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1. WO2020135425 - HEAD VEHICLE MINIATURE CONSTRUCTION METHOD BASED ON FORCE AND RIGIDITY EQUIVALENCE AND HEAD VEHICLE MINIATURE

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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   0120   0121   0122   0123   0124   0125   0126   0127   0128   0129   0130   0131   0132   0133   0134  

权利要求书

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10  

附图

1   2   3   4   5   6     7  

说明书

发明名称 : 一种基于力和刚度等效的头车缩模构建方法及头车缩模

技术领域

[0001]
本发明属于车辆技术领域,具体涉及一种基于力和刚度等效的头车缩模构建方法及头车缩模。

背景技术

[0002]
随着列车运行速度的不断提高,对列车运行安全性要求越来越高。列车被动安全防护研究主要有数值仿真、实车试验和缩模试验三种方法。数值仿真无法解决由于输入参数变化引起的不确定性,不能准确地描述列车实际结构中各种复杂约束;实车试验成本巨大、周期长,实现困难大;列车等效缩模采用小尺度列车模型来研究全尺寸列车碰撞过程中的动态响应,是一种高效且经济的研究方法。
[0003]
针对现有的列车等效缩模,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”发明专利,所述装置包括控制系统、测力墙、列车等效缩比模型、驱动车、驱动车发射系统,通过将运动等效缩比模型撞击测力墙或静止等效缩比模型,获取撞击相关数据。但是其设计的是列车等效缩比模型碰撞试验装置,并未提出具体的列车缩模构建方法;此外,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”发明专利,基于缩比模型和实际列车撞击加速度一致的原则,在不考虑阻尼的情况下对动力学方程进行积分换算得到了列车质量和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;根据列车质量与撞击力缩比比例因子以及速度与时间的缩比比例因子制定缩比准则;根据缩比准则确定缩比模型的参数以构建缩比模型,其中缩比车体选用实心铁块制作,缩比吸能结构选用蜂窝铝或者泡沫铝制作。但由于该方案将列车简化成单一的质点,未考虑列车实际结构,缩比车体采用高强度、不易变形的材料代替,譬如实心铁块,而导致列车重心改变,缩比列车内部结构与实际列车内部结构差异较大,无法保证车体刚度相似,对列车碰撞动力学响应的影响较大故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。
[0004]
发明内容
[0005]
本发明的目的是提供一种基于力和刚度等效的头车缩模构建方法及头车缩模,其将列车头车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,针对非变形区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。
[0006]
一种基于力和刚度等效的列车头车缩模构建方法,包括如下步骤:
[0007]
S1:获取头车缩模相比于全尺寸列车的各个动力学参数的相似因子;
[0008]
所述动力学参数的相似因子至少包括力相似因子、位移相似因子、尺寸相似因子、刚度相似因子;
[0009]
S2:依据列车碰撞过程中的变形吸能特性将列车头车划分为变形吸能区和非变形区;
[0010]
其中,变形吸能区包括吸能装置、司机室,所述吸能装置包括缓冲器、压溃管、主吸能装置,其中,所述缓冲器、压溃管、主吸能装置依次被压缩变形;
[0011]
S3:基于动力学参数的相似因子分别构建头车缩模的变形吸能区和非变形区;
[0012]
a:变形吸能区的构建为: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相似因子得到头车缩模的变形吸能特性曲线,再基于头车缩模的变形吸能特性曲线以及尺寸相似因子构建头车缩模的变形吸能区中缓冲器、压溃管、主吸能装置和司机室;
[0013]
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;
[0014]
b:非变形区的构建过程为:依据尺寸相似因子以及刚度相似因子构建头车缩模的非变形区;
[0015]
其中,基于尺寸等效缩比将全尺寸列车头车上非变形区的特征尺寸乘以尺寸相似因子得到头车缩模上非变形区的特征尺寸;所述特征尺寸包括长、宽、高、厚度;
[0016]
基于尺寸等效缩比将全尺寸列车头车以及头车缩模上非变形区均竖直划分为n个单元,并基于刚度等效缩比增设加强筋使全尺寸列车头车与头车缩模上相匹配的每对单元的刚度之比等于刚度相似因子,n为大于或等于2的正整数。
[0017]
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以及变形吸能区中分为缓冲器、压溃管、主吸能装置、司机室四个阶段的变形,因此本发明将列车头车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,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;针对非变形区的承载特性采用刚度等效缩比,这是基于非变性区主要功能是承载,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。
[0018]
具体的,本发明针对变形吸能区中的缓冲器、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。
[0019]
步骤S4在划分的单元内排布加强筋的规则为:将单元上各个面在X、Y方向上等分,加强筋依次设置于等分位置上。等分排布可以使得加强筋排布更加均匀。
[0020]
进一步优选,:所述动力学参数的相似因子还包括能量相似因子,S3中头车缩模的变形吸能区的构建过程包括:
[0021]
A:将全尺寸列车头车上缓冲器的特征尺寸乘以尺寸相似因子得到头车缩模上缓冲器的特征尺寸;
[0022]
B:依据头车缩模的变形吸能特性曲线上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压溃管、主吸能装置的横截面积;
[0023]
获取头车缩模上压溃管和主吸能装置的吸能量并计算出头车缩模上压溃管和主吸能装置的可压缩长度;以及将全尺寸列车上压溃管、主吸能装置的长度乘以尺寸相似因子得到头车缩模上压溃管、主吸能装置的初始设计长度;再分别基于压溃管的可压缩长度、初始设计长度得到压溃管的设计长度;基于主吸能装置的可压缩长度、初始设计长度得到主吸能装置的设计长度;
[0024]
其中,头车缩模上压溃管的吸能量、主吸能装置的吸能量分别等于全尺寸列车头车上压溃管的吸能量乘以能量相似因子、主吸能装置的吸能量乘以能量相似因子;头车缩模上压溃管和主吸能装置的可压缩长度分别等于头车缩模上压溃管、主吸能装置的吸能量除以对应撞击力;
[0025]
C:将全尺寸列车头车上司机室的特征尺寸乘以尺寸相似因子得到头车缩模上司机室的对应特征尺寸;以及依据头车缩模的变形吸能特性曲线上司机室对应的撞击力调节头车缩模上司机室中前挡板厚度和车体厚度。
[0026]
蜂窝铝的强度乘以横截面积等于压缩平台力,因此,本发明在获取压溃管和主吸能装置对应的撞击力基础上,选择一定强度的蜂窝铝后,通过改变蜂窝铝压溃管、蜂窝铝主吸能装置的横截面积使其达到对应的撞击力。又由于蜂窝铝的压缩平台力乘以可压缩长度等于蜂窝铝的吸能量,因此,本发明通过全尺寸列车头车的吸能量乘以能量相似因子得到头车缩模压溃管、头车缩模主吸能装置的吸能量后,头车缩模压溃管以及主吸能装置的撞击力已知,则可以得到压溃管和主吸能装置的可压缩长度。
[0027]
针对司机室,本发明先根据尺寸相似因子得到司机室前挡板厚度和车体厚度的值,如根据全尺寸列车头车司机室的前挡板厚度和车体厚度乘以尺寸相似因子分别得到头车缩模司机室的前挡板厚度和车体厚;再依据司机室的撞击力调节前挡板厚度和车体厚度,譬如,利用有限元分析元件来实现,在软件中调节头车缩模司机室的前挡板厚度和车体厚度,使其满足头车缩模的变形吸能特性曲线上司机室对应的撞击力。
[0028]
进一步优选:采用 分别表示头车缩模上压溃管、主吸能装置的初始设计长度; 分别表示头车缩模上压溃管的可压缩长度、主吸能装置的可压缩长度;头车缩模上压溃管的设计长度以及主吸能装置的设计长度的获取依据如下:
[0029]
分别判断是否满足
[0030]
若满足 头车缩模压溃管的长度等于初始设计长度 若满足 主吸能装置的长度等于初始设计长度
[0031]
否则,头车缩模压溃管的长度等于初始设计长度 主吸能装置的长度等于初始设计长度
[0032]
进一步优选,所述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。
[0033]
进一步优选,S1中获取相似因子过程为: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相似因子;
[0034]
其中,列车头车采用薄壁板壳结构。
[0035]
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,得到的相似因子的可靠性也更高。
[0036]
进一步优选,所述动力学参数的相似因子还包括时间相似因子、速度相似因子、加速度相似因子、质量相似因子、能量相似因子;
[0037]
其中,各类动力学参数的相似因子的关系如下:
[0038]
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
[0039]
式中,λ为尺寸相似因子,λ F、λ t、λ v、λ a、λ m、λ k、λ E分别为力相似因子、时间相似因子、速度相似因子、加速度相似因子、质量相似因子、刚度相似因子、能量相似因子。
[0040]
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)
[0041]
[0042]
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:
[0043]
[0044]
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)
[0045]
w=[Acos(ωt)+Bsin(ωt)]W(x,y) (2)
[0046]
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
[0047]
[0048]
考虑到全尺寸原型和缩模均满足式(3),有
[0049]
[0050]
其中下标p和m分别表示全尺寸列车头车和头车缩模。
[0051]
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)的相似因子仅与尺寸相似因子有关。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分别为抗弯刚度相似因子、振型函数相似因子、x方向尺寸相似因子、y方向尺寸相似因子、材料密度相似因子、厚度相似因子、固有频率相似因子。
[0052]
基于此,由公式(4)得到:
[0053]
[0054]
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:
[0055]
[0056]
其中λ a、λ b分别为长度a和长度b的相似因子。由方程分析法可知,式(6)中各项相似因子对应相等,得
[0057]
[0058]
由于
[0059]
在列车头车缩模过程中,尺寸相似因子为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的相似因子为1/λ,则时间相似因子
[0060]
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。根据尺寸相似因子和时间相似因子可以获得其他动力学参数的相似因子,如表1所示,其中速度相似因子 加速度相似因子 质量相似因子 力相似因子λ F=λ mλ a=λ 2,刚度相似因子 能量相似因子λ E=λ Fλ l=λ 3
[0061]
表1列车等效缩模动力学参数相似因子
[0062]
[0063]
进一步优选,步骤S4中采用有限元软件分析每个单元的车体刚度,其中,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相似因子、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相似因子、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相似因子。
[0064]
应当理解,设置上述规则使得头车缩模与全尺寸列车头车等符合等效缩比原则。
[0065]
进一步优选,还包括对S4得到的头车缩模进行碰撞仿真和优化设计,其过程如下:
[0066]
S5:初始化尺寸相似因子,并对构建的头车缩模进行碰撞数值仿真得到重心处的加速度-时间曲线,再以头车缩模与全尺寸列车头车在预设时段内重心处的平均加速度值的误差作为头车缩模的误差并计算;
[0067]
S6:判断得到的误差是否大于或等于预设误差阈值,若是,则执行S7;否则,将得到的头车缩模作为目标头车缩模;
[0068]
S7:将头车缩模中加强筋厚度、前挡板厚度以及车体厚度作为优化的设计变量以及将误差最小作为优化目标,并获取每个设计变量的优化范围,再在优化范围进行取样得到若干头车缩模样本;
[0069]
S8:计算每个头车缩模样本的误差,再基于优化目标获取最优的头车缩模样本,再判断优化的头车缩模样本是否大于或等于预设误差阈值,若是,返回S7重新采样;否则,得到的优化的头车缩模样本为目标头车缩模。
[0070]
根据《EN15227-2008车体防撞性要求》本实施例中优选预设误差阈值为10%。由于薄壁结构的厚度对头车等效缩模结构强度的影响较大,因此,在列车头车等效缩模设计参数中选取加强筋厚度d 1、前挡板厚度d 2和车体厚度d 3作为优化的设计变量。为保证头车整体质量的误差控制在10%以内,首先需确定三个变量的取值范围:d 1min~d 1max,d 2min~d 2max和d 3min~d 3max。响应面模型是表示设计变量与误差之间的相关关系,通过响应面模型可以分析设计变量对优化目标的影响趋势。
[0071]
进一步优选,以压溃管压缩阶段和主吸能压缩阶段内重心处的平均加速度值的误差作为头车缩模的误差,其计算公式如下:
[0072]
[0073]
[0074]
其中,w 1、w 2分别为压溃管压缩阶段、主吸能压缩阶段对应的头车缩模的误差;a 1m、a 2m分别为头车缩模重心处在压溃管压缩阶段、主吸能压缩阶段的平均加速度;A 1m、A 2m分别为 全尺寸列车头车重心处在压溃管压缩阶段、主吸能压缩阶段的平均加速度;λ a为加速度相似因子。
[0075]
另一方面,本发明提供一种基于上述所述方法的头车缩模,包括变形吸能区和非变形区,所述变形吸能区包括吸能装置和司机室,所述吸能装置包括缓冲器、压溃管、主吸能装置;
[0076]
其中,所述缓冲器为橡胶模拟缓冲器,所述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。

有益效果

[0077]
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以及变形吸能区中分为缓冲器、压溃管、主吸能装置、司机室四个阶段的变形,提出了对列车头车采取分区等效缩比,变形吸能区采取撞击力等效缩比,这是由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,因此本发明采用撞击力等效;非变形区采取刚度等效缩比,这是由于非变性区主要功能是承载,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,保证原型和缩模的撞击力/车体刚度相似,从而实现列车原型和模型碰撞过程的动力学特性相似。
[0078]
2、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相似因子,更适用于车体为薄壁铝合金结构的高速列车缩比。
[0079]
3、得到头车缩模后,本发明还尽量仿真测试,即对比全尺寸头车碰撞结果,以重心处平均加速度为考核指标,评估列车头车等效缩模的误差;本发明提出采用试验设计和优化方法,降低列车头车等效缩模误差,获得精确的列车头车等效缩模。

附图说明

[0080]
图1本发明提供的一种基于力和刚度等效的列车头车缩模构建方法的设计流程图;
[0081]
图2为全尺寸列车头车分区示意图;
[0082]
图3为全尺寸列车头车吸能特性曲线;
[0083]
图4未来列车头车等效缩模非变形区刚度设计示意图,其中,(a)图为全尺寸头车非变形区刚度微分示意图,(b)图为头车缩模非变形区刚度微分示意图;
[0084]
图5为列车头车等效缩模加强筋设计示意图;
[0085]
图6为仿真得到重心处加速度-时间曲线图,(a)图为全尺寸头车碰撞仿真重心处加速度-时间曲线图,(b)图为头车缩模碰撞仿真重心处加速度-时间曲线图;
[0086]
图7为列车头车等效缩模响应面模型示意图,其中,(a)图为加强筋厚度d 1、前挡板厚度d 2对误差w 1的影响示意图,(b)加强筋厚度d 1、前挡板厚度d 2对误差w 2的影响示意图,(c)加强筋厚度d 1、车体厚度d 3对误差w 1的影响示意图,(d)加强筋厚度d 1、车体厚度d 3对误差w 2的影响示意图,(e)前挡板厚度d 2、车体厚度d 3对误差w 1的影响示意图,(f)前挡板厚度d 2、车体厚度d 3对误差w 2的影响示意图。

具体实施方式

[0087]
下面将结合实施例对本发明做进一步的说明。
[0088]
如图1所示,本发明提供的一种基于力和刚度等效的列车头车缩模构建方法主要包括以下四个方面:
[0089]
一、动力学参数的相似因子推导;
[0090]
二、头车分区设计;
[0091]
三、构建初始的头车缩模;
[0092]
四、头车缩模的碰撞仿真计算以及头车缩模的优化。
[0093]
一、关于动力学参数的相似因子推导: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相似因子。得到的相似因子如上表1所示。本处不再赘述。
[0094]
二、关于头车分区设计:如图2所示,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,将列车头车结构进行分区,变形吸能区包括吸能装置和司机室,非变形区包括载人区Ⅰ和载人区Ⅱ。吸能装置包括缓冲器、压溃管、主吸能装置。因此,本发明提供头车缩模也是划分为了变形吸能区和非变形区。
[0095]
(1)对变形吸能区进行设计:
[0096]
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相似因子得到头车缩模的变形吸能特性曲线;
[0097]
其中,如图3所示为全尺寸列车头车变形吸能特性曲线,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。该曲线描述了列车碰撞时吸能变形区的压缩阶段,首先缓冲器压缩,起到缓冲作用,然后压溃管、主吸能和司机室依次压缩变形。把全尺寸头车 变形吸能特性曲线的纵坐标乘以撞击力相似因子λ F、横坐标乘以位移相似因子λ l,获得头车缩模的变形吸能特性曲线,其中包括缓冲器撞击力曲线、压溃管压缩平台力F 1m、主吸能压缩平台力F 2m和司机室压缩平台力F 3m
[0098]
然后基于头车缩模的变形吸能特性曲线以及尺寸相似因子设计头车缩模的变形吸能区中缓冲器、压溃管、主吸能装置和司机室的尺寸。
[0099]
关于缓冲器:将全尺寸列车头车上缓冲器的特征尺寸乘以尺寸相似因子得到头车缩模上缓冲器的对应特征尺寸;此外,实际列车长选用橡胶缓冲器,故列车头车缩模中采用橡胶模拟缓冲器。
[0100]
关于压溃管:一方面依据头车缩模的变形吸能特性曲线上压溃管对应的压缩平台力F 1m设计头车缩模上压溃管的横截面积;
[0101]
其中,采用圆柱形蜂窝铝模拟压溃管,蜂窝铝的压强强度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压溃管压缩平台力F 1m
[0102]
二方面依据头车缩模上压溃管的吸能量设计头车缩模上压溃管的可压缩长度,再将全尺寸列车上压溃管的长度乘以尺寸相似因子得到头车缩模上压溃管的初始设计长度,随后再分别基于压溃管的可压缩长度、初始设计长度得到压溃管的设计长度;最后基于压馈管的可压缩长度以及初始设计长度得到压溃管的设计长度;
[0103]
由于蜂窝铝的压缩平台力乘以可压缩长度得到蜂窝铝的吸能量,因此,通过设计蜂窝铝的可压缩长度来设计蜂窝铝的吸能量,使头车缩模压溃管的吸能量等于全尺寸列车头车压溃管的吸能量乘以能量相似因子λ E。而可压缩长度与设计长相关,因此本发明将可压缩长度、初始设计长度与最终得到的设计长度的关系进行如下定义:
[0104]
采用 表示头车缩模上压溃管的初始设计长度; 表示头车缩模上压溃管的可压缩长度;头车缩模上压溃管的设计长度的获取依据如下:
[0105]
分别判断是否满足
[0106]
若满足 头车缩模压溃管的长度等于初始设计长度 否则,头车缩模压溃管的长度等于初始设计长度
[0107]
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。
[0108]
其中,采用长方体形蜂窝铝模拟主吸能装置,蜂窝铝的强度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压溃管压缩平台力F 2m
[0109]
二方面,依据头车缩模上主吸能装置的吸能量设计头车缩模上主吸能装置的可压缩长度,再将全尺寸列车上主吸能装置的长度乘以尺寸相似因子得到头车缩模上主吸能装置的初始设计长度,随后再分别基于主吸能装置的可压缩长度、初始设计长度得到主吸能装置的设计长度;最后基于主吸能装置的可压缩长度以及初始设计长度得到主吸能装置的设计长度;
[0110]
由于蜂窝铝的压缩平台力乘以可压缩长度得到蜂窝铝的吸能量,因此,通过设计蜂窝铝的可压缩长度来设计蜂窝铝的吸能量,使头车缩模主吸能装置的吸能量等于全尺寸列车头车主吸能装置的吸能量乘以能量相似因子λ E。而可压缩长度与设计长相关,因此本发明将可压缩长度、初始设计长度与最终得到的设计长度的关系进行如下定义:
[0111]
采用 表示头车缩模上主吸能装置的初始设计长度; 表示头车缩模上主吸能装置的可压缩长度;头车缩模上主吸能装置的设计长度的获取依据如下:
[0112]
判断是否满足
[0113]
若满足 主吸能装置的长度等于初始设计长度 否则,主吸能装置的长度等于初始设计长度
[0114]
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相似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);以及依据头车缩模的变形吸能特性曲线上司机室对应的压缩平台力F 3m设计头车缩模上司机室中前挡板厚度d 2和车体厚度d 3,使司机室结构的压缩平台力达到F 3m
[0115]
(2)对非变形区进行设计:基于尺寸等效缩比将全尺寸列车头车上非变形区的特征尺寸乘以尺寸相似因子得到头车缩模上非变形区的特征尺寸;以及基于尺寸等效缩比将全尺寸列车头车以及头车缩模上非变形区均竖直划分为n个单元,并基于刚度等效缩比增设加强筋使每个单元满足全尺寸列车头车与头车缩模上相匹配的一对单元的刚度之比等于刚度相似因子。
[0116]
关于刚度等效,将全尺寸头车非变形区的刚度为一条连续曲线,本发明根据全尺寸头车非变形区的结构特征(如门、窗位置的车体强度不同),把非变形区结构竖直微分成n段单元(门、窗分别需完整地位于一个单元内)。其中,全尺寸列车头车与头车缩模划分单元时,尺寸按照尺寸相似因子进行缩比,因此,全尺寸列车与头车缩模中的单元是一一对应的。
[0117]
假设每个微分单元内的车体刚度相同,第i段单元的车体刚度为 如图4(a)所示。 至此,全尺寸实车非变形区的刚度曲线可以由n个车体刚度常值来近似。如图4(b)所示,对列车头车缩模的非变形区也微分为n段,并假设每个微分单元内的车体刚度相同,第i段单元的车体刚度为 根据步骤1的刚度相似因子λ k对每个单元的车体刚度进行缩比,获得头车缩模非变形区每个微分单元的刚度 考虑到采用完全相似,对实际全尺寸头车直接进行尺寸缩比会无法保证车体刚度相似,因此,本发明根据实际全尺寸头车结构设计了加强筋,使缩模非变形区微分单元的刚度和全尺寸非变形区微分单元的刚度相匹配,即存在关系 以载人区Ⅰ顶部为例说明头车缩模加强筋的设计,如图(5)所示,实际车体为薄壁铝合金、内部有加强筋结构,若直接进行缩比不仅加工精度无法实现,也不能满足缩模设计刚度值,因此,在设计缩模时,将结构在x和y方向等分,逐渐增加加强筋密度,直到缩模刚度达到设计值 其他加强筋的设计都遵循该原则。譬如,第i段单元中,在顶部面上增设加强筋,按照等分位置排布,但是需要说明的是,在某一个单元内,加强筋不限定于顶部,还可以在底部或者侧面。
[0118]
需要说明的是,本步骤是在有限元软件中完成,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相似因子、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相似因子、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相似因子。按照相似因子设置碰撞参数使得碰撞工况等效。
[0119]
三、构建初始的头车缩模。
[0120]
初始化尺寸相似因子,即设定尺寸相似因子的值。譬如,若λ=1/8,根据表1得到速度、加速度、时间、质量、力、刚度和能量相似因子分别为λ v=1,λ a=8,λ t=1/8,λ m=1/512,λ F=1/64,λ k=1/8,λ E=1/512,则构建了1:8列车头车等效缩模。
[0121]
四、头车缩模的碰撞仿真计算以及头车缩模的优化。
[0122]
首先,建立初始列车头车等效缩模碰撞有限元模型,输出加速度响应,并与全尺寸列车头车碰撞试验或仿真结果进行对比,分析初始列车头车等效缩模的误差。本实施例具体为:选取全尺寸列车头车碰撞仿真与1:8列车头车缩模碰撞仿真结果进行对比,全尺寸列车头车和列车头车缩模材料参数设置和碰撞工况均相同,输出重心处的加速度-时间曲线。如图6所示的重心处的加速度-时间曲线,其中,(a)图为全尺寸列车头车的加速度-时间曲线;(b)图为头车缩模的加速度-时间曲线,从图可知二者变化趋势一致。
[0123]
然后,再基于加速度-时间曲线,本发明以头车缩模与全尺寸列车头车以压溃管压缩阶段 和主吸能压缩阶段内重心处的平均加速度值的误差作为头车缩模的误差并计算。如表2所示,全尺寸列车头车碰撞仿真的重心处压溃管压缩阶段和主吸能压缩阶段的平均加速度值分别为2.9g和5.9g;列车头车缩模碰撞仿真的重心处压溃管压缩阶段和主吸能压缩阶段的平均加速度值分别为20.4g和43.8g,除以加速度相似因子λ a=8,得到对应的全尺寸头车重心处压溃管压缩阶段和主吸能压缩阶段的平均加速度值分别为2.55g和5.475g;计算缩模重心处压溃管压缩阶段和主吸能压缩阶段的平均加速度误差分别为
[0124]
表2初始列车头车等效缩模仿真结果
[0125]
[0126]
接着,判断得到的误差是否大于或等于预设误差阈值,若是,则执行优化过程;否则,将得到的头车缩模作为目标头车缩模。本实施例中,根据《EN15227-2008车体防撞性要求》,平均加速度误差应控制在10%以内。
[0127]
优化过程(本发明采用优化软件如Hyperstudy对初始列车头车等效缩模进行优化):
[0128]
首先,选择将加强筋厚度d 1、前挡板厚度d 2和车体厚度d 3作为优化的设计变量以及将重心处的平均加速度误差最小作为优化目标(包括重心处在压溃管压缩阶段的平均加速度误差w 1和主吸能压缩阶段的平均加速度误差w 2);
[0129]
然后,获取三个设计变量的取值范围d 1min~d 1max,d 2min~d 2max和d 3min~d 3max。本实施例中三个设计变量的取值范围为1≤d 1≤3,10≤d 2≤14,2≤d 3≤3。
[0130]
接着,采用三阶Box-Behnken方法在设计变量的优化范围进行采样得到若干头车缩模样本,本实施例中选取13个样本点。
[0131]
再者,计算每个头车缩模样本的误差(w 1,w 2);
[0132]
最后,采用现有的优化方法以列车等效缩模碰撞重心处的平均加速度误差w 1和w 2最小为优化目标进行多目标优化得到最优解(d 1、d 2、d 3)。再判断得到最优解对应的头车缩模的误差(w 1,w 2)是否均大于或等于预设误差阈值,若是,返回重新采样;否则,得到的优化 的头车缩模样本为目标头车缩模。本实施例中得到的一组最优解为d 1=1.1mm,d 2=10mm,d 3=2mm,此时车头车等效缩模的重心处在压溃管压缩阶段的平均加速度最小误差w 1=7.76%和主吸能压缩阶段的平均加速度最小误差w 2=5.98%,满足《EN15227-2008车体防撞性要求》。
[0133]
此外,基于各个头车缩模样本的重心处平均加速度误差w 1和w 2还可以建立响应面模型。图7为本实施例采用最小二乘法建立的响应面图,其中图7(a)和7(b)均为凸曲面,表示加强筋厚度d 1、前挡板厚度d 2对w 1、w 2的影响趋势相同,即随着d 1的增大,w 1、w 2呈现先增大后减小趋势;随着d 2的增大,w 1、w 2也呈现先增大后减小趋势。图7(c)和7(d)均为斜曲面,表示加强筋厚度d 1、车体厚度d 3对w 1、w 2的影响趋势相同,即随着d 3的增大,w 1、w 2均呈现增大趋势;相较于d 3,d 1对w 1、w 2的影响较小。图7(e)和7(f)均为斜曲面,表示前挡板厚度d 2、车体厚度d 3对w 1、w 2的影响趋势相同,即随着d 3的增大,w 1、w 2均呈现增大趋势;相较于d 3,d 2对w 1、w 2的影响较小。综上分析,在加强筋厚度d 1、前挡板厚度d 2和车体厚度d 3的设计范围内,w 1、w 2必然存在最小值,且w 1和w 2同时存在最小值,w 1、w 2分别为同一碰撞中压溃管压缩阶段、主吸能压缩阶段对应的头车缩模的误差。)
[0134]
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]
一种基于力和刚度等效的列车头车缩模构建方法,其特征在于:包括如下步骤: S1:获取头车缩模相比于全尺寸列车的各个动力学参数的相似因子; 所述动力学参数的相似因子至少包括力相似因子、位移相似因子、尺寸相似因子、刚度相似因子; S2:依据列车碰撞过程中的变形吸能特性将列车头车划分为变形吸能区和非变形区; 其中,变形吸能区包括吸能装置、司机室,所述吸能装置包括缓冲器、压溃管、主吸能装置,其中,所述缓冲器、压溃管、主吸能装置依次被压缩变形; S3:基于动力学参数的相似因子分别构建头车缩模的变形吸能区和非变形区; a:变形吸能区的构建为: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相似因子得到头车缩模的变形吸能特性曲线,再基于头车缩模的变形吸能特性曲线以及尺寸相似因子构建头车缩模的变形吸能区中缓冲器、压溃管、主吸能装置和司机室; 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; b:非变形区的构建过程为:依据尺寸相似因子以及刚度相似因子构建头车缩模的非变形区; 其中,基于尺寸等效缩比将全尺寸列车头车上非变形区的特征尺寸乘以尺寸相似因子得到头车缩模上非变形区的特征尺寸;所述特征尺寸包括长、宽、高、厚度; 基于尺寸等效缩比将全尺寸列车头车以及头车缩模上非变形区均竖直划分为n个单元,并基于刚度等效缩比增设加强筋使全尺寸列车头车与头车缩模上相匹配的每对单元的刚度之比等于刚度相似因子,n为大于或等于2的正整数。
[权利要求 2]
根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述动力学参数的相似因子还包括能量相似因子,S3中头车缩模的变形吸能区的构建过程包括: A:将全尺寸列车头车上缓冲器的特征尺寸乘以尺寸相似因子得到头车缩模上缓冲器的特征尺寸; B:依据头车缩模的变形吸能特性曲线上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压溃管、主吸能装置的横截面积; 获取头车缩模上压溃管和主吸能装置的吸能量并计算出头车缩模上压溃管和主吸能装置的可压缩长度;以及将全尺寸列车上压溃管、主吸能装置的长度乘以尺寸相似因子得到头车缩模上压溃管、主吸能装置的初始设计长度;再分别基于压溃管的可压缩长度、初始设计长度得到压溃管的设计长度;基于主吸能装置的可压缩长度、初始设计长度得到主吸能装置的设计长度; 其中,头车缩模上压溃管的吸能量、主吸能装置的吸能量分别等于全尺寸列车头车上压溃管的吸能量乘以能量相似因子、主吸能装置的吸能量乘以能量相似因子;头车缩模上压溃管和主吸能装置的可压缩长度分别等于头车缩模上压溃管、主吸能装置的吸能量除以对应撞击力; C:将全尺寸列车头车上司机室的特征尺寸乘以尺寸相似因子得到头车缩模上司机室的对应特征尺寸;以及依据头车缩模的变形吸能特性曲线上司机室对应的撞击力调节头车缩模上司机室中前挡板厚度和车体厚度。
[权利要求 3]
根据权利要求2所述的方法,其特征在于:采用 分别表示头车缩模上压溃管、主吸能装置的初始设计长度; 分别表示头车缩模上压溃管的可压缩长度、主吸能装置的可压缩长度;头车缩模上压溃管的设计长度以及主吸能装置的设计长度的获取依据如下: 分别判断是否满足 若满足 头车缩模压溃管的长度等于初始设计长度 若满足 主吸能装置的长度等于初始设计长度 否则,头车缩模压溃管的长度等于初始设计长度 主吸能装置的长度等于初始设计长度
[权利要求 4]
根据权利要求2所述的方法,其特征在于:所述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。
[权利要求 5]
根据权利要求1所述的方法,其特征在于:S1中获取相似因子过程为: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相似因子; 其中,列车头车采用薄壁板壳结构。
[权利要求 6]
根据权利要求5所述的方法,其特征在于:所述动力学参数的相似因子还包括时间相似因子、速度相似因子、加速度相似因子、质量相似因子、能量相似因子; 其中,各类动力学参数的相似因子的关系如下: 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为尺寸相似因子,λ F、λ t、λ v、λ a、λ m、λ k、λ E分别为力相似因子、时间相似因子、速度相似因子、加速度相似因子、质量相似因子、刚度相似因子、能量相似因子,λ l为位移相似因子。
[权利要求 7]
根据权利要求4所述的方法,其特征在于:步骤S4中采用有限元软件分析每个单元的 车体刚度,其中,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相似因子、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相似因子、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相似因子。
[权利要求 8]
根据权利要求1所述的方法,其特征在于:还包括对S4得到的头车缩模进行碰撞仿真和优化设计,其过程如下: S5:初始化尺寸相似因子,并对构建的头车缩模进行碰撞数值仿真得到重心处的加速度-时间曲线,再以头车缩模与全尺寸列车头车在预设时段内重心处的平均加速度值的误差作为头车缩模的误差并计算; S6:判断得到的误差是否大于或等于预设误差阈值,若是,则执行S7;否则,将得到的头车缩模作为目标头车缩模; S7:将头车缩模中加强筋厚度、前挡板厚度以及车体厚度作为优化的设计变量以及将误差最小作为优化目标,并获取每个设计变量的优化范围,再在优化范围进行取样得到若干头车缩模样本; S8:计算每个头车缩模样本的误差,再基于优化目标获取最优的头车缩模样本,再判断优化的头车缩模样本是否大于或等于预设误差阈值,若是,返回S7重新采样;否则,得到的优化的头车缩模样本为目标头车缩模。
[权利要求 9]
根据权利要求8所述的方法,其特征在于:以压溃管压缩阶段和主吸能压缩阶段内重心处的平均加速度值的误差作为头车缩模的误差,其计算公式如下: 其中,w 1、w 2分别为压溃管压缩阶段、主吸能压缩阶段对应的头车缩模的误差;a 1m、a 2m分别为头车缩模重心处在压溃管压缩阶段、主吸能压缩阶段的平均加速度;A 1m、A 2m分别为全尺寸列车头车重心处在压溃管压缩阶段、主吸能压缩阶段的平均加速度;λ a为加速度相似因子。
[权利要求 10]
一种基于权利要求1-9任一项所述方法的头车缩模,其特征在于:包括变形吸能区和非变形区,所述变形吸能区包括吸能装置和司机室,所述吸能装置包括缓冲器、压溃管、主吸能装置; 其中,所述缓冲器为橡胶模拟缓冲器,所述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。

附图

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