[发明专利]一种铁道车辆底架承载式吸能结构及其碰撞性能模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铁道车辆的车体部件及其碰撞性能模拟方法，尤其是一种铁道车辆底架承载式吸能结构。

背景技术

当铁道车辆发生碰撞事故后，在碰撞过程中由于被动安全保护的需要，初始碰撞动能要被完全吸收或耗散，车辆结构必须满足一定的耐撞性要求。一个设计良好的耐撞性结构必须以可控制的方式吸收或耗散全部撞击动能，在材料和结构的这些能量吸收机制中，金属薄壁结构和铝蜂窝结构作为一种低成本、高强重比、高吸能效率的吸能结构，得到了广泛的实际应用。

由于金属结构碰撞过程同时具有几何非线性、材料非线性、接触非线性三重非线性，结构耐撞性研究中的重要参数，诸如结构的压缩距离、载荷峰值、屈曲形式对于边界条件(如工件约束方式、材料参数)是高度敏感的。由于碰撞试验是一种破坏性试验，不可能大量重复进行。随着计算机技术的发展和显式有限元方法的进一步成熟，使得利用计算机数值技术对结构撞击过程的模拟成为可能，计算成本相对较低，可重复性好、周期短。

发明内容

本发明的目的是提供一种铁道车辆底架承载式吸能结构，该吸能结构在正常运行下，具有良好的传递纵向力性能，在发生碰撞时产生有序可控的塑性大变形来吸收能量，在整个撞击过程中，整个吸能结构按预期设计的过程一级一级地发生有序的塑性变形来耗散冲击动能。并提供一种吸能结构碰撞性能模拟方法，利用该方法模拟结构碰撞破坏的过程，可以逐个对影响结构撞击破坏的因素进行分析，将其一一解耦，大大提高结构撞击数值模拟的精度，从而进一步为整车、多车的数值模拟提供参考。

本发明的技术方案为：一种铁道车辆底架承载式吸能结构，位于铁道车辆车体底架纵向方向的两端，并与底架其它部分结构组焊起来形成完整的车体底架结构；其特征在于，所述吸能结构由牵引梁、底架纵梁、底架横梁和纵向吸能方管组成，吸能方管在纵向方向总共布置有n级，其中n≥3，第一级纵向吸能方管位于整个底架结构最外端，第二级纵向吸能方管紧邻于第一级纵向吸能方管向底架结构中部延伸，第n级纵向吸能方管紧邻于第n-1级纵向吸能方管向底架结构中部延伸，各级纵向吸能方管之间采用底架横梁进行分隔；每一级的各个吸能方管在牵引梁两侧对称布置，每一级吸能方管在横向布置的方管组数为m组，其中m为偶数，且m≥2；每一级吸能方管均有对称布置的开孔结构，相对于牵引梁对称布置的两组方管开孔方向一致，在横向方向开孔时，控制吸能方管产生垂向方向的褶皱，在垂向方向开孔时，控制吸能方管产生横向方向的褶皱，从而实现吸能方管的多级有序变形控制，开孔形状为圆孔、方孔或圆孔和方孔相组；每个吸能方管内均布置有多孔隙材料，多孔隙材料外表面与吸能方管内表面贴合；所述吸能结构的纵向吸能方管的多级有序变形控制的方法有：①通过控制方管的壁厚来实现：第一级方管壁厚＜第二级方管壁厚＜...＜第n-1级方管壁厚＜第n级方管壁厚；②或通过控制方管的截面周长来实现：第一级方管截面周长＜第二级方管截面周长＜...＜第n-1级方管截面周长＜第n级方管截面周长；③或通过控制方管的开孔大小来实现：第一级方管开孔大小＞第二级方管开孔大小＞...＞第n-1级方管开孔大小＞第n级方管开孔大小；④或通过控制每一级吸能方管在横向布置的方管组数来实现：第一级方管组数＜第二级方管组数＜...＜第n-1级方管组数＜第n级方管组数；⑤或通过控制方管内的多孔隙材料的纵向刚度来实现：第一级孔隙材料纵向刚度＜第二级孔隙材料纵向刚度＜...＜第n-1级孔隙材料纵向刚度＜第n级孔隙材料纵向刚度；⑥或通过上述任意两项或两项以上的控制方式组合实现；所述吸能结构在正常运行下，与车体其他结构一样主要用于承载，在发生碰撞时通过产生有序可控的塑性大变形来耗散冲击能量。

其中，所述多孔隙材料外表面与吸能方管内表面贴合，允许留有一定的空隙；所述多孔隙材料外形为长方体、圆柱体或椭圆柱体。所述多孔隙材料为蜂窝铝，蜂窝铝的孔隙方向为纵向方向。所述多孔隙材料为泡沫铝。

一种铁道车辆底架承载式吸能结构的碰撞性能的模拟方法，采用显式动态非线性大变形有限元分析，牵引梁、底架纵梁和底架横梁在厚度方向上的尺寸远小于长度和宽度方向上的尺寸，牵引梁、底架纵梁和底架横梁采用描述大位移、大转动、大应变的四节点薄壳单元模拟，并采用20mm进行网格划分。其中，各个方管内的多孔隙材料采用实体单元和Honeycomb材料模拟，并且每个方管内的多孔隙材料均离散成一个单元。

该吸能结构的碰撞性能的模拟方法，采用静态压缩工况和动态冲击工况进行分析。

附图说明

图1为底架承载式吸能结构示意图；

图2为底架承载式吸能结构在底架上的位置示意图；