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

本发明专利技术公开了一种基于力和刚度等效的列车头车缩模构建方法及头车缩模，该方法包括如下步骤：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；S2：依据变形吸能特性将全尺寸列车头车划分为变形吸能区和非变形区；S3：基于相似因子分别构建头车缩模的变形吸能区和非变形区，依据全尺寸列车头车的变形吸能曲线转换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；依据尺寸相似因子以及刚度相似因子设计头车缩模的非变形区。本发明专利技术构建的头车缩模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，可靠度更高。

A Construction Method of Head Car Shrinkage Die Based on Equivalent Force and Stiffness and Head Car Shrinkage Die

The invention discloses a method for constructing the head car shrinkage die based on force and stiffness equivalence and a head car shrinkage die. The method comprises the following steps: S1: obtaining the similarity factors of the head car shrinkage die compared with the dynamic parameters of the full-scale train; S2: dividing the full-scale head car into the deformation energy absorption area and the non-deformation area according to the deformation energy absorption characteristics; S3: constructing the head car based on the similarity factors separately; In the deformation energy absorption zone and non-deformation zone of the head car shrinkage die, the deformation energy absorption characteristic curve of the head car shrinkage die is obtained according to the transformation of the deformation energy absorption curve of the full-size head car, and then the size of buffer, crushing pipe, main energy absorption device and driver's cab in the deformation energy absorption zone of the head car shrinkage die is designed based on the deformation energy absorption characteristic curve and size similarity factor of the head car shrinkage die. And the stiffness similarity factor is used to design the non-deformed zone of the shrinkage die of the headstock. The reduced die of the head car constructed by the invention can ensure that the impact force of the train is similar to the stiffness of the car body, accurately restore the collision process of the train, and has higher reliability.

【技术实现步骤摘要】
一种基于力和刚度等效的头车缩模构建方法及头车缩模
本专利技术属于车辆
，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。
技术介绍
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。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”专利技术专利，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”专利技术专利，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。
技术实现思路
本专利技术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。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：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。本专利技术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，因此本专利技术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，本专利技术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。具体的，本专利技术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。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。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：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。蜂窝铝的强度乘以横截面积等于压缩平台力，因此，本专利技术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，本专利技术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。针对司机室，本专利技术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。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、主吸本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
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。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。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...

【专利技术属性】
技术研发人员：许平，陆思思，闫凯波，姚曙光，黄启，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43