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基于损伤断裂模型的地铁车辆碰撞事故仿真研究

卫亮  
【摘要】:地铁车辆耐撞性设计作为保护乘员的最后手段,日益受到科研机构与制造商的重视。在目前地铁碰撞仿真研究中,仿真结果难以通过试验数据进行充分验证,而发生过的地铁事故为车辆耐撞性的研究提供了珍贵的研究案例。本文从北京地铁某次的碰撞事故出发,使用有限元方法对碰撞事故进行重现。通过比较实际事故与仿真分析结构破坏变形的相同点和差异点,讨论常数等效塑性应变断裂模型的局限性。针对在事故中发生断裂的不锈钢板材,进行材料断裂试验和仿真建模,提出考虑壳单元尺寸效应的损伤断裂模型,并设计试验进行验证。具体涉及的研究内容可以分为以下五个方面:1.针对发生在北京的某次地铁碰撞事故中车体、钩缓及驾驶室内部的结构破坏进行调查,拼接还原车辆在事故中的最终状态。该次事故的调查,为本文后继的地铁车辆碰撞模型与车体金属断裂模型提供了建模与验证的研究对象。2.建立地铁碰撞事故的有限元模型并进行仿真模拟。通过仿真计算辅助事故调查,分析事故中暴露出的驾驶室结构弱点,提出改进设计方案,并在相同场景下进行仿真验证计算。事故车体结构变形与计算仿真结果的对比分析表明:常数应变断裂模型对车辆结构断裂的预测与实际事故有较大偏差,对关键部位材料的断裂模型进行建模研究,是进一步提高地铁碰撞仿真精度需要解决的重要问题。3.选取事故车体出现断裂的301L-HT不锈钢为试验材料,依据MMC(Modi-fied Mohr-Coulomb)断裂模型理论,设计使用标准拉伸试验、Arcan缺口拉伸试验,开展301L-HT不锈钢在不同应力状态下断裂性能试验。数值仿真与试验数据的对比表明:常数应变断裂模型低估了材料抵抗剪切断裂的能力,无法对复杂应力状态下的不锈钢板材的韧性断裂进行模拟。而MMC断裂模型能够使用精细的实体单元(0.1mm)描述不锈钢在不同应力状态下的断裂失效过程。但是,MMC断裂模型对断裂过程的模拟精度依赖于精细的实体单元,一旦改变单元尺寸或单元类型均会导致较大误差。4.论文针对MMC断裂模型无法直接应用于大尺寸壳单元的局限性,提出Mohr-Coulomb断裂准则的应力阈值?_f与壳单元的尺寸l_e具有以下关系:?_f?(_el)~(-?)。基于该假设推导出了MMC断裂模型和损伤软化模型关于壳单元尺寸的方程,建立了考虑壳单元尺寸因素的不锈钢损伤断裂模型。根据断裂试验数据,对本文提出的损伤断裂模型参数进行标定,为研究车体结构在碰撞中的断裂破坏过程奠定了基础。5.论文将考虑壳单元尺寸因素的不锈钢损伤断裂模型应用于不同场景下的地铁碰撞仿真分析。相较于常数应变失效模型,本文提出的损伤断裂模型,能够更加准确的预测车体在碰撞事故中的变形。依据欧洲轨道车辆耐撞性设计标准EN15227规定的碰撞场景,以12.5km/h和25km/h对事故中间车进行碰撞仿真。针对欧洲轨道车辆耐撞性设计标准无法考虑爬车因素。本文提出垂向偏置碰撞场景,用于分析爬车事故发生时地铁中间车体抵抗变形的能力。


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