一种轨道车辆简化模型的构建方法、碰撞模拟方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种轨道车辆简化模型的构建方法、碰撞模拟方法及系统，该构建方法以精细化模型为参照构建简化模型，将车厢中间部位的车体设置为实心单壳结构，两端部位设为中空双壳结构，并设置若干组简化模型的厚度简化比以及设计纵向碰撞工况、横向碰撞工况，进而在每一类碰撞工况下再对精细化模型以及每一组厚度简化比下的简化模型进行碰撞仿真得到各自的碰撞响应曲线；然后，基于简化模型和精细化模型的碰撞响应曲线采用CORA评价法计算出每个简化模型对应的总CORA值；最后从总CORA值高的简化模型中选择出最优的简化模型。本发明专利技术构建的简化模型既适用于复杂列车事故场景的碰撞动力学响应分析也适用于乘员二次碰撞损伤研究。伤研究。伤研究。

【技术实现步骤摘要】
一种轨道车辆简化模型的构建方法、碰撞模拟方法及系统


[0001]本专利技术属于车辆仿真
，具体涉及一种轨道车辆简化模型的构建方法、碰撞模拟方法及系统。

技术介绍

[0002]列车碰撞、脱轨等事故无法完全避免，由于乘员的无约束状态，在列车事故中极易受到严重的损伤。因此列车的被动安全成为了列车安全防护的研究重点及难点。实车碰撞是列车耐撞性研究的有效手段，但是其人力物力财力成本巨大，时间周期长，因此，数值仿真尤其是有限元仿真是列车碰撞动力学响应研究的重要手段。但列车由多编组车辆组成，精细化列车模型的单元网格和节点数量巨大，即便是在高性能服务器上计算，时间效率也较低，而且硬盘存储空间需求量大。因此，对列车仿真模型进行适度且有效的简化，进而提高仿真计算效率，降低计算成本至关重要。
[0003]为了解决列车碰撞有限元仿真计算效率低的问题，已有学者做了一些探索，如：公告授权号为CN 103294860 B的中国专利，公开了“一种铁道列车多车辆碰撞仿真的模型简化方法”，其在轨道车辆纵向冲击中，将车辆不变形的中间部分简化为一维梁单元和质量单元的方法。公告授权号为CN 109492346 B的中国专利，公开了“一种轨道列车碰撞仿真简化模型的构建方法”，其在在轨道车辆纵向冲击中，将车辆中间区域划分为多个变形区段，进而将这些变形区段用不同的质量点和一维梁单元模拟的简化方法。
[0004]然而，上述专利均只针对列车的纯纵向碰撞场景，但实际列车事故中，由于列车的多车辆编组效应和复杂的列车运行环境，列车事故通常会同时存在纵向冲击和横向冲击，譬如某节车撞击另外一节车的侧面、列车侧面和铁路周边基础设施之间发生碰撞等。因此，上述技术并不适用于复杂列车事故场景的碰撞动力学响应分析，无法较为真实的还原实际碰撞工况。此外，由于上述技术方案中均将车体中间部分全部替换为质量点和一维梁单元，因此无法模拟出列车内饰的实际场景，导致构建的模型也无法用于轨道车辆的乘员二次碰撞损伤研究。
[0005]综上，现有的轨道车辆碰撞仿真简化模型构建方法均存在一定的不足，还需要进一步改进。

技术实现思路

[0006]本专利技术为了解决上述现有技术存在未考虑横向冲击、不适用于复杂列车事故场景的碰撞动力学响应分析以及无法用于轨道车辆的乘员二次碰撞损伤研究的技术问题，提供了一种轨道车辆简化模型的构建方法、碰撞模拟方法及系统。其中，本专利技术技术方案提供的所述简化模型，其一方面未将车体中间部分用质量点以及一维梁单元替代，而是设置为实心单壳结构，保留了车体外形，进而保证后续可以进行侧面碰撞/横向碰撞仿真，由此也可知，本专利技术技术方案提供的简化模型能够适应于复杂列车事故场景的碰撞研究；第二方面，也因为保留了车体外形，从而保留了车体内饰，进而可以直接将假人模型放到简化模型内
进行列车乘员的二次碰撞仿真；第三方面，本专利技术技术方案提供的简化模型的构建过程，同时考虑了纵向碰撞工况以及横向碰撞工况，使得每个简化模型的CORA值更具有代表性以及实际意义，也更符合实际工况，最终使得选择出的简化模型更符合本领域需求；第四方面，本专利技术技术方案中以厚度简化比来调整简化模型，是考虑到实际轨道车辆车体的不同部位(如车顶、车底、侧墙)的双壳厚度间距并不一样，将厚度简化比定义为简化模型的实心单壳厚度与精细化模型的中空双壳的厚度间距之比，且整个轨道车辆对应一个厚度简化比，从而针对车体中间的不同车体部位(如车顶、侧墙等)赋予不同的shell单元厚度，即基于同一个厚度简化比可以同比例缩放shell单元，使得设计过程更为简单。
[0007]一方面，本专利技术提供的一种轨道车辆简化模型的构建方法，其包括以下步骤：
[0008]步骤1：基于轨道车辆的三维结构采用有限元技术构建轨道车辆的精细化模型和简化模型；
[0009]其中，所述简化模型是将每节车厢中间部位的车体设置为实心单壳结构，两端部位设为中空双壳结构；
[0010]步骤2：参照所述精细化模型对所述简化模型进行初步设置，包括设置材料、力学性能参数以及质量点；
[0011]步骤3：进一步设置不同厚度简化比得到若干组简化模型，以及设计纵向碰撞工况、横向碰撞工况，并在每一类碰撞工况下再对所述精细化模型以及每一组厚度简化比下的所述简化模型进行碰撞仿真得到各自的碰撞响应曲线；
[0012]其中，所述厚度简化比为同一位置上所述简化模型的实心单壳厚度与所述精细化模型的中空双壳的厚度间距之比；
[0013]步骤4：基于所述简化模型和所述精细化模型的碰撞响应曲线采用CORA评价法计算出每个厚度简化比的所述简化模型对应的总CORA值；
[0014]其中，基于所述精细化模型以及每个厚度简化比的所述简化模型在同一碰撞工况下的碰撞响应曲线计算出对应每个厚度简化比的简化模型在每个碰撞工况下得到的CORA值，再对所有碰撞工况下的CORA值进行加权计算得到每个厚度简化比的简化模型的总CORA值；
[0015]步骤5：将所述总CORA值作为选择依据，从所述总CORA值最高的n组简化模型中选择出最优简化模型，其中，n的取值范围为2～5。
[0016]进一步可选地，若简化模型存在共节点，中空双壳结构的两端部位与实心单壳结构的中间部位之间的网格通过共节点连接；若不存在共节点，中空双壳结构的自由端通过刚性梁单元连接实心单壳结构。
[0017]进一步可选地，所述碰撞响应曲线至少包括：压缩量
‑
时间曲线、碰撞力
‑
时间曲线；
[0018]其中，若存在2个或2个以上的碰撞响应曲线，任一个厚度简化比的简化模型在任一个碰撞工况下得到的CORA值是每类碰撞响应曲线下所述简化模型在所述碰撞工况下的CORA值的加权平均值。
[0019]进一步可选地，所述碰撞响应曲线还包括：碰撞动能
‑
时间曲线、内能
‑
时间曲线、加速度
‑
时间曲线中的一个或多个。
[0020]进一步可选地，针对一类碰撞响应曲线，任一个厚度简化比的简化模型在任一个
碰撞工况下的CORA值按照如下公式计算得到：
[0021]C＝w1C1+w2*C2[0022]C2＝w
2a
*C
2a
+w
2b
*C
2b
+w
2c
*C
2c
[0023]式中，C表示CORA值，w1、w2、w
2a
、w
2b
、w2c均为权重因子，在本实施例中权重因子为w1＝0.4，w2＝0.6，w
2a
＝1/3，w
2b
＝1/3，w
2c
＝1/3，w1、w2求和等于1，w
2a
、w
2b
、w
2c
求和等于1，C1为通道相关性评分，C2为互相关评分，C
2a
为相位差异评分、C
2b
为峰值差异评分，C
2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种轨道车辆简化模型的构建方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：基于轨道车辆的三维结构采用有限元技术，构建轨道车辆的精细化模型和简化模型；其中，所述简化模型是将车厢中间部位的车体设置为实心单壳结构，两端部位设为中空双壳结构；步骤2：参照所述精细化模型对所述简化模型进行初步设置，包括设置材料、力学性能参数以及质量点；步骤3：进一步设置不同厚度简化比得到若干组简化模型、以及设计纵向碰撞工况、横向碰撞工况，并在每一类碰撞工况下对所述精细化模型以及每一组厚度简化比下的所述简化模型进行碰撞仿真得到各自的碰撞响应曲线；其中，所述厚度简化比为同一位置上所述简化模型的实心单壳厚度与所述精细化模型的中空双壳的厚度间距之比；步骤4：基于所述简化模型和所述精细化模型的碰撞响应曲线采用CORA评价法计算出每个厚度简化比的所述简化模型对应的总CORA值；其中，基于所述精细化模型以及每个厚度简化比的所述简化模型在同一碰撞工况下的碰撞响应曲线计算出对应每个厚度简化比的简化模型在每个碰撞工况下得到的CORA值，再对所有碰撞工况下的CORA值进行加权计算得到每个厚度简化比的简化模型的总CORA值；步骤5：将所述总CORA值作为选择依据，从所述总CORA值最高的n组简化模型中选择出最优简化模型，其中，n的取值范围为2～5。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：针对简化模型，若存在共节点，中空双壳结构的两端部位与实心单壳结构的中间部位之间的网格通过共节点连接；若不存在共节点，中空双壳结构的自由端通过刚性梁单元连接实心单壳结构。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述碰撞响应曲线至少包括：压缩量
‑
时间曲线、碰撞力
‑
时间曲线；其中，若存在2个或2个以上的碰撞响应曲线，任一个厚度简化比的简化模型在任一个碰撞工况下得到的CORA值是每类碰撞响应曲线下所述简化模型在所述碰撞工况下的CORA值的加权平均值。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述碰撞响应曲线还包括：碰撞动能
‑
时间曲线、内能
‑
时间曲线、加速度
‑
时间曲线中的一个或多个。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：针对一类碰撞响应曲线，任一个厚度简化比的简化模型在任一个碰撞工况下的CORA值按照如下公式计算得到：C＝w1C1+w2*C2C2＝w
2a
*C
2a
+w
2b
*C
2b
+w
2c
*C
2c
式中，C表示CORA值，w1、w2、w
2a
、w
2b
、w
2c
均为权重因子，w1、w2求和等于1，w
2a
、w
2b
、w
2c
求和等于1，C1为通道相关性评分，C2为互相关评分，C
2a
为相位差异评分、C
2b
为峰值差异评分，C
2c
为斜率差异评分。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述通道相关性评分C1的获取过程如下：基于所述精细化模型的碰撞响应曲线生成两个信号通道，分别为内部通道和外部通道；
基于所述简化模型的碰撞响应曲线与所述两个信号通道的位置关系计算出所...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭勇，邓功勋，高广军，姚松，谢素超，许平，姚曙光，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：