基于耐撞性和刚度车辆端部底架的拓扑概念设计

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1、万方数据硕士学位论文1绪论在国外，世界各国的铁路系统从20世纪80年代中后期就已经开始对列车碰撞领域的被动安全防护技术进行了很长时间的研究。这些国家主要是根据发生车辆碰撞事故的现场情况进行取证分析，通过对这些事故进行整理、对比和深度挖掘，制定了适用于自己国家的轨道安全标准睁51。这些规范和标准在轨道车辆的设计中起到了良好的作用。英国的研究学者【61提出了可控的变形模式、车体结构耐撞性和碰撞中吸能量的概念，并且还进行了车辆的实体碰撞，这些工作都为以后车辆结构设计提供了新的思路。英国铁路部门采用碰撞理论、有限元技术和实车碰撞试验相结合的方法，提出了车辆在发

2、生碰撞事故时，进行耐冲击车体的研究方法和理论体系，总结出车辆以耐撞性作为设计目标时，根据车辆运行速度大小的不同将分成三种不同的吸能情况：当发生碰撞时，第一种吸能情况，碰撞产生的能量全部由车钩缓冲器全部吸收；当发生碰撞时，第二种吸能情况，应该由车钩缓冲器和列车前端设计的吸能结构来吸收碰撞的能量；发生碰撞时第三种吸能情况，通过车钩缓冲器和列车前端设计的吸能结构来吸收能量，未被吸收的能量，将使车体自身结构发生变形来吸收能量。英国铁路部门的研究结果认为，在进行车辆结构的耐撞性设计时，首先要考虑的是司机及载客区乘员的安全，且碰撞时产生的加速度必须符合相关标准。美

3、国交通联邦委员会通过调查线路和主动安全措施与碰撞事故耦合的方法以及实车碰撞等工作，规定了车体的非载人为碰撞时能够以可控方式压溃从而吸收冲击动能，整列车至少吸收13MJ的能量，其中动车头部应能吸收5MJ，动车尾端吸收3MJ能量，机次位客车靠近动车的端部吸收5MJ，当两列车48km／h速度正面碰撞时，客室内加速度不超过89。日本车辆的耐撞性设计主要是针对车体端部进行吸能结构的设计以及吸能材料的研究上。法国国铁(SNCF)对吸能部件进行了一系列的撞击试验，提出了防爬装置、人体承受减速度等耐冲击车体设计指标及要求即01。我国对于车辆被动安全保护技术的研究工作开

4、展的较晚，但是随着国家经济的发展，运输需求的不断增大，国家对铁路运输的投入和重视程度逐步加大，与铁路相关的研究所、高校、南车和北车等已经在车辆的被动安全保护技术上取得了一定的研究成果。中南大学轨道交通安全教育部重点实验室【11-13】通过有限元方法对结构在碰撞过程进行了一系列的数值模拟，并己形成了一套自己的碰撞研究体系。还有西南交通大学单其雨、肖守讷等人【14】对采用有限元软件Dyna对车辆的吸能装置进行分析，研究其吸能特性。北京交通大学张乐乐、张啸雨等人[15】通过对关键参数的仿真分析，评估地铁头车的耐撞性。随着铁路运输需求量不断增长，在轨道车辆碰撞

5、的安全性领域进行“以人为本”的设计理念已经成为一个大的研究趋势。随着武广高铁等多条高速铁路的投入使用，我国的铁路运输业将更加蓬勃发展。而随着列车运营速度和车流密度的2万方数据硕士学位论文1绪论不断提高，车辆安全问题也受到高度重视。基于车辆被动安全防护的思想，进行列车耐撞性设计，来最大化的减少碰撞事故带来的人员伤亡和财产损失，具有重大意义。4．2耐撞性优化方法随着计算机有限元技术和工程结构优化设计方法的快速发展，计算机辅助设计(ComputerAidedDesign，简称CAD)和计算机辅助工程(CompeerAidedEngineering，简称CA．

6、E)技术已经广泛应用到国内外研究的各个领域，现代企业或科研单位等在进行新产品的开发或者科研项目的研究过程中，采用有限元技术和工程结构优化设计方法来解决这些问题已经成为一种必不可少的重要手段，它可以用来对科研项目中出现的工程应用问题进行模拟仿真，将理论与工程实现联系的更加紧密，并形成完善的理论基础，也可以用来在产品的初始设计阶段，对初步成型的产品进行性能上的预测和评估，为产品提供改进方案，为新产品的开发提供强有力地保障。最重要的是有限元技术和工程结构优化设计方法相比于传统的经验设计方法，不仅缩短了研究设计周期，也降低了新产品的开发设计成本，同时开发出的产

7、品在性能上会更加优越。目前有限元技术在工程结构静力学问题的优化设计已经非常成熟，而且在处理结构的非线性动力学问题和结构的优化问题方面也目渐成熟。在本文中研究的对象是基于车辆结构的耐撞性进行优化设计。车辆的耐撞性设计是一个不断发展的学科，它融合了车辆碰撞仿真和优化设计方法。它的目标是在制造成本和制造空间的约束下，提高乘客的安全性。在碰撞设计问题中，耐撞性设计的过程需要处理碰撞中模型复杂的碰撞接触关系。目前常采用的方法是利用参数化优化的方法得到响应面来近似模拟优化设计空间。这是由于采用原优化设计问题的高精度模型，在碰撞的数值模拟中，需要耗费高昂的计算成本，

8、而且由于设计空间内的高度非线性，求解效率很低，但是采用响应面法能通过构造与优化问题近似的函数，