 2.4 材料本构关系模型33-36
- 2.4.1 与应变率无关的弹塑性材料模型34
- 2.4.2 与应变率相关的弹塑性材料模型34-36
- 2.5 碰撞问题的求解途径36-38
- 2.5.1 多刚体动力学法37-38
- 2.5.2 动态非线性有限元法38
- 2.6 接触碰撞算法38-40
- 2.6.1 接触碰撞界面算法38-40
- 2.6.2 摩擦力的计算40
- 2.7 连接方式的建模40-42
- 2.8 本章小结42-43
- 第3章 轨道列车被动安全系统总体设计43-58
- 3.1 轨道列车碰撞分类和响应43-44
- 3.2 轨道列车耐碰撞设计44-51
- 3.2.1 耐碰撞车体设计评价标准45-46
- 3.2.2 耐碰撞车体的性能要求46-47
- 3.2.3 车辆碰撞的能量及其吸收47-51
- 3.3 轨道列车耐碰撞车体设计方法51-56
- 3.3.1 传统车体结构设计51-52
- 3.3.2 耐碰撞车体结构设计52-56
- 3.4 事故重建技术56-57
- 3.5 本章小结57-58
- 第4章 基本吸能元件吸能特性的试验研究和有限元仿真58-98
- 4.1 薄壁结构吸能特性的理论分析58-69
- 4.1.1 吸能特性的基本参数58-59
- 4.1.2 薄壁结构的有效性59-60
- 4.1.3 薄壁圆管轴向吸能特性的理论分析60-64
- 4.1.4 金属撕裂的理论基础64-69
- 4.2 薄壁圆管碰撞性能试验研究69-79
- 4 2.1 落锤试验69-70
- 4.2.2 准静态试验70-73
- 4.2.3 薄壁铝材圆管准静态试验研究73-79
- 4.3 薄壁元件及其组合结构吸能特性的仿真研究79-92
- 4.3.1 薄壁圆管轴向吸能特性的仿真研究79-81
- 4.3.2 薄壁矩形管轴向吸能特性仿真81-83
- 4.3.3 铝管填充结构的吸能特性仿真83-86
- 4.3.4 破裂型管件结构的吸能特性仿真86-92
- 4.4 有限元仿真计算中若干参数的研究92-97
- 4.4.1 摩擦力的影响92-93
- 4.4.2 单元尺寸与网格密度分布的影响93-96
- 4.4.3 单元类型与单元形状的选择96-97
- 4.5 本章小结97-98
- 第5章 高速客车车体耐碰撞结构设计及其最轻量优化98-114
- 5.1 前言98
- 5.2 高速客车车体设计要求98-99
- 5.3 高速旅客列车的耐碰撞车体设计99-107
- 5.3.1 承载吸能结构99-101
- 5.3.2 车体碰撞仿真模型的建立和改进101-103
- 5.3.3 碰撞仿真结果与分析103-107
- 5.3.4 耐碰撞客车车体静强度校核107
- 5.4 耐碰撞车体结构轻量化优化设计的策略107-113
- 5.4.1 设计思想107-108
- 5.4.2 优化设计策略108-109
- 5.4.3 概念模型优化设计实例109-113
- 5.5 本章小结113-114
- 第6章 列车乘员的安全性分析114-147
- 6.1 乘员在撞击事故中的伤害及安全对策114-115
- 6.1.1 撞击伤害及其影响因素114-115
- 6.1.2 乘员伤害标准115
- 6.2 乘员伤害仿真分析技术115-121
- 6.2.1 仿真环境与工况(面对面有小桌，面对面，面对背)115-118
- 6.2.2 仿真中的加速度波形条件118-119
- 6.2.3 MADYMO仿真软件简介119-121
- 6.2.4 假人模型121
- 6.3 乘员室内二次碰撞仿真分析121-138
- 6.3.1 面对面工况(有小桌)121-126
- 6.3.2 面对面工况(无小桌)126-131
- 6.3.3 同向布置(座椅靠背不能转动)131-134
- 6.3.4 同向布置(座椅靠背能转动)134-137
- 6.3.5 其它布置类型137-138
- 6.4 乘员伤害影响因素的研究138-144
- 6.4.1 接触刚度的影响138-141
- 6.4.2 客室内部空间的影响141-143
- 6.4.3 冲击加速度的影响143-144
- 6.4.4 其它因素的影响144
- 6.5 乘员二次碰撞的试验研究144-146
- 6.6 本章小结146-147
- 第7章 结论与展望147-150
- 7.1 研究工作及结果147-148
- 7.2 本论文主要创新之处148
- 7.3 展望148-150
- 致谢150-151
- 参考文献151-157
- 个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果157
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