一种基于参数化设计的整车碰撞仿真方法技术

本发明专利技术涉及一种基于参数化设计的整车碰撞仿真方法，属于非线性有限元和非线性多体动力学领域。本方法用非线性有限元软件算出各吸能元件的撞击力-冲程，根据吸能元件串/并联吸能特性确定各车厢之间能量吸收装置的等效总刚度，然后建立了基于参数化设计的整车碰撞动态性能分析模型，结合约束条件得到吸能元件吸能特性的最佳组合，从而得到整车碰撞中各车厢的运动和纵向载荷的最佳值。本方法将非线性有限元和非线性多体动力学两者结合起来进行整车碰撞仿真研究，建立的模型模拟了材料的非线性和弹塑性变形，同时将头车的碰撞仿真分析扩展到整车。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，属于非线性有限元和非线性多体动力学相结合的轨道车辆整车碰撞研究领域。
技术介绍
列车由多节车厢组成，其碰撞不同于汽车、飞机、船舶等交通工具的单体撞击，它既有单车的撞击破坏情况，又有各车间的互撞问题。列车多体偶合撞击既有多质点系统动力学，又有塑性大变形的结构动力学，列车多体撞击动力学的研究涵盖了多质点系统动力学、弹塑性结构动力学、冲击动力学等固体力学的理论及方法。目前国内对轨道车辆被动安全技术的研究主要有两类一是运用多体动力学软件来分析列车在碰撞过程中的运动学、 动力学特性，由于这些软件不能很好的模拟材料的非线性和弹塑性变形，工程运用中有其局限性；另外一种就是运用有限元软件如LS-DYNA、MSC-DYTRAN等进行结构的大变形、非线性瞬态分析，由于这些软件在计算中，单元的变形和扭曲，会引起时间步长的急剧减小，导致计算效率下降，当时间步长小于最小时间步时系统报错致使计算停止，工程运用中模型不能大，研究集中在对头车进行各工况的非线性有限元碰撞仿真分析。国内目前对轨道车辆被动安全技术的研究离工程应用尚有一段距离，在进行碰撞分析的过程中，研究集中在对头车进行了各工况的非线性有限元碰撞仿真分析，但是没有对整车碰撞的有效的仿真方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述
技术介绍
的不足，提供了。本专利技术为实现上述专利技术目的采用如下技术方案，包括如下步骤步骤1，确定整车各吸能元件的撞击力-冲程图，确定各车厢之间能量吸收装置的等效总刚度，所述能量吸收装置包括多个吸能元件，具体步骤如下步骤1-1，采用非线性有限元分析方法进行数值仿真求解或者实验得到吸能元件的撞击力一冲程图；步骤1-2，确定能量吸收装置的等效总刚度当吸能元件并联时，且各吸能元件的变形不耦合，并联后的刚度大小为各吸能元件原有撞击力相加，冲程不变；当吸能元件串联时，串联后的刚度大小为各吸能元件原有冲程相加，撞击力不变；步骤2，定义整车碰撞力学模型，用U1,…，UnWN个坐标来描述车厢Hi1, ···，!％ 从静平衡位置算起的位移，…，fN是作用在车体Hi1,…，mN上的摩擦力，N为总车厢数， F1(u),…，fn(u)是头车和其它车的能量吸收装置的等效作用力，按Newton第二定律写出N节车厢的运动微分方程IIi1U1 = F2 (U2-U1) -F1 (U1)m2ii2 = F2 (U3-U2) -F2 (U2-U1) +f2...m^iU^! = F2 (Un-Uh) -F2+^1mNuN = -F2 (Un-Uim) +fN其中，U1(O)=U10，-,Un(O) = UnojM1(O) =M10,...,Mw(O) = Mwo ;ul(0)，…，uN(0)、 、(0),···，‘(())分别为系统中各车厢的初始位移和初始速度；步骤3，利用多体动力学软件对步骤2得到的整车碰撞力学模型进行基于参数化设计的数值仿真求解，具体步骤如下步骤3-1，引入设计变量表示各吸能元件的撞击力和冲程，建立头车与其它车能量吸收装置刚度的STEP运行过程函数；所述头车的STEP运行过程函数为step(-TL，0，0，2*DV_2/DV_1，DV_2)+step(_TL，2*DV_2/DV_1+2*DV_3，0，2*DV_2/ DV_l+2*DV_3+0. 0001，2*DV_4-DV_2)；所述其它车的STEP运行过程函数为step(-HL，0，0，2*DV_6/DV_5，DV_6)+step (_HL，2*DV_6/DV_5+2*DV_9，0， 2*DV_6/DV_5+2*DV_9+0. 0001，DV_8)+step (-HL,2*DV_6/DV_5+2*DV_7, 0, 2*DV_6/ DV_5+2*DV_7+0. 0001，-DV_6)；其中，TL为头车能量吸收装置压溃距离，HL为其它车能量吸收装置压溃距离， DV_1为头车缓冲器刚度，DV_2为头车压溃管撞击力，DV_3为头车压溃管冲程，DV_4为头车吸能元件撞击力，DV_5为其它车缓冲器刚度，DV_6为其它车压溃管撞击力，DV_7为其它车压溃管冲程，DV_8为其它车吸能元件撞击力，DV_9为其它车压溃管并联吸能元件的冲程；步骤3-2，设车厢之间能量吸收装置的单作用力函数为IF (相对速度+0. 001 =STEP 运行过程函数，STEP运行过程函数，STEP (相对速度，-0. 001，STEP运行过程函数，0，0))，该表达式即为F1 ( Δ u)、F2 ( Δ u)的力学机理表达式，头车和其它车运行过程函数不同，建立步骤2所述运动微分方程的仿真模型；步骤3-3，分别对步骤3-1所述的各设计变量在其取值范围内取若干数值进行仿真分析，获得各车厢能量吸收装置压溃冲程的变化对吸能元件撞击力、冲程等参数变化的敏感程度；步骤3-4，结合列车车体的承载能力以及优化条件，对敏感程度大的设计变量做参数优化分析，设定设计变量的变化范围以及整车碰撞力学模型的约束条件，求解步骤2建立的微分方程组，得到满足约束条件的吸能元件撞击力和冲程最佳值；所述参数优化分析的优化目标为第二节车厢的能量吸收装置压溃冲程的模值最大；所述约束条件指头车和第二节车厢能量吸收装置压溃冲程的模值小于头车和第二节车厢能量吸收装置的最大安全压溃冲程的模值。所述基于参数化设计的轨道车辆整车碰撞仿真方法中，整车中各吸能元件的撞击力指平均撞击力。本专利技术采用上述技术方案，具有以下有益效果只需对部分吸能元件用仿真或试验手段测出其吸能特性参数即可，而不需要进行整车碰撞试验，对试验技术等要求不高，参数化设计可以得到参数对性能的敏感度大小及满足约束条件的吸能元件吸能特性最佳参数组合。平均撞击力代替撞击力可以降低计算复杂度，简化仿真算法。附图说明图1为具体实施方式中所述车厢之间能量吸收装置的结构示意图；图2为头车的车钩缓冲装置撞击力-冲程图；图3为两头车之间两个车钩缓冲装置串联后的等效撞击力-冲程图；图4为两头车之间能量吸收装置最终的撞击力-冲程图；图5为具体实施方式中所述多自由度碰撞振动系统图。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术的技术方案进行详细说明基于参数化设计的整车碰撞仿真方法主要思想是根据轨道车辆能量吸收装置中吸能元件及其串/并联吸能特性建立各节车厢之间能量吸收装置刚度(撞击力-冲程)的参数化运行过程函数，并基于运行过程函数进行各节车厢之间能量吸收装置非线性撞击力的力学机理模拟，然后建立整车碰撞多自由度振动系统的力学模型，建立了一个适用于非线性多体动力学的基于参数化设计的整车碰撞动态性能分析模型，将头车的碰撞仿真分析扩展到整车。撞击吸能元件的刚性质量块与该吸能元件的质量比对撞击力无影响，撞击力不随质量比的改变而改变，撞击速度对撞击力的影响不大，吸能元件撞击力-冲程(刚度)是吸能元件自身的固有特性，所以通过非线性有限元分析方法进行数值仿真求解或者实验能够得到吸能元件的撞击力一冲程图；轨道车辆各车厢之间的能量吸收装置是由各种吸能元件共同组成的，根据吸能元件及其串/并联吸能特性确定头车及其它车之间能量吸收装置的等效总刚度，是多体动力学和非线性有限元两者结合起来进行整车碰撞仿真研究的关键点所在。经研究发现，吸能元件及其串/并联吸能特性符合下列原则撞击吸能本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种基于参数化设计的整车碰撞仿真方法，其特征在于包括如下步骤：步骤１，确定整车各吸能元件的撞击力－冲程图，确定各车厢之间能量吸收装置的等效总刚度，所述能量吸收装置包括多个吸能元件，具体步骤如下：步骤１－１，采用非线性有限元分析方法进行数元件撞击力和冲程最佳值；所述参数优化分析的优化目标为第二节车厢的能量吸收装置压溃冲程的模值最大；所述约束条件指头车和第二节车厢能量吸收装置压溃冲程的模值小于头车和第二节车厢能量吸收装置的最大安全压溃冲程的模值。的变化对吸能元件撞击力、冲程等参数变化的敏感程度；步骤３－４，结合列车车体的承载能力以及优化条件，对敏感程度大的设计变量做参数优化分析，设定设计变量的变化范围以及整车碰撞力学模型的约束条件，求解步骤２建立的微分方程组，得到满足约束条件的吸能），该表达式即为Ｆ１（Δｕ）、Ｆ２（Δｕ）的力学机理表达式，头车和其它车运行过程函数不同，建立步骤２所述运动微分方程的仿真模型；步骤３－３，分别对步骤３－１所述的各设计变量在其取值范围内取若干数值进行仿真分析，获得各车厢能量吸收装置压溃冲程元件撞击力，ＤＶ＿９为其它车压溃管并联吸能元件的冲程；步骤３－２，设车厢之间能量吸收装置的单作用力函数为ＩＦ（相对速度＋０．００１：ＳＴＥＰ运行过程函数，ＳＴＥＰ运行过程函数，ＳＴＥＰ（相对速度，－０．００１，ＳＴＥＰ运行过程函数，０，０）车能量吸收装置压溃距离，ＤＶ＿１为头车缓冲器刚度，ＤＶ＿２为头车压溃管撞击力，ＤＶ＿３为头车压溃管冲程，ＤＶ＿４为头车吸能元件撞击力，ＤＶ＿５为其它车缓冲器刚度，ＤＶ＿６为其它车压溃管撞击力，ＤＶ＿７为其它车压溃管冲程，ＤＶ＿８为其它车吸能，２＊ＤＶ＿６／ＤＶ＿５＋２＊ＤＶ＿９＋０．０００１，ＤＶ＿８）＋ｓｔｅｐ（－ＨＬ，２＊ＤＶ＿６／ＤＶ＿５＋２＊ＤＶ＿７，０，２＊ＤＶ＿６／ＤＶ＿５＋２＊ＤＶ＿７＋０．０００１，－ＤＶ＿６）；其中，ＴＬ为头车能量吸收装置压溃距离，ＨＬ为其它，０，２＊ＤＶ＿２／ＤＶ＿１＋２＊ＤＶ＿３＋０．０００１，２＊ＤＶ＿４－ＤＶ＿２）；所述其它车的ＳＴＥＰ运行过程函数为：ｓｔｅｐ（－ＨＬ，０，０，２＊ＤＶ＿６／ＤＶ＿５，ＤＶ＿６）＋ｓｔｅｐ（－ＨＬ，２＊ＤＶ＿６／ＤＶ＿５＋２＊ＤＶ＿９，０变量表示各吸能元件的撞击力和冲程，建立头车与其它车能量吸收装置刚度的ＳＴＥＰ运行过程函数；所述头车的ＳＴＥＰ运行过程函数为：ｓｔｅｐ（－ＴＬ，０，０，２＊ＤＶ＿２／ＤＶ＿１，ＤＶ＿２）＋ｓｔｅｐ（－ＴＬ，２＊ＤＶ＿２／ＤＶ＿１＋２＊ＤＶ＿３ｏ）；（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍａｔｈ）ｕ１（０），…，ｕＮ（０）、分别为系统中各车厢的初始位移和初始速度；步骤３，利用多体动力学软件对步骤２得到的整车碰撞力学模型进行基于参数化设计的数值仿真求解，具体步骤如下：步骤３－１，引入设计ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）＝（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｏｖｅｒ）?（ｍｉ）ｕ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＆ＣｅｎｔｅｒＤｏｔ；（／ｍｏ）?（／ｍｏｖｅｒ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｉ）Ｎ（／ｍｉ）?（ｍｎ）０（／ｍｎ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｏ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｏｖｅｒ）?（ｍｉ）ｕ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＆ＣｅｎｔｅｒＤｏｔ；（／ｍｏ）?（／ｍｏｖｅｒ）?（ｍｉ）Ｎ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｎ）０（／ｍｎ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｏｔ；（／ｍｏ）?（／ｍｏｖｅｒ）?（ｍｎ）１０（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｏ），（／ｍｏ）?（ｍｏ）＆ＣｅｎｔｅｒＤｏｔ；（／ｍｏ）?（ｍｏ）＆ＣｅｎｔｅｒＤｏｔ；（／ｍｏ）?（ｍｏ）＆ＣｅｎｔｅｒＤｏｔ；（／ｍｏ）?（ｍｏ），（／ｍｅｒ）?（ｍｎ）１（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｎ）０（／ｍｎ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）＝（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｏｖｅｒ）?（ｍｉ）ｕ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＆ＣｅｎｔｅｒＤ－２）＋ｆＮ－１ｍＮüＮ＝－Ｆ２（ｕＮ－ｕＮ－１）＋ｆＮ其中，ｕ１（０）＝ｕ１０，…，ｕＮ（０）＝ｕＮ０，（ｍａｔｈ）??（ｍｒｏｗ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｏｖｅｒ）?（ｍｉ）ｕ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＆ＣｅｎｔｅｒＤｏｔ；（／ｍｏ）?（／ｍｏｖ收装置的等效作用力，按Ｎｅｗｔｏｎ第二定律写出Ｎ节车厢的运动微分方程：ｍ１ü１＝Ｆ２（ｕ２－ｕ１）－Ｆ１（ｕ１）＋ｆ１ｍ２ü２＝Ｆ２（ｕ３－ｕ２）－Ｆ２（ｕ２－ｕ１）＋ｆ２．．．ｍＮ－１üＮ－１＝Ｆ２（ｕＮ－ｕＮ－１）－Ｆ２（ｕＮ－１－ｕＮ冲程相加，撞击力不变；步骤２，定义整车碰撞力学模型，用ｕ１，…，ｕＮ的Ｎ个坐标来描述车厢ｍ１，…，ｍＮ从静平衡位置算起的位移，ｆ１，…，ｆＮ是作用在车体ｍ１，…，ｍＮ上的摩擦力，Ｎ为总车厢数...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：聂宏，晋萍，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：84