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1. WO2020135424 - METHOD FOR CONSTRUCTING EQUIVALENT SCALED-DOWN TRAIN MODEL AND DEVICE FOR ACQUIRING EQUIVALENT SCALED-DOWN TRAIN

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说明书

发明名称 0001   0002   0003   0004   0005   0006   0007   0008   0009   0010   0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060   0061   0062   0063   0064   0065   0066   0067   0068   0069   0070   0071   0072   0073   0074   0075   0076   0077   0078   0079   0080   0081   0082   0083   0084   0085   0086   0087   0088   0089   0090   0091   0092   0093   0094   0095   0096   0097   0098   0099   0100   0101   0102   0103   0104   0105   0106   0107   0108   0109   0110   0111   0112   0113   0114   0115   0116   0117   0118   0119  

权利要求书

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10  

附图

1   2   3   4   5     6     7     8  

说明书

发明名称 : 一种列车等效缩模构建方法及列车等效缩小设备

技术领域

[0001]
本发明属于车辆技术领域,具体涉及一种列车等效缩模构建方法及列车等效缩小设备。

背景技术

[0002]
列车碰撞事故造成的重大人员伤亡触目惊心。与汽车、船舶等交通工具单体撞击不同,列车由多节车辆编组而成,质量大,运行速度高,冲击动能远远高于汽车碰撞。列车撞击过程中既有单节车的撞击破坏问题,又有各车辆之间的耦合互撞等问题。由于碰撞时车辆间耦合作用,碰撞行为演化过程复杂多变,采用数值计算仿真方法,难以精确模拟列车—线路—运行环境构成的非线性系统所产生的复杂动态响应;采用全尺寸车辆实物碰撞及整列车多体碰撞试验费用巨大,因此,采用列车小尺度等效模型,研究车辆或整列车碰撞力学行为,获取和优化列车碰撞吸能参数方法,是研制耐冲击吸能列车的重要手段。
[0003]
针对现有的列车小尺度等效模型,中南大学姚曙光等人提出了“一种列车等效缩比模型碰撞试验装置及方法”,该装置包括控制系统、测力墙、列车等效缩比模型、驱动车、驱动车发射系统;试验方法包括将运动等效缩比模型撞击测力墙或静止等效缩比模型,通过开展试验,精确确定影响爬车、跳车、之字形脱轨等成因,降低试验难度,节约试验成本。但是其为给出列车等效缩模的具体构建方法;此外,中南大学高广军等人提出了“用于碰撞实验的列车缩比等效模型构建方法及其系统”,基于缩比模型和实际列车撞击加速度一致性原则,在不考虑阻尼的情况下对动力学方程进行积分换算得到列车质量与撞击力缩比比例因子以及列车速度与时间的缩比比例因子,根据比例因子制定缩比准则,从而构建缩比模型,缩比车体选用强度高于吸能结构的质量块制作,缩比吸能结构选用蜂窝铝或者泡沫铝制作。然而,其缩比车体选用强度高于吸能结构的质量块制作,导致列车重心改变以及导致缩比车体质量过大,难以满足缩比准则;且质量块车体相对于原车体薄壁结构增加了列车刚度,缩比车体内部结构与实际列车有较大差异,无法保证车体刚度相似,易导致车体动力学响应规律不一致,难以精确模拟列车碰撞动力学响应,无法真实还原列车碰撞过程;此外,未考虑车体外观的相似性,缩比车体和原车体外观相差较大,得到的缩模还需要进一步改善。
[0004]
发明内容
[0005]
本发明的目的是提供一种列车等效缩模构建方法及列车等效缩小设备,其将列车分为头车和中间车,再将头车分为变形吸能区和非变形区,进而分别进行分区设计。针对变形吸能区的车钩压溃管和主吸能装置采用撞击力等效缩比,针对非变形区和中间车的承载特性采用 刚度等效缩比,建立的列车头车等效缩模既满足动力学特性相似关系,也满足结构相似性,能保证列车撞击力和车体刚度相似,精确还原列车碰撞过程,得到可靠度更高的列车头车缩模。此外,本发明设置的吸能导向件在车体碰撞过程中,吸能件被压缩吸能撞击能量,同时依托导向杆可以进一步保证相邻车体在碰撞过程中不会分离,更接近实际车钩结构,兼备良好的吸能特征和导向性。
[0006]
一方面,本发明提供的一种列车等效缩模构建方法,包括如下步骤:
[0007]
S1:获取列车等效缩模相比于全尺寸列车的各个动力学参数的比例因子;
[0008]
其中,所述动力学参数的比例因子类型至少包括力比例因子、位移比例因子、尺寸比例因子、刚度比例因子和质量比例因子;
[0009]
S2:依据列车碰撞过程中的变形吸能特征将列车分为头车和中间车以及将头车划分为变形吸能区和非变形区;
[0010]
其中,变形吸能区包括头车吸能装置和司机室,所述头车吸能装置包括车钩缓冲器、车钩压溃管、主吸能装置,所述非变形区为头车的载人区;
[0011]
S3:基于动力学参数的比例因子对列车等效缩模的头车、中间车分别进行构建;
[0012]
a:基于尺寸比例因子和质量比例因子将全尺寸列车中车钩缓冲器、司机室、非变形区以及各个中间车的特征尺寸和质量分别乘以对应的尺寸比例因子、质量比例因子得到列车等效缩模中车钩缓冲器、司机室、非变形区、各个中间车相匹配的特征尺寸和质量;
[0013]
其中,特征尺寸包括长、宽、高、厚度;
[0014]
b:将全尺寸列车的变形吸能特性曲线上横、纵坐标分别乘以相匹配的动力学参数的比例因子得到列车等效缩模的变形吸能特性曲线,再基于列车等效缩模的变形吸能特性曲线以及尺寸比例因子构建头车中的车钩压溃管和主吸能装置;
[0015]
其中,变形吸能特性曲线为压缩位移与撞击力的关系曲线,曲线包围的面积为吸能量;
[0016]
c:基于刚度比例因子将全尺寸列车中非变形区以及各个中间车的刚度乘以刚度比例因子得到列车等效缩模中相对应非变形区、中间车的刚度;再在列车等效缩的非变形区、各个中间车上排布加强筋直至分别达到对应刚度;
[0017]
S4:依据全尺寸列车上相邻车厢间的连接车钩的结构尺寸以及变形吸能特性构建列车等效缩模上相邻车厢间的吸能导向件;
[0018]
所述吸能导向件连接列车等效缩模上相邻的两个车厢,所述吸能导向件包括吸能件以及导向杆,所述吸能件中部开通孔,所述导向杆贯穿吸能件中部通孔且导向杆两端分别固定在相邻的两节车厢上。
[0019]
本发明根据列车结构特点以及碰撞过程中的变化,即存在变形吸能区和非变形区、中间 车以及变形吸能区中分为车钩缓冲器、车钩压溃管、主吸能装置、司机室四个阶段的变形,因此本发明将列车分为头车和中间车,头车又划分为变形吸能区和非变形区,针对变形吸能区的吸能特性采用撞击力等效缩比,即针对车钩压溃管和主吸能装置采用吸能特性曲线来设计相关尺寸,这是基于变形吸能区的主要功能是通过塑性变形来吸收碰撞能量,要求撞击力平稳以实现有序变形,因此采用撞击力等效;针对非变形区和中间车的承载特性采用刚度等效缩比,这是基于非变形区和中间车主要功能是承载,其要求刚度高以实现碰撞过程中不发生变形,因此采用刚度等效,本发明通过列车各部分的实际需求与应用,分区进行设计,建立的列车等效缩模既满足动力学特性相似关系,也满足结构相似性,能保证列车撞击力和车体刚度相似,精确还原列车碰撞过程。
[0020]
尤其是,本发明设计了一种吸能导向件,其包括吸能件以及导向杆,基于车体在碰撞过程中,会有横向和垂向的偏移,而实际列车的车钩具有防偏特性,本发明的导向杆两端分别固定在相邻的车厢上,在车体碰撞过程中,能有效抑制车体的横向和垂向偏移,同样具有防偏特性,更接近实际列车的车钩结构,使得在碰撞过程中车体尽量沿着长度方向运动,在车体运动方面上起到了车钩相同的导向作用。
[0021]
具体的,本发明针对变形吸能区中的车钩缓冲器、车钩压溃管、主吸能装置、司机室分别进行了设计,使头车缩模中各个部分的内部结构与实际列车内部结构更加贴合。
[0022]
进一步优选,所述连接车钩中吸能部件包括连接缓冲器和连接压溃管,所述吸能导向件中吸能件包括连接缓冲器模拟件、连接压溃管模拟件;所述连接缓冲器模拟件和连接压溃管模拟件的构建过程如下:
[0023]
将全尺寸列车中连接缓冲器的特征尺寸乘以尺寸比例因子得到列车等效缩模中连接缓冲器模拟件的特征尺寸;
[0024]
将全尺寸列车中连接压溃管的变形吸能特性曲线的横、纵坐标分别乘以相匹配的动力学参数的比例因子得到吸能导向件中连接压溃管模拟件的变形吸能特性曲线,并获取连接压溃管模拟件的撞击力;再根据连接压溃管模拟件的撞击力计算出连接压溃管模拟件的截面面积;
[0025]
其中,撞击力等于元件强度与截面面积的乘积;
[0026]
以及将全尺寸列车中连接压溃管的长度乘以尺寸比例因子得到列车等效缩模中连接压溃管模拟件的长度。
[0027]
所述连接缓冲器模拟件为橡胶模拟件,所述连接压溃管模拟件为蜂窝铝模拟件,所述连接缓冲器模拟件和连接压溃管模拟件均为圆柱体状。基于撞击力等效缩比来设计吸能件中连接压溃管模拟件的截面尺寸,以保证撞击力等效,其中,连接压溃管的变形吸能特性曲线为一条直线,即撞击力恒定。连接压溃管模拟件的截面面积等于圆柱体截面面积减去导向杆的 截面面积。
[0028]
进一步优选,所述基于列车等效缩模的变形吸能特性曲线以及尺寸比例因子构建头车中的车钩压溃管和主吸能装置的过程包括:
[0029]
将全尺寸列车头车中车钩压溃管、主吸能装置的长度分别乘以尺寸比例因子得到列车等效缩模头车中车钩压溃管、主吸能装置的长度;
[0030]
将头车缩模的变形吸能特性曲线上车钩压溃管对应的撞击力、主吸能装置对应的撞击力分别计算头车缩模上车钩压溃管、主吸能装置的横截面积;
[0031]
其中,撞击力等于元件强度与截面面积的乘积。
[0032]
进一步优选,S1中获取比例因子过程为:基于薄壁板壳的动力平衡方程采用相似理论和方程分析法得到头车缩模的动力学参数的比例因子;
[0033]
其中,列车头车采用薄壁板壳结构。
[0034]
进一步优选,所述动力学参数的比例因子还包括时间比例因子、速度比例因子、加速度比例因子、能量比例因子;
[0035]
其中,各类动力学参数的比例因子的关系如下:
[0036]
λ l=λ、λ F=λ 2、λ t=λ、λ v=1、λ a=λ -1、λ m=λ 3、λ k=λ、λ E=λ 3
[0037]
式中,λ为尺寸比例因子,λ F、λ t、λ v、λ a、λ m、λ k、λ E分别为力比例因子、时间比例因子、速度比例因子、加速度比例因子、质量比例因子、刚度比例因子、能量比例因子。
[0038]
本发明考虑到列车主要为薄壁铝合金结构,因此本发明针对薄壁板壳分析其动力学特性的相似关系,使得到的列车缩模与实际列车更加相匹配,得到的比例因子的可靠性也更高。
[0039]
针对薄壁板壳分析其动力学特性的相似关系。弹性薄板的动力平衡方程为下述公式(1)
[0040]
[0041]
其中,w为弹性薄板的挠度,h为弹性薄板的厚度,ρ为材料的密度,D为弹性薄板的抗弯刚度,E为弹性模量,μ为泊松比,t是时间,x,y分别为坐标方向,其中,弹性薄板的抗弯刚度D如下:
[0042]
[0043]
设表示薄板振动形状的振型函数为W(x,y),薄板挠度表示为如下公式(2)
[0044]
w=[Acos(ωt)+Bsin(ωt)]W(x,y) (2)
[0045]
其中,A,B为待定系数,ω是弹性薄板的固有频率。将式(2)代入式(1)得
[0046]
[0047]
考虑到全尺寸原型和缩模均满足式(3),有
[0048]
[0049]
其中下标p和m分别表示全尺寸列车头车和头车缩模。
[0050]
令全尺寸原型和缩模具有相同的边界条件,则不论缩模结构是否发生畸变,原型和缩模的边界条件方程一致,可不作特别的考虑,此时振型函数W(x,y)的比例因子仅与尺寸比例因子有关。引入相似关系:D p=λ DD m,W p=λ WW m,x p=λ xx m,y p=λ yy m,ρ p=λ ρρ m,h p=λ hh m,ω p=λ ωω m,其中D p、D m分别为全尺寸列车头车和头车缩模中薄壁结构的抗弯刚度,W p、W m分别为全尺寸列车头车和头车缩模中薄壁结构的振型函数,x p、x m分别为全尺寸列车头车和头车缩模中薄壁结构在x方向上的尺寸,y p、y m分别为全尺寸列车头车和头车缩模中薄壁结构在y方向上的尺寸,ρ p、ρ m分别为全尺寸列车头车和头车缩模中薄壁结构的材料密度,h p、h m分别为全尺寸列车头车和头车缩模中薄壁结构的厚度,ω p、ω m分别为全尺寸列车头车和头车缩模中薄壁结构的固有频率,λ D,λ W,λ x,λ y,λ ρ,λ h,λ ω分别为抗弯刚度比例因子、振型函数比例因子、x方向尺寸比例因子、y方向尺寸比例因子、材料密度比例因子、厚度比例因子、固有频率比例因子。
[0051]
基于此,由公式(4)得到:
[0052]
[0053]
假设薄板x方向上的几何特征为长度a,y方向上的几何特征为长度b,则式(5)可以写成:
[0054]
[0055]
其中λ a、λ b分别为长度a和长度b的比例因子。由方程分析法可知,式(6)中各项比例 因子对应相等,得
[0056]
[0057]
由于
[0058]
在列车头车缩模过程中,尺寸比例因子为λ,材料特性不变,即有λ a=λ b=λ h=λ,λ E=λ μ=λ ρ=1,因此根据公式(7)得到弹性薄板的固有频率λ ω的比例因子为1/λ,则时间比例因子
[0059]
在列车碰撞研究中,主要考虑的动力学参数是车体刚度、变形量、撞击速度、加速度、撞击力和吸能量,其余物理参数对列车动力学响应特性的影响很小,可以不作考虑。根据尺寸比例因子和时间比例因子可以获得其他动力学参数的比例因子,如表1所示,其中速度比例因子 加速度比例因子 质量比例因子 力比例因子λ F=λ mλ a=λ 2,刚度比例因子 能量比例因子λ E=λ Fλ l=λ 3
[0060]
表1列车等效缩模动力学参数比例因子
[0061]
[0062]
进一步优选,所述列车等效缩模的车体由方管拼接构成,所述方管中空。
[0063]
车体由若干小方管拼接而成,相较于高广军中选用强度高于吸能结构的质量块制作,现有技术会导致缩比车体质量过大,难以满足缩比准则,而本方案可以大大减轻车体重量,易满足等效准则。同时可以避免了现有技术中因质量块而导致的刚度问题。
[0064]
进一步优选,所述车钩压溃管采用圆柱形蜂窝铝;所述主吸能装置采用长方体形蜂窝铝,所述缓冲器采用橡胶模拟缓冲器。
[0065]
进一步优选,所述列车等效缩模中的可变形区采用3D打印方式生成。
[0066]
由于可变形区的结构复杂,因为为了有效地还原列车外形,选用3D打印。
[0067]
进一步优选,所述列车等效缩模的车体为铝合金车体。
[0068]
一种基于上述方法的列车等效缩小设备,包括头车和中间车,其中,头车划分为变形吸能区和非变形区,相邻车厢之间设有吸能导向件;
[0069]
所述变形吸能区包括头车吸能装置和司机室,所述头车吸能装置包括车钩缓冲器、车钩压溃管、主吸能装置;
[0070]
其中,所述车钩缓冲器为橡胶模拟缓冲器,所述车钩压溃管为圆柱形蜂窝铝;所述主吸能装置为长方体形蜂窝铝;
[0071]
所述吸能导向件连接列车等效缩小设备上相邻的两个车厢,所述吸能导向件包括吸能件以及导向杆,所述吸能件中部开通孔,所述导向杆贯穿吸能件中部通孔且导向杆两端分别固定在相邻的两节车厢上。

有益效果

[0072]
1、本发明根据列车结构特点以及碰撞过程中的变化,即存在变形吸能区和非变形区、中间车以及变形吸能区中分为车钩缓冲器、车钩压溃管、主吸能装置、司机室四个阶段的变形,因此本发明将列车分为头车和中间车,头车又划分为变形吸能区和非变形区,针对变形吸能区的吸能特性采用撞击力等效缩比,即针对车钩压溃管和主吸能装置采用吸能特性曲线来设计相关尺寸,这是基于变形吸能区的主要功能是通过塑性变形来吸收碰撞能量,要求撞击力平稳以实现有序变形,因此采用撞击力等效;针对非变形区和中间车的承载特性采用刚度等效缩比,这是基于非变形区和中间车主要功能是承载,其要求刚度高以实现碰撞过程中不发生变形,因此采用刚度等效,本发明通过列车各部分的实际需求与应用,分区进行设计,建立的列车等效缩模既满足动力学特性相似关系,也满足结构相似性,能保证列车撞击力和车体刚度相似,精确还原列车碰撞过程。
[0073]
2、本发明设计了一种吸能导向件,其包括蜂窝铝圆柱体以及导向杆,一方面基于撞击力等效缩比来设计蜂窝铝圆柱体的尺寸,用蜂窝铝的连接压溃管模拟件和橡胶的连接缓冲器模拟件来模拟列车实际碰撞过程中连接车钩的吸能特性;另一方面,基于车体在碰撞过程中,会有横向和垂向的偏移,而实际列车的车钩具有防偏特性,本发明的导向杆两端分别固定在相邻的车厢上,在车体碰撞过程中,能有效抑制车体的横向和垂向偏移,同样具有防偏特性,更接近实际列车的车钩结构,使得在碰撞过程中车体尽量沿着长度方向运动,在车体运动方面上起到了车钩相同的导向作用。
[0074]
3、本发明考虑到列车主要为薄壁铝合金结构,因此,本发明推到了薄壁板壳动力学参数的比例因子,更适用于车体为薄壁铝合金结构的高速列车缩比。
[0075]
4、本发明采用中空的方管拼接构成车体,其大大减轻了车体重量,易满足等效原则,尤其是相较于高广军方案中选用质量块制作车体,既解决了缩比车体质量过大的问题,同时还能有效地避免因质量块而增加列车刚度,导致缩比车体内部结构与实际列车差异较大,车体动力学响应不一致的问题,本发明通过方管制作以及在车体上布置加强筋,使得等效模型满足刚度等效,列车等效缩模内部结构与实际列车更接近。
[0076]
5、高广军方案中未考虑车体外观的相似性,缩比车体和原车体外观相差较大。本发明将列车头车分为可变形区和载客区,可变形区采用3D打印的加工方法,载客区形状较为规则,基于等效模型设计准则,建立载客区等效模型,最终将等效模型可变形区和载客区焊接,完成列车头车小尺度等效模型,列车中间车形状规则,基于等效模型设计准则,建立中间车等效模型,列车等效缩模外观与实际列车高度相似。

附图说明

[0077]
图1是本发明提供的一种列车等效缩模构建方法的流程图;
[0078]
图2是本发明提供的列车等效缩模中头车的示意图;
[0079]
图3是本发明提供的列车等效缩模中中间车的示意图;
[0080]
图4是本发明提供的加强筋的两个示意图;
[0081]
图5是本发明提供的吸能导向件两个不同角度的示意图;
[0082]
图6是全尺寸头车仿真结果与还原后的头车等效模型仿真结果对比分析图;其中,(a)图为撞击力-时间曲线图,(b)图为加速度-时间曲线图,(c)图为头车吸能装置压缩行程-时间曲线图;
[0083]
图7是全尺寸次节车仿真结果与还原后的次节车等效模型仿真结果对比分析图;(a)图为撞击力-时间曲线图,(b)图为加速度-时间曲线图,(c)图为连接车钩压缩行程-时间曲线图;
[0084]
图8全尺寸列车仿真与列车小尺度等效模型仿真得到的各车体能量分配结果对比分析图,(a)图为全尺寸列车,(b)图为列车等效缩模,(c)图为车体能量分配对比图。

具体实施方式

[0085]
下面将结合实施例对本发明做进一步的说明。
[0086]
如图1所示,本发明提供的一种列车等效缩模构建方法主要包括以下四个方面:
[0087]
一、动力学参数的比例因子推导;
[0088]
二、列车分区设计;
[0089]
三、有效性验证。
[0090]
一、关于动力学参数的比例因子推导:本发明考虑到列车为薄壁铝合金结构,因此针对薄壁板壳分析其动力学特性的相似关系,即基于薄壁板壳的动力平衡方程采用相似理论和方程分析法得到头车缩模的动力学参数的比例因子。得到的比例因子如上表1所示。本处不再赘述。
[0091]
二、关于列车分区设计,本发明根据列车结构将列车划分为头车和中间车。
[0092]
头车分区设计:列车撞击过程分为两个阶段,第一阶段是变形吸能阶段,由列车端部的吸能装置和司机室分级压缩,吸收碰撞能量;第二阶段是承载阶段,由列车载人区承载,车体不发生变形。因此,如图2所示,将列车头车结构进行分区,变形吸能区包括头车吸能装置和司机室,非变形区为载人区。头车吸能装置包括车钩缓冲器、车钩压溃管、主吸能装置。
[0093]
(1)对变形吸能区进行设计:
[0094]
首先,将全尺寸列车头车的变形吸能特性曲线上横、纵坐标分别乘以相匹配的动力学参数的比例因子得到头车缩模的变形吸能特性曲线。
[0095]
其中,变形吸能特性曲线的横坐标为压缩位移,纵坐标为撞击力,曲线所包围的面积为吸能量。该头车的曲线描述了列车碰撞时吸能变形区的压缩阶段,首先车钩缓冲器压缩,起到缓冲作用,即随压缩位移的增加,撞击力增大;然后车钩压溃管、主吸能和司机室依次压缩变形,其中,车钩压溃管、主吸能的压缩阶段,视其分别对应的撞击力在各自阶段是保持不变。把全尺寸头车变形吸能特性曲线的纵坐标乘以撞击力比例因子λ F、横坐标乘以位移比例因子λ l,获得头车缩模的变形吸能特性曲线,其中包括车钩压溃管压缩平台力F 1m、主吸能压缩平台力F 2m
[0096]
然后基于头车缩模的变形吸能特性曲线以及尺寸比例因子设计头车缩模的变形吸能区中车钩缓冲器、车钩压溃管、主吸能装置和司机室的尺寸。
[0097]
关于车钩缓冲器:将全尺寸列车头车上车钩缓冲器的特征尺寸乘以尺寸比例因子得到头车缩模上车钩缓冲器的对应特征尺寸;将全尺寸列车头车上车钩缓冲器的质量乘以质量比例因子得到头车缩模上车钩缓冲器的对应质量。此外,实际列车常选用橡胶缓冲器,故列车头车缩模中采用橡胶模拟车钩缓冲器。关于车钩压溃管:一方面依据头车缩模的变形吸能特性曲线上车钩压溃管对应的压缩平台力F 1m设计头车缩模上车钩压溃管的横截面积;
[0098]
其中,采用圆柱形蜂窝铝模拟车钩压溃管,蜂窝铝的压强乘以横截面积为压缩平台力, 通过选用不同强度的蜂窝铝和改变蜂窝铝的横截面积可以获得对应的车钩压溃管压缩平台力F 1m
[0099]
二方面将全尺寸列车上车钩压溃管的长度乘以尺寸比例因子得到头车缩模上车钩压溃管的设计长度。
[0100]
关于主吸能装置:一方面,依据头车缩模的变形吸能特性曲线上主吸能装置对应的压缩平台力F 2m设计头车缩模上主吸能装置的横截面积。
[0101]
其中,采用长方体形蜂窝铝模拟主吸能装置,蜂窝铝的压强乘以横截面积为压缩平台力,通过选用不同强度的蜂窝铝和改变蜂窝铝的横截面积可以获得对应的车钩压溃管的压缩平台力F 2m
[0102]
二方面,将全尺寸列车上主吸能装置的长度乘以尺寸比例因子得到头车缩模上主吸能装置的设计长度。
[0103]
关于司机室:将全尺寸列车头车上司机室的特征尺寸乘以尺寸比例因子得到头车缩模上司机室的对应特征尺寸(包括长、宽、高、厚度)。将全尺寸列车头车上司机室质量乘以质量比例因子得到头车缩模上司机室的对应质量。
[0104]
本实施例中优选采用3D打印的方式生成可变形区,其采用3D打印的方式生成头车吸能装置和司机室,使其外表更接近实际列车,尤其是司机室。其中,车体材料选用铝合金方管焊接而成,且可变形区与非变形区通过焊接方式连接。
[0105]
(2)对非变形区和中间车进行设计:
[0106]
关于尺寸等效和质量等效:基于尺寸等效缩比将全尺寸列车头车上非变形区、中间车的特征尺寸乘以尺寸比例因子得到头车缩模上非变形区、中间车的特征尺寸。基于质量等效缩比将全尺寸列车头车上非变形区、中间车的质量乘以质量比例因子得到头车缩模上非变形区、中间车的质量。
[0107]
关于刚度等效:本发明的车体采用中空的方管拼接而成,且优选车体选用铝合金,若直接采用方管焊接会导致列车等效缩模的刚度过小,碰撞过程中车体极易发生弯折,本发明设计了加强筋,加强筋选用铝合金方管弯折而成,相邻加强筋采用铝合金方管焊机,如图4所述。计算表面,增加加强筋结构前列车小尺度等效模型还原后的车体刚度为133kN/mm,远小于列车实际刚度,车体纵向方向平均分布4个加强筋后,列车小尺度等效模型还原后的车体刚度为224kN/mm,原车体刚度为230kN/mm,相对误差为2.6%,通过这种方法增加了等效模型的刚度,该加强筋用于等效模型头车载客区与中间车车体。
[0108]
其中,针对非变形区和中间车,其主要是用于载重功能,因此需要保证其刚度要求。本 发明将非变形区、各个中间车的刚度分别乘以刚度比例因子得到非变形区、各个中间车的刚度;再通过排布加强筋使其分别得到相应刚度。本实施例中优选非变形区、各个中间车上的加强筋是沿着长度方向等间距排布。
[0109]
如图5所示,本发明设计一种吸能导向件来作为相邻车厢之间的连接件。其中,吸能导向件包吸能件以及导向件,吸能件中部开通孔,所述导向杆贯穿吸能件中部通孔且导向杆两端分别固定在相邻的两节车厢上,譬如销固定。
[0110]
实际列车中,相邻两个车厢之间的吸能结构为连接车钩,其中,列车等效缩模中吸能件包括连接缓冲器模拟件、连接压溃管模拟件;连接缓冲器模拟件与连接车钩中连接缓冲器对应,连接压溃管模拟件与连接车钩中的连接压溃管对应。
[0111]
本发明将全尺寸列车中连接缓冲器的特征尺寸乘以尺寸比例因子得到列车等效缩模中连接缓冲器模拟件的特征尺寸;
[0112]
将全尺寸列车中连接压溃管的变形吸能特性曲线的横、纵坐标分别乘以相匹配的动力学参数的比例因子得到吸能导向件中连接压溃管模拟件的变形吸能特性曲线,并获取连接压溃管模拟件的撞击力;再根据连接压溃管模拟件的撞击力计算出连接压溃管模拟件的截面面积;
[0113]
其中,撞击力等于连接压溃管模拟件强度与截面面积的乘积。
[0114]
以及将全尺寸列车中连接压溃管的长度乘以尺寸比例因子得到列车等效缩模中连接压溃管模拟件的长度。
[0115]
需要说明的是,本发明建模过程的相关测试在软件中模拟,譬如有限元分析软件,因此实施之前需要先设定相关碰撞参数,譬如设置头车缩模的加载力等于全尺寸列车头车的加载力乘以力比例因子、头车缩模的碰撞速度等于全尺寸列车头车的碰撞速度乘以速度比例因子、头车缩模的碰撞时间等于全尺寸列车头车的碰撞时间乘以时间比例因子。按照比例因子设置碰撞参数使得碰撞工况等效。
[0116]
三、有效性验证。
[0117]
对全尺寸列车碰撞工况及列车等效缩模碰撞工况进行数值仿真,选择撞击力、撞击加速度、吸能结构压缩行程作为主要对比参数,根据等效模型设计准则,分析等效结果相对于真实结果的有效性。结果表明,全尺寸列车碰撞仿真结果与还原后的等效模型仿真结果相似度较高,相对误差均小于1%。碰撞过程中头车车体撞击力-时间曲线,车体加速度-时间曲线及吸能结构压缩行程-时间曲线吻合较好,车体最大撞击力为2800kN,车体最大加速度为2.9g,吸能结构最大压缩行程为1585mm,如图6所示。碰撞过程中次节车车体撞击力-时间曲线,车体加速度-时间曲线及吸能结构压缩行程-时间曲线吻合较好,车体最大撞击力为4200kN,车体最大加速度为2.7g,吸能结构最大压缩行程为430mm,如图7所示。各车体碰撞后的能 量分配模式如图8所示,其中车辆编号1-8对应头车—尾车编号,列车等效缩模碰撞能量分配模式与全尺寸列车碰撞能量分配规律一致,从头车到尾车,各车体吸能量依次减少,故列车等效缩模可真实反馈全尺寸列车碰撞时的动力学响应特性,其等效模型撞击力、加速度、吸能结构压缩行程及碰撞能量分配规律与全尺寸列车基本一致。
[0118]
综上所述,实际列车车体是铝合金薄壁结构焊接而成,车辆内部是中空的。现有技术“用于碰撞实验的列车缩比等效模型构建方法及其系统”中缩比车体选用强度高于吸能结构的质量块制作,增加了列车刚度,缩比车体内部结构与实际列车有较大差异,车体材料的差异易导致车体动力学响应规律不一致。本发明中车体选用铝合金方管制作,大大减轻了车体重量。实际列车碰撞质量为55吨,本发明中列车等效缩模还原后的碰撞质量为54.3吨,相对误差仅为1.3%,且列车等效缩模内部结构与实际列车内部结构相同,均为中空结构。列车碰撞过程中,列车等效缩模与实际列车撞击力及加速度响应规律一致,相对误差小于0.5%,等效模型与实际列车吸能结构压缩行程相对误差小于0.8%;直接采用方管焊接会导致等效模型刚度过小,碰撞过程中车体极易发生弯折,本发明设计了加强筋结构等效替代原车体中的筋板结构,增加了等效模型的刚度,原车体刚度为230kN/mm,本发明中列车等效缩模还原后的车体刚度为224kN/mm,相对误差为2.6%;相对于现有技术“用于碰撞实验的列车缩比等效模型构建方法及其系统”,本发明将列车头车分为可变形区和载客区,可变形区采用3D打印的加工方法,载客区形状较为规则,基于等效模型设计准则,建立载客区等效模型,最终将等效模型可变形区和载客区焊接,完成列车头车等效模型,外观与原车体高度相似;列车中间车形状规则,基于等效模型设计准则,建立中间车等效模型;实际列车车辆间通过车钩连接,具有较好的吸能特性与导向性,现有技术“用于碰撞实验的列车缩比等效模型构建方法及其系统”仅考虑了吸能结构的吸能特性等效,缩比吸能结构选用蜂窝铝或者泡沫铝,未考虑吸能结构的导向作用,本发明设计了一种铝蜂窝吸能导向结构连接相邻车体,兼备良好的吸能特性与导向性。
[0119]
需要强调的是,本发明所述的实例是说明性的,而不是限定性的,因此本发明不限于具体实施方式中所述的实例,凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式,不脱离本发明宗旨和范围的,不论是修改还是替换,同样属于本发明的保护范围。

权利要求书

[权利要求 1]
一种列车等效缩模构建方法,其特征在于:包括如下步骤: S1:获取列车等效缩模相比于全尺寸列车的各个动力学参数的比例因子; 其中,所述动力学参数的比例因子类型至少包括力比例因子、位移比例因子、尺寸比例因子、刚度比例因子和质量比例因子; S2:依据列车碰撞过程中的变形吸能特征将列车分为头车和中间车以及将头车划分为变形吸能区和非变形区; 其中,变形吸能区包括头车吸能装置和司机室,所述头车吸能装置包括车钩缓冲器、车钩压溃管、主吸能装置,所述非变形区为头车的载人区; S3:基于动力学参数的比例因子对列车等效缩模的头车、中间车分别进行构建; a:基于尺寸比例因子和质量比例因子将全尺寸列车中车钩缓冲器、司机室、非变形区以及各个中间车的特征尺寸和质量分别乘以对应的尺寸比例因子、质量比例因子得到列车等效缩模中车钩缓冲器、司机室、非变形区、各个中间车相匹配的特征尺寸和质量; 其中,特征尺寸包括长、宽、高、厚度; b:将全尺寸列车的变形吸能特性曲线上横、纵坐标分别乘以相匹配的动力学参数的比例因子得到列车等效缩模的变形吸能特性曲线,再基于列车等效缩模的变形吸能特性曲线以及尺寸比例因子构建头车中的车钩压溃管和主吸能装置; 其中,变形吸能特性曲线为压缩位移与撞击力的关系曲线,曲线包围的面积为吸能量; c:基于刚度比例因子将全尺寸列车中非变形区以及各个中间车的刚度乘以刚度比例因子得到列车等效缩模中相对应非变形区、中间车的刚度;再在列车等效缩的非变形区、各个中间车上排布加强筋直至分别达到对应刚度; S4:依据全尺寸列车上相邻车厢间的连接车钩的结构尺寸以及变形吸能特性构建列车等效缩模上相邻车厢间的吸能导向件; 所述吸能导向件连接列车等效缩模上相邻的两个车厢,所述吸能导向件包括吸能件以及导向杆,所述吸能件中部开通孔,所述导向杆贯穿吸能件中部通孔且导向杆两端分别固定在相邻的两节车厢上。
[权利要求 2]
根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述连接车钩中吸能部件包括连接缓冲器和连接压溃管,所述吸能导向件中吸能件包括连接缓冲器模拟件、连接压溃管模拟件;所述连接缓冲器模拟件和连接压溃管模拟件的构建过程如下: 将全尺寸列车中连接缓冲器的特征尺寸乘以尺寸比例因子得到列车等效缩模中连接缓冲器模拟件的特征尺寸; 将全尺寸列车中连接压溃管的变形吸能特性曲线的横、纵坐标分别乘以相匹配的动力学 参数的比例因子得到吸能导向件中连接压溃管模拟件的变形吸能特性曲线,并获取连接压溃管模拟件的撞击力;再根据连接压溃管模拟件的撞击力计算出连接压溃管模拟件的截面面积; 其中,撞击力等于元件强度与截面面积的乘积; 以及将全尺寸列车中连接压溃管的长度乘以尺寸比例因子得到列车等效缩模中连接压溃管模拟件的长度。
[权利要求 3]
根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述基于列车等效缩模的变形吸能特性曲线以及尺寸比例因子构建头车中的车钩压溃管和主吸能装置的过程包括: 将全尺寸列车头车中车钩压溃管、主吸能装置的长度分别乘以尺寸比例因子得到列车等效缩模头车中车钩压溃管、主吸能装置的长度; 将头车缩模的变形吸能特性曲线上车钩压溃管对应的撞击力、主吸能装置对应的撞击力分别计算头车缩模上车钩压溃管、主吸能装置的横截面积; 其中,撞击力等于元件强度与截面面积的乘积。
[权利要求 4]
根据权利要求1所述的方法,其特征在于:S1中获取比例因子过程为:基于薄壁板壳的动力平衡方程采用相似理论和方程分析法得到头车缩模的动力学参数的比例因子; 其中,列车头车采用薄壁板壳结构。
[权利要求 5]
根据权利要求4所述的方法,其特征在于:所述动力学参数的比例因子还包括时间比例因子、速度比例因子、加速度比例因子、能量比例因子; 其中,各类动力学参数的比例因子的关系如下: λ l=λ、λ F=λ 2、λ t=λ、λ v=1、λ a=λ -1、λ m=λ 3、λ k=λ、λ E=λ 3 式中,λ为尺寸比例因子,λ F、λ t、λ v、λ a、λ m、λ k、λ E分别为力比例因子、时间比例因子、速度比例因子、加速度比例因子、质量比例因子、刚度比例因子、能量比例因子。
[权利要求 6]
根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述列车等效缩模的车体由方管拼接构成,所述方管中空。
[权利要求 7]
根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述车钩压溃管采用圆柱形蜂窝铝;所述主吸能装置采用长方体形蜂窝铝,所述车钩缓冲器采用橡胶模拟缓冲器。
[权利要求 8]
根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述列车等效缩模中的可变形区采用3D打印方式生成。
[权利要求 9]
根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述列车等效缩模的车体为铝合金车体。
[权利要求 10]
一种基于权利要求1-9任一项所述方法的列车等效缩小设备,其特征在于:包括头车和中间车,其中,头车划分为变形吸能区和非变形区,相邻车厢之间设有吸能导向件; 所述变形吸能区包括头车吸能装置和司机室,所述头车吸能装置包括车钩缓冲器、车钩压溃管、主吸能装置; 其中,所述车钩缓冲器为橡胶模拟缓冲器,所述车钩压溃管为圆柱形蜂窝铝;所述主吸能装置为长方体形蜂窝铝; 所述吸能导向件连接列车等效缩小设备上相邻的两个车厢,所述吸能导向件包括吸能件以及导向杆,所述吸能件中部开通孔,所述导向杆贯穿吸能件中部通孔且导向杆两端分别固定在相邻的两节车厢上。

附图

[ 图 1]  
[ 图 2]  
[ 图 3]  
[ 图 4]  
[ 图 5]  
[ 图 ]  
[ 图 6]  
[ 图 ]  
[ 图 7]  
[ 图 ]  
[ 图 8]