專利名稱：一種基于參數(shù)化設(shè)計的整車碰撞仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于參數(shù)化設(shè)計的整車碰撞仿真方法，屬于非線性有限元和非線性多體動力學(xué)相結(jié)合的軌道車輛整車碰撞研究領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
列車由多節(jié)車廂組成，其碰撞不同于汽車、飛機(jī)、船舶等交通工具的單體撞擊，它既有單車的撞擊破壞情況，又有各車間的互撞問題。列車多體偶合撞擊既有多質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)動力學(xué)，又有塑性大變形的結(jié)構(gòu)動力學(xué)，列車多體撞擊動力學(xué)的研究涵蓋了多質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)動力學(xué)、彈塑性結(jié)構(gòu)動力學(xué)、沖擊動力學(xué)等固體力學(xué)的理論及方法。目前國內(nèi)對軌道車輛被動安全技術(shù)的研究主要有兩類一是運(yùn)用多體動力學(xué)軟件來分析列車在碰撞過程中的運(yùn)動學(xué)、 動力學(xué)特性，由于這些軟件不能很好的模擬材料的非線性和彈塑性變形，工程運(yùn)用中有其局限性；另外一種就是運(yùn)用有限元軟件如LS-DYNA、MSC-DYTRAN等進(jìn)行結(jié)構(gòu)的大變形、非線性瞬態(tài)分析，由于這些軟件在計算中，單元的變形和扭曲，會引起時間步長的急劇減小，導(dǎo)致計算效率下降，當(dāng)時間步長小于最小時間步時系統(tǒng)報錯致使計算停止，工程運(yùn)用中模型不能大，研究集中在對頭車進(jìn)行各工況的非線性有限元碰撞仿真分析。國內(nèi)目前對軌道車輛被動安全技術(shù)的研究離工程應(yīng)用尚有一段距離，在進(jìn)行碰撞分析的過程中，研究集中在對頭車進(jìn)行了各工況的非線性有限元碰撞仿真分析，但是沒有對整車碰撞的有效的仿真方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述背景技術(shù)的不足，提供了一種基于參數(shù)化設(shè)計的整車碰撞仿真方法。本發(fā)明為實現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案一種基于參數(shù)化設(shè)計的整車碰撞仿真方法，包括如下步驟步驟1，確定整車各吸能元件的撞擊力-沖程圖，確定各車廂之間能量吸收裝置的等效總剛度，所述能量吸收裝置包括多個吸能元件，具體步驟如下步驟1-1，采用非線性有限元分析方法進(jìn)行數(shù)值仿真求解或者實驗得到吸能元件的撞擊力一沖程圖；步驟1-2，確定能量吸收裝置的等效總剛度當(dāng)吸能元件并聯(lián)時，且各吸能元件的變形不耦合，并聯(lián)后的剛度大小為各吸能元件原有撞擊力相加，沖程不變；當(dāng)吸能元件串聯(lián)時，串聯(lián)后的剛度大小為各吸能元件原有沖程相加，撞擊力不變；步驟2，定義整車碰撞力學(xué)模型，用U1,…，UnWN個坐標(biāo)來描述車廂Hi1, ···，!％ 從靜平衡位置算起的位移，…，fN是作用在車體Hi1,…，mN上的摩擦力，N為總車廂數(shù)， F1(u),…，fn(u)是頭車和其它車的能量吸收裝置的等效作用力，按Newton第二定律寫出N節(jié)車廂的運(yùn)動微分方程IIi1U1 = F2 (U2-U1) -F1 (U1)m2ii2 = F2 (U3-U2) -F2 (U2-U1) +f2...m^iU^! = F2 (Un-Uh) -F2+^1mNuN = -F2 (Un-Uim) +fN其中，U1(O)=U10，-,Un(O) = UnojM1(O) =M10,...,Mw(O) = Mwo ;ul(0)，…，uN(0)、 、(0),···，‘(())分別為系統(tǒng)中各車廂的初始位移和初始速度；步驟3，利用多體動力學(xué)軟件對步驟2得到的整車碰撞力學(xué)模型進(jìn)行基于參數(shù)化設(shè)計的數(shù)值仿真求解，具體步驟如下步驟3-1，引入設(shè)計變量表示各吸能元件的撞擊力和沖程，建立頭車與其它車能量吸收裝置剛度的STEP運(yùn)行過程函數(shù)；所述頭車的STEP運(yùn)行過程函數(shù)為step(-TL，0，0，2*DV_2/DV_1，DV_2)+step(_TL，2*DV_2/DV_1+2*DV_3，0，2*DV_2/ DV_l+2*DV_3+0. 0001，2*DV_4-DV_2)；所述其它車的STEP運(yùn)行過程函數(shù)為step(-HL，0，0，2*DV_6/DV_5，DV_6)+step (_HL，2*DV_6/DV_5+2*DV_9，0， 2*DV_6/DV_5+2*DV_9+0. 0001，DV_8)+step (-HL,2*DV_6/DV_5+2*DV_7, 0, 2*DV_6/ DV_5+2*DV_7+0. 0001，-DV_6)；其中，TL為頭車能量吸收裝置壓潰距離，HL為其它車能量吸收裝置壓潰距離， DV_1為頭車緩沖器剛度，DV_2為頭車壓潰管撞擊力，DV_3為頭車壓潰管沖程，DV_4為頭車吸能元件撞擊力，DV_5為其它車緩沖器剛度，DV_6為其它車壓潰管撞擊力，DV_7為其它車壓潰管沖程，DV_8為其它車吸能元件撞擊力，DV_9為其它車壓潰管并聯(lián)吸能元件的沖程；步驟3-2，設(shè)車廂之間能量吸收裝置的單作用力函數(shù)為IF (相對速度+0. 001 =STEP 運(yùn)行過程函數(shù)，STEP運(yùn)行過程函數(shù)，STEP (相對速度，-0. 001，STEP運(yùn)行過程函數(shù)，0，0))，該表達(dá)式即為F1 ( Δ u)、F2 ( Δ u)的力學(xué)機(jī)理表達(dá)式，頭車和其它車運(yùn)行過程函數(shù)不同，建立步驟2所述運(yùn)動微分方程的仿真模型；步驟3-3，分別對步驟3-1所述的各設(shè)計變量在其取值范圍內(nèi)取若干數(shù)值進(jìn)行仿真分析，獲得各車廂能量吸收裝置壓潰沖程的變化對吸能元件撞擊力、沖程等參數(shù)變化的敏感程度；步驟3-4，結(jié)合列車車體的承載能力以及優(yōu)化條件，對敏感程度大的設(shè)計變量做參數(shù)優(yōu)化分析，設(shè)定設(shè)計變量的變化范圍以及整車碰撞力學(xué)模型的約束條件，求解步驟2建立的微分方程組，得到滿足約束條件的吸能元件撞擊力和沖程最佳值；所述參數(shù)優(yōu)化分析的優(yōu)化目標(biāo)為第二節(jié)車廂的能量吸收裝置壓潰沖程的模值最大；所述約束條件指頭車和第二節(jié)車廂能量吸收裝置壓潰沖程的模值小于頭車和第二節(jié)車廂能量吸收裝置的最大安全壓潰沖程的模值。
所述基于參數(shù)化設(shè)計的軌道車輛整車碰撞仿真方法中，整車中各吸能元件的撞擊力指平均撞擊力。本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，具有以下有益效果只需對部分吸能元件用仿真或試驗手段測出其吸能特性參數(shù)即可，而不需要進(jìn)行整車碰撞試驗，對試驗技術(shù)等要求不高，參數(shù)化設(shè)計可以得到參數(shù)對性能的敏感度大小及滿足約束條件的吸能元件吸能特性最佳參數(shù)組合。平均撞擊力代替撞擊力可以降低計算復(fù)雜度，簡化仿真算法。


圖1為具體實施方式
中所述車廂之間能量吸收裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為頭車的車鉤緩沖裝置撞擊力-沖程圖；圖3為兩頭車之間兩個車鉤緩沖裝置串聯(lián)后的等效撞擊力-沖程圖；圖4為兩頭車之間能量吸收裝置最終的撞擊力-沖程圖；圖5為具體實施方式
中所述多自由度碰撞振動系統(tǒng)圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明基于參數(shù)化設(shè)計的整車碰撞仿真方法主要思想是根據(jù)軌道車輛能量吸收裝置中吸能元件及其串/并聯(lián)吸能特性建立各節(jié)車廂之間能量吸收裝置剛度(撞擊力-沖程)的參數(shù)化運(yùn)行過程函數(shù)，并基于運(yùn)行過程函數(shù)進(jìn)行各節(jié)車廂之間能量吸收裝置非線性撞擊力的力學(xué)機(jī)理模擬，然后建立整車碰撞多自由度振動系統(tǒng)的力學(xué)模型，建立了一個適用于非線性多體動力學(xué)的基于參數(shù)化設(shè)計的整車碰撞動態(tài)性能分析模型，將頭車的碰撞仿真分析擴(kuò)展到整車。撞擊吸能元件的剛性質(zhì)量塊與該吸能元件的質(zhì)量比對撞擊力無影響，撞擊力不隨質(zhì)量比的改變而改變，撞擊速度對撞擊力的影響不大，吸能元件撞擊力-沖程(剛度)是吸能元件自身的固有特性，所以通過非線性有限元分析方法進(jìn)行數(shù)值仿真求解或者實驗?zāi)軌虻玫轿茉淖矒袅σ粵_程圖；軌道車輛各車廂之間的能量吸收裝置是由各種吸能元件共同組成的，根據(jù)吸能元件及其串/并聯(lián)吸能特性確定頭車及其它車之間能量吸收裝置的等效總剛度，是多體動力學(xué)和非線性有限元兩者結(jié)合起來進(jìn)行整車碰撞仿真研究的關(guān)鍵點(diǎn)所在。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，吸能元件及其串/并聯(lián)吸能特性符合下列原則撞擊吸能元件的剛性質(zhì)量塊和吸能元件的質(zhì)量比對撞擊力沒有影響，撞擊力基本上不隨質(zhì)量比的改變而改變。這一性質(zhì)類似非線性彈簧， 剛度的大小由吸能元件本身的幾何特性和材料特性決定，而與所承受的載荷無關(guān)。同時撞擊力隨速度的增加而小幅增大，但總的來說，速度的影響不大。吸能元件并聯(lián)時，只要它們的變形不耦合，并聯(lián)后的剛度大小為各吸能元件原有撞擊力相加，沖程不變。吸能元件串聯(lián)時，串聯(lián)后的剛度大小為各吸能元件原有沖程相加，撞擊力保持各吸能元件原有大小。即非線性彈簧具有線性彈簧相同的串、并聯(lián)特性。根據(jù)上述準(zhǔn)則即可確定各類軌道車輛的能量吸收裝置剛度的參數(shù)化運(yùn)行過程函數(shù)，下面以圖1所示的軌道車輛能量吸收裝置為例，來說明如何根據(jù)上述準(zhǔn)則確定其剛度的參數(shù)化運(yùn)行過程函數(shù)。
整車碰撞改進(jìn)方案其特征在于，頭車前端設(shè)有車鉤緩沖裝置(包括緩沖器，壓潰管和車鉤剪切螺栓)，并且頭車車體底架前端設(shè)有吸能防爬器。列車在非正常狀況下，車鉤緩沖裝置受到的縱向載荷超過壓潰管觸發(fā)力時，壓潰管按照設(shè)計的變形模式，以穩(wěn)定的阻抗力發(fā)生塑性變形，最大限度吸收沖擊能量，當(dāng)相聯(lián)掛車鉤壓潰管不再吸收能量，沖擊力傳遞到車鉤座上，車鉤座上的剪切螺栓在此力作用下被剪斷，車體端部吸能防爬器接觸，兩對防爬器上齒形槽交疊而相互嚙合在一起，使防爬器后面的吸能元件僅受到縱向沖擊而發(fā)生有序疊縮塑性變形繼續(xù)吸收沖擊能量，如圖1所示。其它車采用和頭車相同的防撞原理，不同之處在于頭車在整個車緩裝置失效從安裝螺栓上退出后，兩車防爬器開始接觸，而其它車在車鉤壓潰管工作到中途時，吸能防爬器就開始接觸，考慮車體的最大承載能力，其它車之間只有一對防爬器。下面以頭車為例，說明兩列整車互撞時兩頭車之間的能量吸收裝置的剛度計算過程單個車鉤緩沖裝置可以看成變剛度彈簧，如圖2所示，忽略車鉤聯(lián)接頭的質(zhì)量，兩
個頭車之間的車鉤緩沖裝置相當(dāng)兩個變剛度彈簧的串聯(lián)，兩彈簧串聯(lián)的等效剛度k為 T k·, k, k·, k,k=jXk~2=i=i式中Ic1和1 分別為兩個頭車的車鉤緩沖裝置的剛度系數(shù)，這里Ic1和1 相同進(jìn)行分段求解，分成斜線段和直線段，直線段可認(rèn)為是剛度系數(shù)為0，算得兩頭車之間車鉤緩沖裝置的等效剛度(撞擊力-沖程圖)如圖3所示。在整個車鉤緩沖裝置失效從安裝螺栓上退出后，兩頭車防爬器開始接觸，吸能防爬器上的吸能元件接著吸能，頭車采用兩對防爬器，相當(dāng)兩個變剛度彈簧并聯(lián)，其剛度系數(shù)為k = k3+k4式中k3和k4分別為兩個頭車防爬器上吸能元件的剛度系數(shù)，這里k3和k4相同，兩頭車之間能量吸收裝置最后的剛度(撞擊力-沖程圖)如圖4所示。如圖5所示的含有6節(jié)車廂的碰撞系統(tǒng)，其碰撞仿真方法包括如下步驟步驟1，確定整車各吸能元件的撞擊力-沖程圖，確定各車廂之間能量吸收裝置的等效總剛度，所述能量吸收裝置包括多個吸能元件，具體包括如下步驟步驟1-1，鑒于撞擊力一沖程是吸能元件的固有特性，通過非線性有限元分析方法進(jìn)行數(shù)值仿真求解或者實驗得到吸能元件的撞擊力一沖程圖；步驟1-2，確定能量吸收裝置的等效總剛度若吸能元件并聯(lián)，且各吸能元件的變形不耦合，并聯(lián)后的剛度大小為各吸能元件原有撞擊力相加，沖程不變；若吸能元件串聯(lián)， 串聯(lián)后的剛度大小為各吸能元件原有沖程相加，撞擊力不變；步驟2，完成各車廂之間能量吸收裝置等效剛度的求解后，建立整車碰撞振動系統(tǒng)的力學(xué)模型，考察圖5所示的多自由度系統(tǒng)，用U1,…，U6的6個坐標(biāo)來描述車廂Hi1,…，m6 從靜平衡位置算起的位移，…，f6是作用在車體Hi1,…，m6上的摩擦力，F(xiàn)1(Au)J2(Au) 是頭車和其它車的能量吸收裝置的等效作用力，對6節(jié)車廂分別取分離體如圖5所示，基于 Newton第二定律建立6節(jié)車廂的運(yùn)動微分方程Iii1U1 = F2 (U2-U1) -F1 (U1)m2ii2 = F2 (u3_u2) -F2 (U2-U1) +f2
M、K分別為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣，=
為系統(tǒng)的位移向量，
權(quán)利要求
1. 一種基于參數(shù)化設(shè)計的整車碰撞仿真方法，其特征在于包括如下步驟 步驟1，確定整車各吸能元件的撞擊力-沖程圖，確定各車廂之間能量吸收裝置的等效總剛度，所述能量吸收裝置包括多個吸能元件，具體步驟如下步驟1-1，采用非線性有限元分析方法進(jìn)行數(shù)值仿真求解或者實驗得到吸能元件的撞擊力--沖程圖；步驟1-2，確定能量吸收裝置的等效總剛度當(dāng)吸能元件并聯(lián)時，且各吸能元件的變形不耦合，并聯(lián)后的剛度大小為各吸能元件原有撞擊力相加，沖程不變；當(dāng)吸能元件串聯(lián)時，串聯(lián)后的剛度大小為各吸能元件原有沖程相加，撞擊力不變； 步驟2，定義整車碰撞力學(xué)模型，用U1，…，uN的N個坐標(biāo)來描述車廂Hi1，…，mN從靜平衡位置算起的位移，…，fN是作用在車體Hi1,…，mN上的摩擦力，N為總車廂數(shù)，F(xiàn)1 (u)，…， Fn(u)是頭車和其它車的能量吸收裝置的等效作用力，按Newton第二定律寫出N節(jié)車廂的運(yùn)動微分方程iii1u1 = F2 (u2-u1) -F1 (u1) +fi Iii2U2 = F2 (u3-u2) -F2 (u2-u1) +f2%-l^N-l — F2 (UN_UN-1) "^2 (UN-l_UN-2) +『N-lmNUN = -F2 (Un-Uim) +fN其中，U1(O) = u10,…，uN(0) = uN0, U1(O) = ν),···, Ν(0) = ΝΟ ；U1(O),…，uN(0)、(0)，-_，‘(0)分別為系統(tǒng)中各車廂的初始位移和初始速度； 步驟3，利用多體動力學(xué)軟件對步驟2得到的整車碰撞力學(xué)模型進(jìn)行基于參數(shù)化設(shè)計的數(shù)值仿真求解，具體步驟如下步驟3-1，引入設(shè)計變量表示各吸能元件的撞擊力和沖程，建立頭車與其它車能量吸收裝置剛度的STEP運(yùn)行過程函數(shù)；所述頭車的STEP運(yùn)行過程函數(shù)為step(-TL，0，0，2*DV_2/DV_1，DV_2)+step(-TL,2*DV_2/DV_1+2*DV_3,0,2*DV_2/ DV_l+2*DV_3+0. 0001，2*DV_4-DV_2)； 所述其它車的STEP運(yùn)行過程函數(shù)為step (-HL,0,0,2*DV_6/DV_5, DV_6)+step(-HL，2*DV_6/DV_5 + 2*DV_9 , 0, 2*DV_6/DV_5+2*DV_9+0. 0001，DV_8)+step (-HL,2*DV_6/DV_5+2*DV_7, 0, 2*DV_6/ DV_5+2*DV_7+0. 0001，-DV_6)；其中，TL為頭車能量吸收裝置壓潰距離，HL為其它車能量吸收裝置壓潰距離，DV_1為頭車緩沖器剛度，DV_2為頭車壓潰管撞擊力，DV_3為頭車壓潰管沖程，DV_4為頭車吸能元件撞擊力，DV_5為其它車緩沖器剛度，DV_6為其它車壓潰管撞擊力，DV_7為其它車壓潰管沖程，DV_8為其它車吸能元件撞擊力，DV_9為其它車壓潰管并聯(lián)吸能元件的沖程；步驟3-2，設(shè)車廂之間能量吸收裝置的單作用力函數(shù)為IF (相對速度+0. 001 =STEP運(yùn)行過程函數(shù)，STEP運(yùn)行過程函數(shù)，STEP (相對速度，-0. 001，STEP運(yùn)行過程函數(shù)，0，0))，該表達(dá)式即為F1 ( Δ u)、F2 ( Δ u)的力學(xué)機(jī)理表達(dá)式，頭車和其它車運(yùn)行過程函數(shù)不同，建立步驟 2所述運(yùn)動微分方程的仿真模型；步驟3-3，分別對步驟3-1所述的各設(shè)計變量在其取值范圍內(nèi)取若干數(shù)值進(jìn)行仿真分析，獲得各車廂能量吸收裝置壓潰沖程的變化對吸能元件撞擊力、沖程等參數(shù)變化的敏感程度；步驟3-4，結(jié)合列車車體的承載能力以及優(yōu)化條件，對敏感程度大的設(shè)計變量做參數(shù)優(yōu)化分析，設(shè)定設(shè)計變量的變化范圍以及整車碰撞力學(xué)模型的約束條件，求解步驟2建立的微分方程組，得到滿足約束條件的吸能元件撞擊力和沖程最佳值；所述參數(shù)優(yōu)化分析的優(yōu)化目標(biāo)為第二節(jié)車廂的能量吸收裝置壓潰沖程的模值最大； 所述約束條件指頭車和第二節(jié)車廂能量吸收裝置壓潰沖程的模值小于頭車和第二節(jié)車廂能量吸收裝置的最大安全壓潰沖程的模值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于參數(shù)化設(shè)計的軌道車輛整車碰撞仿真方法，其特征在于所述整車中各吸能元件的撞擊力指平均撞擊力。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于參數(shù)化設(shè)計的整車碰撞仿真方法，屬于非線性有限元和非線性多體動力學(xué)領(lǐng)域。本方法用非線性有限元軟件算出各吸能元件的撞擊力-沖程，根據(jù)吸能元件串/并聯(lián)吸能特性確定各車廂之間能量吸收裝置的等效總剛度，然后建立了基于參數(shù)化設(shè)計的整車碰撞動態(tài)性能分析模型，結(jié)合約束條件得到吸能元件吸能特性的最佳組合，從而得到整車碰撞中各車廂的運(yùn)動和縱向載荷的最佳值。本方法將非線性有限元和非線性多體動力學(xué)兩者結(jié)合起來進(jìn)行整車碰撞仿真研究，建立的模型模擬了材料的非線性和彈塑性變形，同時將頭車的碰撞仿真分析擴(kuò)展到整車。
文檔編號G06F17/50GK102339350SQ201110275498
公開日2012年2月1日 申請日期2011年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月16日
發(fā)明者晉萍, 聶宏 申請人:南京航空航天大學(xué)