一种轨道列车多级能量吸收的耐冲击优化设计方法技术

一种轨道列车多级能量吸收的耐冲击优化设计方法，建立了一种可以准确反映轨道列车在碰撞过程中关键响应的一维纵向柔性动力学模型，模型主要由车钩接触端部单元、刚性连接单元、车钩弹簧元、车体杆元组成。该方法主要技术包括单节车体的纵向载荷‑变形特征提取、基于全局优化方法的车体简化非线性杆元的力学特性：刚度、阻尼参数反求、整列编组一维纵向柔性动力学模型的建立、列车吸能系统参数优化流程搭建。本发明专利技术既提高了一维简化模型在预测列车编组动态响应信息的准确度，又大幅节省了单次分析机时，解决了以往整编组列车吸能参数的同步优化一直受限于单次分析耗时过长的问题，可以用于列车设计阶段的碰撞能量系统设计与参数优化。

【技术实现步骤摘要】
一种轨道列车多级能量吸收的耐冲击优化设计方法
本专利技术涉及一种轨道列车多级能量吸收的耐冲击优化设计方法，特别用于轨道车辆在设计初期能量配置方案的参数设计与优化，可以对整列车的吸能参数进行同步实时优化。
技术介绍
近十多年国内轨道车辆被动安全得到了足够重视与发展，研究范围涉及到列车能量管理系统配置、能量耗散新理念、新型吸能结构元件开发，单节车体耐撞性分析等多个方面，在吸能元件开发和单车分析方面研究较多，整列编组的能量配置研究相对不足。虽然业内广泛认可并采纳由前端车钩、防爬器、吸能结构组成的多级能量吸收系统用于列车前端能量配置方案，车钩缓冲器最先吸能，接着车钩压溃管吸能，随着碰撞载荷进一步增大，车钩达到载荷阈值后失效，防爬器开始接触并吸能，最后主吸能结构吸收能量。逐级吸能设计是目前列车的首选吸能设计方案。对于指定的碰撞工况，列车应该配置多少能量吸收冗余才能既不超过车辆承载能力又最大限度满足安全需求，车钩吸收能量时的稳态载荷和行程应该如何确定？多级吸能方案中每一级的界面稳态载荷以及吸能行程如何设置？这些问题目前没有一个可行有效的办法。目前的吸能系统的界面稳态载荷和吸能行程大多通过经验确定，到底还有没有更好的多级能量吸收系统参数配置，可以最大程度上降低列车碰撞所致的乘员损伤？一直以来没有一套可行的办法可以用于寻求最优的多级吸能结构参数配置，每一级的参数进行组合之后会产生多种设计方案，对每种方案进行逐一试算并人工对比来寻找最优参数配置显然是不经济的，迫切需要将列车碰撞分析与优化方法结合来进行多级吸能参数选优。随着越来越多的设备供应商普遍采用欧洲标准委员会2008年发布的EN15227-2008《Railwayapplication-Crashworthinessrequirementsforrailwayvehiclebodies：铁路应用-铁道车辆车体耐撞性要求》标准对新型轨道车辆的耐撞性进行评估以来，列车耐撞性设计方案的优劣对列车能否满足EN15227标准的相关指标越来越重要。目前广泛采用整编列车的有限元模型进行列车在制定计算工况下的碰撞响应分析，获取数据丰富，但是受到计算机硬件水平限制，模型单次求解耗费机时较长，难以与优化方法直接进行结合来对列车吸能参数进行优化，但是当前的基于质量-弹簧模型的一维纵向动力学模型无法更好的接近有限元分析结果，表现在纵向刚性冲击显著，响应传播比实际模型快。要完成整编组列车多级吸能参数的优化设计，必须要构建一种与实际模型分析结果更吻合的简化模型，即可以降低单次分析耗费机时，又可以保证较高的分析精度，进而实现列车碰撞分析模型与优化方法的结合。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于列车一维纵向柔性动力学模型和参数优化相结合的轨道列车多级能量吸收的耐冲击优化设计方法。该一维纵向柔性动力学模型的计算结果与实际有限元模型计算结果匹配度较高，可以用于轨道车辆在设计初期能量配置方案的设计与优化，同步优化多级吸能参数，进而得到使列车满足EN15227标准里制定工况下的最佳吸能方案，为列车的被动安全设计提供参考与依据。本专利技术的技术方案如下：一种轨道列车多级能量吸收的耐冲击优化设计方法，将参数校正的简化列车碰撞模型与优化方法结合寻找最优吸能方案设计，其特征在于该方法是基于简化的一维纵向柔性动力学模型实现的，模型主要由接触端部单元、刚性连接单元、车钩弹簧元、车体杆元组成，在一维纵向柔性动力学模型中通过响应匹配的方法准确表征了实际的单节车体的纵向力学特征，提高了一维简化模型的响应预测精度，进行多级吸能方案参数优化，包括以下步骤：步骤一：确定列车编组的基本数据，包括入编车辆数量、车体整备质量信息、车体使用材料、车钩初始参数；步骤二：分别建立列车编组端部车辆与中间车辆完整的有限元计算模型，包括车体、转向架、端部车钩及吸能部件、轨道，车体一位端配备车钩采用非线性弹簧阻尼单元模拟，将车钩的实际试验参数输入到车钩弹簧单元，包括缓冲器、鼓胀式压溃管的加载卸载特征曲线，对车辆模型的二位端采用纵向位移约束，在一位端采用刚性墙对单节车辆进行冲击，刚性墙重量的选取应使初始系统输入动能超过车端车钩吸能容量的10-20％，获取刚性墙在冲击过程中的纵向速度、位移时程曲线,输出车体纵向载荷-变形特征曲线；步骤三：在步骤二中建立的单节完整车辆的有限元计算模型基础上去除转向架、车体、轨道部件，仅保留车钩单元与刚性墙，以非线性杆元代替车体建立刚性墙撞击车辆的简化模型，按照步骤二中相同的边界条件对简化车辆模型进行计算，也同样输出刚性墙的纵向速度、位移时程曲线；步骤四：建立单节简化车辆模型的优化流程，标定简化模型中杆元模拟车体时的等效参数(刚度、阻尼)，取步骤二中刚性墙撞击完整单车模型中的纵向载荷-变形特征曲线作为刚度初值，在初始的刚度曲线与阻尼曲线上选取5个数据点将其参数解析为设计变量，以步骤三中简化车辆模型计算出的刚性墙位移、速度时程曲线与步骤二中完整有限元模型计算得出的刚性墙位移、速度时程曲线的偏差最小为目标，构造两种模型对应的响应匹配关系，通过调用动力分析求解器，采用全局优化算法求解目标函数取最小值的优化问题，进而反求非线性杆元的最优刚度与阻尼曲线，完成简化模型的参数校正；步骤五：建立整列编组的一维纵向柔性动力学模型，其中车体模拟采用非线性杆元，车钩采用非线性弹簧-阻尼单元，非线性杆元参数取步骤四中优化后的刚度与阻尼曲线，使车体的纵向力学行为得到准确表征，实现简化的动力学模型在节省大规模计算机时间的同时可以实现编组列车冲击过程中的各车辆响应信息提取；步骤六：将步骤五中建立的经过参数校正后的列车一维纵向柔性动力学模型用于编组吸能方案的设计与优化，通过对多级吸能方案中每一级的设计参数：主要是界面稳态载荷与行程设置，作为优化问题的设计变量，列车各车体的加速度作为目标函数，求解目标函数最小化的问题就可以找到使得列车耐撞性指标最优也就是可以最大限度减低碰撞所致乘员损伤的设计方案。与现有技术相比较，本专利技术的优点是显而易见的，主要表现在：1、列车一维纵向柔性动力学模型考虑了车体在冲击过程中的纵向力学行为，模型中添加了用于模拟车体的非线性杆单元，比以往的传统质量-弹簧单元模型能够获取更为准确的响应信息，包括每节车辆加速度峰值和出现时间，都有比较好的预测效果；2、用于模拟车体的纵向力学行为的非线性杆单元的等效参数是通过全局优化方法进行反求得到的，并作为车体简化杆单元的输入数据，实际车体的纵向等效参数主要包括车体的纵向刚度特性、阻尼特性。简化模型中的非线性杆元是轴向中心线上施加载荷，而实际车体模型的纵向载荷施加于车钩，车钩与车体中心线有偏置距离，不能直接把实际车体模型的载荷-位移曲线施加到列车一维纵向柔性动力学模型中去，优化的初始刚度通过完整车体模型在与刚性墙碰撞过程中的纵向载荷-位移曲线设定；3、与现有的轨道车辆被动安全设计中的整车碰撞有限元分析流程相比，该一维纵向柔性动力学模型单次计算的时间大幅降低，可以在很短的周期内完成拟定能量吸收配置方案下的车辆响应信息获取，在分析准确性和分析时间上做到了均衡，该一维纵向柔性动力学模型可用于编组列车吸能参数优化，解决了以往整编组列车吸能参数的同步优化受限于单次分析耗时过长的问题。附图说明本专利技术共有附图3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种轨道列车多级能量吸收的耐冲击优化设计方法，将参数校正的简化列车碰撞模型与优化方法结合寻找最优吸能方案设计，其特征在于该方法是基于简化的一维纵向柔性动力学模型实现的，模型主要由接触端部单元、刚性连接单元、车钩弹簧元、车体杆元组成，在一维纵向柔性动力学模型中通过响应匹配的方法准确表征了实际的单节车体的纵向力学特征，提高了一维简化模型的响应预测精度，进行多级吸能方案参数优化，包括以下步骤：步骤一：确定列车编组的基本数据，包括入编车辆数量、车体整备质量信息、车体使用材料、车钩初始参数；步骤二：分别建立列车编组端部车辆与中间车辆完整的有限元计算模型，包括车体、转向架、端部车钩及吸能部件、轨道，车体一位端配备车钩采用非线性弹簧阻尼单元模拟，将车钩的实际试验参数输入到车钩弹簧单元，包括缓冲器、鼓胀式压溃管的加载卸载特征曲线，对车辆模型的二位端采用纵向位移约束，在一位端采用刚性墙对单节车辆进行冲击，刚性墙重量的选取应使初始系统输入动能超过车端车钩吸能容量的10‑20％，获取刚性墙在冲击过程中的纵向速度、位移时程曲线,输出车体纵向载荷‑变形特征曲线；步骤三：在步骤二中建立的单节完整车辆的有限元计算模型基础上去除转向架、车体、轨道部件，仅保留车钩单元与刚性墙，以非线性杆元代替车体建立刚性墙撞击车辆的简化模型，按照步骤二中相同的边界条件对简化车辆模型进行计算，也同样输出刚性墙的纵向速度、位移时程曲线；步骤四：建立单节简化车辆模型的优化流程，标定简化模型中杆元模拟车体时的等效参数(刚度、阻尼)，取步骤二中刚性墙撞击完整单车模型中的纵向载荷‑变形特征曲线作为刚度初值，在初始的刚度曲线与阻尼曲线上选取5个数据点将其参数解析为设计变量，以步骤三中简化车辆模型计算出的刚性墙位移、速度时程曲线与步骤二中完整有限元模型计算得出的刚性墙位移、速度时程曲线的偏差最小为目标，构造两种模型对应的响应匹配关系，通过调用动力分析求解器，采用全局优化算法求解目标函数取最小值的优化问题，进而反求非线性杆元的最优刚度与阻尼曲线，完成简化模型的参数校正；步骤五：建立整列编组的一维纵向柔性动力学模型，其中车体模拟采用非线性杆元，车钩采用非线性弹簧‑阻尼单元，非线性杆元参数取步骤四中优化后的刚度与阻尼曲线，使车体的纵向力学行为得到准确表征，实现简化的动力学模型在节省大规模计算机时间的同时可以实现编组列车冲击过程中的各车辆响应信息提取；步骤六：将步骤五中建立的经过参数校正后的列车一维纵向柔性动力学模型用于编组吸能方案的设计与优化，通过对多级吸能方案中每一级的设计参数：主要是界面稳态载荷与行程设置，作为优化问题的设计变量，列车各车体的加速度作为目标函数，求解目标函数最小化的问题就可以找到使得列车耐撞性指标最优也就是可以最大限度减低碰撞所致乘员损伤的设计方案。...

【技术特征摘要】
1.一种轨道列车多级能量吸收的耐冲击优化设计方法，将参数校正的简化列车碰撞模型与优化方法结合寻找最优吸能方案设计，其特征在于该方法是基于简化的一维纵向柔性动力学模型实现的，模型主要由接触端部单元、刚性连接单元、车钩弹簧元、车体杆元组成，在一维纵向柔性动力学模型中通过响应匹配的方法准确表征了实际的单节车体的纵向力学特征，提高了一维简化模型的响应预测精度，进行多级吸能方案参数优化，包括以下步骤：步骤一：确定列车编组的基本数据，包括入编车辆数量、车体整备质量信息、车体使用材料、车钩初始参数；步骤二：分别建立列车编组端部车辆与中间车辆完整的有限元计算模型，包括车体、转向架、端部车钩及吸能部件、轨道，车体一位端配备车钩采用非线性弹簧阻尼单元模拟，将车钩的实际试验参数输入到车钩弹簧单元，包括缓冲器、鼓胀式压溃管的加载卸载特征曲线，对车辆模型的二位端采用纵向位移约束，在一位端采用刚性墙对单节车辆进行冲击，刚性墙重量的选取应使初始系统输入动能超过车端车钩吸能容量的10-20％，获取刚性墙在冲击过程中的纵向速度、位移时程曲线,输出车体纵向载荷-变形特征曲线；步骤三：在步骤二中建立的单节完整车辆的有限元计算模型基础上去除转向架、车体、轨道部件，仅保留车钩单元与刚性墙，以非线性杆元代替车体建立刚性墙撞击车辆的简化模型，按照步骤二中相同的边界条件对简化车辆模型进行计算，也同样输...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈秉智，秦睿贤，周俊先，
申请(专利权)人：大连交通大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21