[发明专利]一种轨道车辆碰撞有限元假人及仿真系统建模方法

权利要求书

1.一种轨道车辆碰撞有限元假人及仿真系统建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：通过分段计算假人有限元模型缩放系数来建立具有目标人体特征参数的假人有限元模型；分段计算假人有限元模型缩放系数的原理为：对欧美假人有限元模型进行体段划分并建立局部坐标系，在不同体段的外表面建立变形体并将人体模型完全包络在其中，利用变形体控制模型的形状，实现模型的缩放；首先将人体分为多个体段，包括：头部、颈部、躯干、左上臂、右上臂、左小臂、右小臂、左大腿、右大腿、左小腿、右小腿，然后，针对不同体段分别计算尺寸和质量缩放系数；设λ_x、λ_y和λ_z为各个体段在X、Y、Z三个方向上对应的缩放系数；为保证缩放后的假人有限元模型与缩放前的假人有限元模型具有相同的质量分布，λ_x和λ_y必须相等，并且通过质量缩放系数R_m来约束λ_x、λ_y和λ_z三者的关系；

头部的尺寸缩放系数为头部周长、头部宽度和头部长度之和的比值，可表示为：

                 (1)

其中，C表示头部周长，W表示头部宽度，L表示头部长度，下角标S和H分别代表目标人体特征参数和欧美假人有限元模型特征参数；

为保证头部在缩放后的质量分布与缩放前相同，质量缩放系数R_m定义为尺寸缩放系数的三次方：

                              (2)

颈部和躯干体段在Z方向上的尺寸缩放系数λ_z采用人体坐姿直立高度来确定，表示为：

                                   (3)

其中，ESH为坐姿直立高度；

颈部和躯干体段的质量缩放系数根据人体总体重确定，可表示为：

                           (4)

其中，TBW代表人体体重；

为保证假人模型缩放后的质量分布与缩放前相同，颈部和躯干体段在X和Y方向上的尺寸缩放系数λ_x和λ_y需要满足下式：

                               (5)

所述左上臂、右上臂、左小臂、右小臂、左大腿、右大腿、左小腿、右小腿体段的尺寸缩放系数与颈部和躯干体段的缩放系数计算方法相同；其中，尺寸缩放系数λ_z为目标人体与欧美假人有限元模型对应体段的长度之比，质量缩放系数R_m为对应体段质量之比；

S2：建立考虑车体碰撞吸能结构与轮轨滚动接触行为的多编组列车碰撞有限元模型；建立列车的吸能结构、车体、转向架、轨道有限元模型，根据列车几何结构特征，对列车实体模型进行抽取中面处理并采用4节点壳单元进行离散，且中面模型与实体模型各组成部分具有相同的连接方式，列车上设备采用质量单元模拟，并通过3节点梁单元与车体连接；

根据车轮踏面类型及轨道结构建立轮轨滚动接触有限元模型，采用8节点实体单元对钢轨和轮对进行离散处理，采用考虑应变率效应的弹塑性材料模型模拟车轮和钢轨材料，轮轨之间设置自动面-面接触，对轮轨接触区域网格进行局部细化；

对轮对和车体均施加相同的平动速度，同时在车轮上施加相应的转动速度，从而获得考虑车体碰撞吸能结构与轮轨滚动接触行为的多编组列车碰撞有限元模型；

S3：建立轨道车辆内部的刚柔耦合模型；在进行有限元建模时对座椅模型进行简化，删除对座椅运动及力学性能无关的零部件，并将在碰撞过程中不与司乘人员发生作用的部件进行刚化处理；对座椅骨架采用八节点实体单元进行离散处理，并对骨架材料进行模拟；对座椅靠背及坐垫采用八节点实体单元进行离散处理，并对靠背及坐垫材料进行模拟；座椅底座采用八节点实体单元进行离散处理，并对底座材料进行模拟；对座椅有限元模型与列车有限元模型进行连接得到轨道车辆内部的刚柔耦合模型；

S4：将S1中得到的具有目标人体特征参数的假人有限元模型和S3中得到的轨道车辆内部的刚柔耦合模型置入S2中得到的考虑车体碰撞吸能结构与轮轨滚动接触行为的多编组列车碰撞有限元模型中，采用LS-DYNA的动态松弛功能对假人-座椅模型进行接触静态分析，得到静态位移场/应力场；将得到的静态位移场/应力场输入到有限元模型中进行应力初始化，建立可预测目标司乘人员损伤的轨道车辆和假人有限元模型一体化被动安全性仿真分析系统。