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列车与活体侵入物高速碰撞下排障器结构优化设计

列车与活体侵入物高速碰撞下排障器结构优化设计

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作者：付耿哲华东交通大学

学位级别：硕士

随着铁路行业高速发展,列车运行速度也大幅度提升,但是高速也带来了更多的安全性问题。列车在高速运行时,发生碰撞将会产生更严重的安全事故。为了防止事故的产生,各国都采取了各种防护措施。但是仍时常发生活体侵入物与列车碰撞事故,... 详细信息

随着铁路行业高速发展,列车运行速度也大幅度提升,但是高速也带来了更多的安全性问题。列车在高速运行时,发生碰撞将会产生更严重的安全事故。为了防止事故的产生,各国都采取了各种防护措施。但是仍时常发生活体侵入物与列车碰撞事故,尤其是在防护措施并不完善的部分国家与地区。作为列车防碰撞主要部件之一,排障器保证了列车的行驶安全。然而现有排障器设计仍不完善。为研究列车与活体侵入物高速碰撞的安全性以及排障器的结构优化,论文通过实体扫描创建了填充式生物体模型,使用拓扑优化的方法对高速碰撞下的排障器结构进行优化,优化结构能够保证列车运行的安全性。主要研究内容从以下三方面展开:(1)以生物体猪作为活体侵入物对象,通过实物扫描得到生物体轮廓外形,使用逆向工程设计的方法得到CAD模型;根据生物体猪的解剖结构,构建包含皮肤、硬质骨、软质骨、器官等组织的填充式生物体有限元模型,并给不同组织赋予材料属性;通过生物体摆锤侧碰和下部细长棒正碰试验,对比实体碰撞数据与仿真计算结果,验证了模型的有效性。填充式生物体有限元模型既能保证计算精度,又能有效提高计算效率。(2)建立包含排障器的简化列车有限元模型。在列车前进方向的左侧、居中和右侧位置与侵入物发生碰撞等三种工况下,分析排障器开口角对碰撞性能的影响。计算结果显示:对于等效Mises应力,试验最优值为排障器开口角150°,与碰撞位置左侧,其平均数值为879.3MPa;对于排障器变形程度,试验最优值同样为试验最优值为排障器开口角150°与碰撞位置左侧,其平均数值为27.5mm。采用等效静态载荷法,利用数据处理软件Excel和Matlab对碰撞载荷进行提取,以柔度最小为目标,通过变密度法对排障器结构进行拓扑优化。优化结果显示:排障器在不同工况下塑性变形最大值分别下降5.07%、25.6%和3.9,总质量降低9.94%。(3)对照EN15227-2020欧洲碰撞安全性标准,设定不同工况,对排障器变形量、应力分布以及接触力进行计算,分别分析静态下和动态下的排障器安全性。结果表明:在静态载荷作用下排障器产生最大应力值分别为405MPa、386MPa,出现在偏中心位置及吊座连接处,满足材料许用应力要求,故排障器结构在这两种工况下均满足强度设计要求;在动态载荷作用下,优化后排障器碰撞接触力性能与碰撞位置有关,但优化后各个碰撞位置的接触力曲线均有不同程度的改善,碰撞产生的塑性变形更小,接触力峰值更为合理,轻量化效果明显,保证了列车与动物体高速碰撞下的安全性。

关键词：生物体有限元建模列车碰撞仿真结构优化排障器

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双向承载蜂窝防爬器的设计与碰撞吸能评估研究

双向承载蜂窝防爬器的设计与碰撞吸能评估研究

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作者：靳智慧北京交通大学

学位级别：硕士

随着轨道列车的普及以及铁路里程的增加,火车及地铁越来越成为人们出行的主要选择,但是伴随着现代列车速度的不断提升以及载重量的不断增大,列车出现的事故量也随之增加。为了尽可能的降低列车碰撞带来的损伤程度,在列车的发展过程中逐... 详细信息

随着轨道列车的普及以及铁路里程的增加,火车及地铁越来越成为人们出行的主要选择,但是伴随着现代列车速度的不断提升以及载重量的不断增大,列车出现的事故量也随之增加。为了尽可能的降低列车碰撞带来的损伤程度,在列车的发展过程中逐渐出现了列车的碰撞吸能装置,其中防爬器作为当今列车的主要缓冲装置,其发展受到了轨道车辆行业的高度重视,而传统的蜂窝防爬器其内部的蜂窝填充芯由于其单向承载的特性使得防爬器在承受纵向和垂向载荷的能力极不平衡,因此研制具有良好双向承载能力的防爬器具有重要意义。本文首先着重介绍了双向承载蜂窝的选型,通过分析各种构型的设计思路和加工可行性,最终选择具有良好双向承载能力的加板蜂窝构型作为本文研究的重点,并且通过设计要求和安装空间要求确定了蜂窝芯的强度。然后根据车型设计要求对防爬器进行设计,重点介绍了设计防爬器的原因以及具体的设计细节,并且通过理论计算确定了其剪断螺栓采用的强度等级。其次利用铝合金拉伸实验得到的数据作为输入信息建立加板六边形蜂窝的模型,根据模型仿真所得的承载力参数进行加板蜂窝芯的实物制作,并对蜂窝小块进行压缩仿真,证明蜂窝芯的承载力与仿真结果一致,满足蜂窝强度的设计要求,并且根据该蜂窝强度建立出可以很好反应原模型力学性能的等效蜂窝模型。之后将防爬器的有限元模型建立后与等效蜂窝合并为蜂窝防爬器碰撞模型,并且对防爬器的工作性能进行仿真分析,分析结果表明该防爬器的各项工作性能满足列车的设计要求。最后进行整车与防爬器模型的耦合仿真,参照EN15227中对城市轨道列车的碰撞工况标准,设计单列未安装防爬器的列车撞击固定刚性墙、单列安装防爬器的列车撞击固定刚性墙和列车垂向偏移40mm撞击另一相同的静止列车三种不同的碰撞工况进行对比分析。分析内容包括列车在碰撞过程中的速度变化、司机室变形情况、各部件吸收能量以及列车损坏最严重部位。通过三组仿真的对比分析证明新设计的双向承载蜂窝防爬器具有良好的纵向和垂向吸能能力,可以对列车车体进行了有效的保护,符合新型地铁列车对防爬器的吸能设计要求。

关键词：加板蜂窝防爬器承载能力吸能量列车碰撞仿真

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