一种轨道列车碰撞仿真简化模型的构建方法技术

本发明专利技术公开了一种轨道列车碰撞仿真简化模型的构建方法，包括：对目标中间车进行响应面划分；进行碰撞仿真实验获取到预设碰撞速度下每个响应面的响应位移和响应力；基于每个区间段的变形量识别每个区间段为塑性变形区间段或为弹性变形区间段以及计算每个弹性变形区间段的刚度，变形量与响应面的响应位移相关，刚度与响应面的响应位移、响应力相关；再构建轨道列车碰撞仿真全模型，并基于计算出的刚度对轨道列车碰撞仿真全模型上所有中间车的弹性变形区间段采用质量点和离散梁单元替代。本发明专利技术通过上述方法实现了更合理、准确的简化。

A Simplified Model for Train Collision Simulation

The invention discloses a construction method of a simplified model for rail train collision simulation, which includes: dividing the response surface of the target intermediate vehicle; obtaining the response displacement and response force of each response surface under the preset collision speed through collision simulation experiments; identifying each section as a plastic deformation section or an elastic deformation section based on the deformation of each section and calculating each section. The stiffness and deformation of each elastic deformation section are related to the response displacement of the response surface, and the stiffness is related to the response displacement and the response force of the response surface. Then, the full model of rail-train collision simulation is constructed. Based on the calculated stiffness, mass points and discrete beam elements are used to replace the elastic deformation sections of all the intermediate cars in the full model of rail-train collision simulation. The invention realizes more reasonable and accurate simplification by the above method.

【技术实现步骤摘要】
一种轨道列车碰撞仿真简化模型的构建方法
本专利技术属于车辆碰撞仿真
，具体涉及一种轨道列车碰撞仿真简化模型的构建方法。
技术介绍
列车碰撞事故将极大地威胁乘客人身安全，造成严重的财产损失。故轨道列车耐撞性成为列车安全领域的研究重点。然而实车碰撞实验需耗费巨大的人力物力财力且实验的可重复性极低，因此利用仿真技术来进行车辆碰撞研究成为了重要手段，有效的对列车简化可以提高计算效率，降低计算成本，譬如现有仿真技术一般为基于非线性有限元的数值仿真技术，而多编组列车的有限元模型存在网格数量多的问题，相应将耗费较多的计算成本，因此，简化列车建模方法对提高计算效率，降低计算成本至关重要。目前，南京航空航天大学提出了“一种基于参数化设计的整车碰撞仿真方法”专利，采用非线性有限元软件计算列车吸能元件的撞击力-冲程并确定吸能装置的等效总刚度，结合非线性有限元和非线性多体动力学两种方法进行整车碰撞仿真，但是其主要是针对各个车厢之间的吸能元件，并未揭示或者提供轨道列车车身结构的简化；中南大学提出了“一种铁道列车多车辆碰撞仿真的模型简化方法”专利，采用动态非线性大变形有限元方法对组成整车的头车和中间车进行简化，提取单节车辆不发生塑性变形的中间部位并计算出其总质量和中心位置，分别用相应质量点代替，将车体剩余部分的各个节点用梁单元连接；虽然采用质量点和梁单元对模型进行了简化，但是该技术未提供车体结构等效刚度的实现方案，且同一辆车体各个部分的刚度是存在较大差异，该方案也并未对车体各部分的刚体进行分析，因此模型简化方法的合理性、有效性和准确性仍有待提高。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种简化更合理、有效以及准确的轨道列车碰撞仿真简化模型的构建方法，基于刚度差异对列车中间车的变形分析划分出中间车的弹性变形区，再基于刚度分析对中间车的弹性变形区进行简化一种轨道列车碰撞仿真简化模型的构建方法，包括如下步骤：S1：构建局部仿真模型，并基于刚度差异对所述局部仿真模型内目标中间车进行响应面划分；其中，所述局部仿真模型至少由包含头车在内的3节车构成，选择局部仿真模型中一个中间车作为目标中间车；所述响应面为目标中间车外壳上开口的竖直侧边所在的截面，相邻两个响应面之间的结构为中间车的一个区间段；S2：对所述局部仿真模型在预设碰撞速度下进行碰撞仿真实验获取到预设碰撞速度下所述目标中间车上每个响应面的响应位移和响应力；其中，所述预设碰撞速度至少包含目标碰撞速度，所述目标碰撞速度下车辆弹性变形完全；S3：基于目标碰撞速度下目标中间车上每个响应面的响应位移计算出每相邻两个响应面之间区间段的变形量，再基于每个区间段的变形量识别每个区间段为塑性变形区间段或为弹性变形区间段；其中，相邻两个响应面之间区间段的变形量为所述相邻两个响应面的响应位移差值的绝对值；S4：基于响应位移和响应力计算每个弹性变形区间段的刚度；弹性变形区间段的刚度等于弹性变形区间段的变形载荷除以变形量，所述变形载荷为弹性变形区间段对应的相邻两个响应面的响应力之差的绝对值；S5：构建轨道列车碰撞仿真全模型，再基于步骤S4计算出的刚度对所述轨道列车碰撞仿真全模型上所有中间车的弹性变形区间段采用质量点和离散梁单元替代；其中，在每个中间车上每个弹性变形区间段的响应面位置上设置质量点，所有质量点的竖直和径向坐标分别与所有弹性变形区间段的整段车体结构重心的竖直、径向坐标相等相邻质量点之间用离散梁单元连接，且相邻两个质量点之间离散梁单元的刚度等于相对应的相邻两个响应面之间的弹性变形区间段的刚度，质量点的质量等于各个质量点的响应面所在的弹性变形区间段内车体结构的1/2质量之和。本专利技术基于外壳开口会导致车体刚度各个区域的刚度产生差异，将中间车以响应面划分为各个区间段，再识别区间段为弹性变形区间段或塑性变形区间段，最后基于刚度等效对弹性变形区间段进行简化。其中，由于是基于刚度差异对中间车进行区间划分，而中间车的弹性变形区简化时又是以区间段为单元，因此简化模型的刚度与实际列车的刚度更加吻合准确，进而使得简化更合理，有效；于此同时，本专利技术是基于仿真实验得到响应力和响应位移为基础进行刚度计算以及弹塑性识别，提供了一种实际可行的方案来实现，得到的简化模型可以大大的降低仿真计算量。其中，本专利技术将沿着轨道的车体方向作为x方向，将与x方向垂直的竖直方向、径向定义为y方向和z方向。质量点的x坐标与对应响应面的x坐标相等，即质量点位于对应响应面上，质量点y坐标和z坐标是依据弹性变形区间段的整段重心来定，一般而言，得到的各个弹性变形区间段是连贯的一段区域。其中，离散梁单元实质上为Y＝kX模型，其中，X表示位移，k表示刚度，y为作用力。进一步优选，步骤S3中基于每个区间段的变形量识别每个区间段为塑性变形区间段或为弹性变形区间段的过程如下：首先，将采集的每个区间段的最终变形量按从大到小的顺序排列；然后，基于排列顺序依次叠加不同区间段的最终变形量直至叠加的变形量之和大于或等于所有区间段的最终变形量总和的90％以上；其中，未参与变形量叠加计算的区间段为弹性变形区间段，已参与叠加计算的区间段为塑性变形区间段。进一步优选，步骤S2中所述预设碰撞速度还包括与目标碰撞速度大小不同的碰撞速度时，步骤S4中每个弹性变形区间段的刚度的获取过程如下：首先，基于响应位移和响应力计算在各个不同预设碰撞速度下每个弹性变形区间段的刚度；再分别利用在不同预设碰撞速度下同一弹性变形区间段的刚度计算出所述各个弹性变形区间段的刚度或者分别利用在不同预设碰撞速度下同一类弹性变形区间段的刚度计算出所述各个弹性变形区间段的刚度；其中，壳体开口类型相同的区间段为同一类区间段以及不包含任何壳体开口的区间段为同一类区间段。每个预设碰撞速度下各个响应面会存在一组响应力和响应位移，因此每个预设碰撞速度下每个弹性变形区间段会存在一个刚度，本专利技术针对同一弹性变形区间段或同一类弹性变形区间段的刚度综合考虑各个预设速度下的刚度，进而提高最终得到的各个弹性变形区间段的刚度可靠性。进一步优选，每个弹性变形区间段的刚度等于同一弹性变形区间段或同一类弹性变形区间段在不同预设碰撞速度下的刚度均值。进一步优选，响应面划分时外壳上的开口为门、窗。进一步优选，所述局部仿真模型和所述轨道列车碰撞仿真全模型均为有限元仿真模型。进一步优选，所述响应面包括目标中间车外壳上非第一个和最后一个开口的每个开口的两个竖直侧边所在的截面以及第一个开口、最后一个开口上内侧竖直侧边所在截面，所述内侧竖直侧边为开口的两个竖直侧边上远离中间车两端的侧边。两侧边为车钩安装部分，其在碰撞过程中首先会发生塑性变形，可以确定为塑性变形区域，不是简化对象，因此不纳入本专利技术中间车的简化部分。进一步优选，所述目标碰撞速度大于或等于30km/h。进一步优选，所述轨道列车为地铁列车。进一步优选，所述离散梁单元为线性弹簧。有益效果1、本专利技术提供的了一种全新的方法来实现轨道列车仿真模型简化方法，其基于外壳开口会导致车体刚度各个区域的刚度产生差异，将中间车以响应面划分为各个区间段，再识别区间段为弹性变形区间段或塑性变形区间段，最后基于刚度等效对弹性变形区间段进行简化。其中，相较于“一种铁道列车多车辆碰撞仿真的模型简化方法”现有方法，由于本专利技术是基于刚度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种轨道列车碰撞仿真简化模型的构建方法，其特征在于：包括如下步骤：S1：构建局部仿真模型，并基于刚度差异对所述局部仿真模型内目标中间车进行响应面划分；其中，所述局部仿真模型至少由包含头车在内的3节车构成，选择局部仿真模型中一个中间车作为目标中间车；所述响应面为目标中间车外壳上开口的竖直侧边所在的截面，相邻两个响应面之间的结构为中间车的一个区间段；S2：对所述局部仿真模型在预设碰撞速度下进行碰撞仿真实验获取到预设碰撞速度下所述目标中间车上每个响应面的响应位移和响应力；其中，所述预设碰撞速度至少包含目标碰撞速度，所述目标碰撞速度下车辆弹性变形完全；S3：基于目标碰撞速度下目标中间车上每个响应面的响应位移计算出每相邻两个响应面之间区间段的变形量，再基于每个区间段的变形量识别每个区间段为塑性变形区间段或为弹性变形区间段；其中，相邻两个响应面之间区间段的变形量为所述相邻两个响应面的响应位移差值的绝对值；S4：基于响应位移和响应力计算每个弹性变形区间段的刚度；弹性变形区间段的刚度等于弹性变形区间段的变形载荷除以变形量，所述变形载荷为弹性变形区间段对应的相邻两个响应面的响应力之差的绝对值；S5：构建轨道列车碰撞仿真全模型，再基于步骤S4计算出的刚度对所述轨道列车碰撞仿真全模型上所有中间车的弹性变形区间段采用质量点和离散梁单元替代；其中，在每个中间车上每个弹性变形区间段的响应面位置上设置质量点，所有质量点的竖直和径向坐标分别与所有弹性变形区间段的整段车体结构重心的竖直、径向坐标相等，相邻质量点之间用离散梁单元连接，且相邻两个质量点之间离散梁单元的刚度等于相对应的相邻两个响应面之间的弹性变形区间段的刚度，质量点的质量等于各个质量点的响应面所在的弹性变形区间段内车体结构的1/2质量之和。...

【技术特征摘要】
1.一种轨道列车碰撞仿真简化模型的构建方法，其特征在于：包括如下步骤：S1：构建局部仿真模型，并基于刚度差异对所述局部仿真模型内目标中间车进行响应面划分；其中，所述局部仿真模型至少由包含头车在内的3节车构成，选择局部仿真模型中一个中间车作为目标中间车；所述响应面为目标中间车外壳上开口的竖直侧边所在的截面，相邻两个响应面之间的结构为中间车的一个区间段；S2：对所述局部仿真模型在预设碰撞速度下进行碰撞仿真实验获取到预设碰撞速度下所述目标中间车上每个响应面的响应位移和响应力；其中，所述预设碰撞速度至少包含目标碰撞速度，所述目标碰撞速度下车辆弹性变形完全；S3：基于目标碰撞速度下目标中间车上每个响应面的响应位移计算出每相邻两个响应面之间区间段的变形量，再基于每个区间段的变形量识别每个区间段为塑性变形区间段或为弹性变形区间段；其中，相邻两个响应面之间区间段的变形量为所述相邻两个响应面的响应位移差值的绝对值；S4：基于响应位移和响应力计算每个弹性变形区间段的刚度；弹性变形区间段的刚度等于弹性变形区间段的变形载荷除以变形量，所述变形载荷为弹性变形区间段对应的相邻两个响应面的响应力之差的绝对值；S5：构建轨道列车碰撞仿真全模型，再基于步骤S4计算出的刚度对所述轨道列车碰撞仿真全模型上所有中间车的弹性变形区间段采用质量点和离散梁单元替代；其中，在每个中间车上每个弹性变形区间段的响应面位置上设置质量点，所有质量点的竖直和径向坐标分别与所有弹性变形区间段的整段车体结构重心的竖直、径向坐标相等，相邻质量点之间用离散梁单元连接，且相邻两个质量点之间离散梁单元的刚度等于相对应的相邻两个响应面之间的弹性变形区间段的刚度，质量点的质量等于各个质量点的响应面所在的弹性变形区间段内车体结构的1/2质量之和。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S3中基于每个区间段的变形量识别每个区间段为塑性变形区...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚曙光，朱慧芬，许平，彭勇，鲁寨军，姚松，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43