高速列车耐撞性结构及安全性研究__西南交通大学_

国内图书分类号：U271.91密级：公开国际图书分类号：629西南交通大学研究生学位论文高速列车耐撞性结构及安全性研究年级2009级姓名张志新申请学位级别工学硕士专业车辆工程指导老师肖守讷研究员二零一二年五月ClassifiedIndex:U271.91U.D.C:629SouthwestJiaotongUniversityMasterDegreeThesisRESEARCHONCRASHWORTHYSTRUCTURESANDCOLLISIONSAFETYFORHIGH-SPEEDTRAINSGrade:2009Candidate:ZhixinZhangAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpeciality:VehicleEngineeringSupervisor:Prof.ShouneXiaoMay,2012西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1．保密□，在年解密后适用本授权书；2．不保密□，使用本授权书。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导老师签名：日期：日期：西南交通大学硕士学位论文主要工作（贡献）声明本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下：（1）在阅读大量文献的基础上，分析对比了碰撞条件下车钩装置的模拟方法，提出了一种对车钩装置模拟的新方法。该方法不但可以准确模拟列车碰撞中车钩装置的机械特性，还可以模拟车钩装置在受到极限载荷后的破坏或脱落。采用该方法模拟车钩装置，可提高模拟列车碰撞的可信度。（2）以HYPERMESH作为LS-DYNA的前处理工具，对列车吸能元件进行了有限元建模，采用高度非线性显式动态有限元软件ANSYS/LS-DYNA进行了多方案、多参数的吸能特性研究。通过设置不同的吸能元件材料参数，得到屈服应力和应变率系数对吸能特性的影响较大。（3）针对高速列车速度高、动能大的特点，设计了车体被动安全防护的特殊端部吸能结构，研究了高速列车头车司机室端两级吸能装置以及车体端部弱刚度结构的吸能特性。结果表明一位端端两级吸能装置变形有序，具备约3.4MJ的能量吸收能力，可有效保护司机室结构；车体二位端弱刚度区具备6.5MJ的能量吸收能力，可有效保护乘客区结构的安全，将上述结构应用于某型高速动车组车体，并按照欧洲标准EN15227对该列车进行三种工况的验证，能够满足标准要求。（4）在提取典型碰撞工况车辆动力学响应的基础上，研究了列车内部结构与乘客的二次碰撞，这为列车内部初期设计以及乘员安全性评价提供了新思路。在对典型碰撞工况乘员安全性评估的同时，研究了不同座椅布置、座椅刚度及安全带对高速列车乘员二次碰撞安全性的影响。本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。学位论文作者签名：日期：西南交通大学硕士研究生学位论文第I页摘要我国幅员辽阔人口众多，发展高速铁路可大大缩短各地区及省市间的旅行时间，是我国铁路可持续发展的必然。然而，高速列车一旦发生碰撞事故，将可能给旅客的生命财产带来极大的破坏，时而发生的列车碰撞事故向人们昭示着开展列车被动安全防护技术研究的必要性。本文在总结研究国内外研究现状的基础上，讨论了耐撞性车辆设计及仿真中的关键技术，研究了高速列车的耐撞性结构及乘员安全。论文首先对列车碰撞仿真中所涉及到的材料本构关系、单元类型、接触方式、非线性大变形算法等理论知识进行了介绍，讨论并总结了列车耐撞性结构设计和仿真分析中的若干关键问题；研究了材料参数对吸能元件碰撞仿真的影响。根据目前在列车在碰撞仿真中对钩缓装置过度简化的现状，采用LS-DYNA中的离散梁单元模拟钩缓装置的加载、卸载、过载脱落等力学特性，能够较好地反映实际情况。其次针对高速列车速度高、能量大的特点，研究开发了高速列车车体端部吸能结构。司机室端吸能结构采用由泡沫铝和金属圆管填充的两级吸能结构，非司机室端除原有吸能防爬装置外，通过减弱侧门区的边梁以减小门区的纵向刚度，将此区域设计为吸能结构。端部吸能结构的设计旨在碰撞事故中保护司机室和客室结构的安全，文中对其进行了充分验证。然后将端部吸能结构应用于8节编组的某高速列车的所有车辆，根据欧洲标准EN15227，对该列车进行三种典型工况的安全性评估，重点考察碰撞过程中各车辆速度、加速度时间历程等动力学响应以及各碰撞界面的撞击力、能量分配等内容。为了保证计算的可信度，列车编组内的所有车辆均采用其实际结构。昀后借鉴汽车领域成熟的乘员安全评价方法，对高速列车在典型工况下乘员的二次碰撞安全性进行研究性评估。研究座椅间距、椅背刚度及安全带对高速列车乘员二次碰撞的影响，并对座椅布置及座椅结构等给出合理化建议，研究表明合理的列车客室布置及座椅结构可在碰撞事故中有效保护乘客的安全。关键词：高速列车；耐碰撞性；吸能元件；二次碰撞；安全评价；作者邮箱：[e-mail]，欢迎交流！西南交通大学硕士研究生学位论文第II页AbstractWiththeadventofhighspeedrailway,travelingperiodsamongcitiesanddistrictsarebecomingshorterandshorter.Itisessentialtodevelophighspeedrailwaysystemsinlargecountrieslikeours.However,itispossibletobringbaddamageonceacollisionaccidenthappenedbetweenhighspeedtrains.Thelikedisasterstakingplacenowandthenindicatethatitisnecessarytoresearchthepassivesafetyprotectiontechnologyontrains.Basedonthepresentresearchstatusathomeandabroad,crashworthinessstructuresofhighspeedvehiclesandoccupants'safetyarestudiedbynonlinearFEAsimulationmethod.Firstofall，theoriesofmaterials,elementtypes,contactmethodsandarithmeticwhichareinvolvedintraincollisionsimulationsisexplainedandseveralcriticalproblemsincrashworthinesstraindesignandsimulation.Specially,thepossibleeffectsfromthestrainrateonsimulationsarediscussedandmechanicalcharacteristicsofcouplersandbuffersaresimulatedbydiscretebeamelementinLS-DYNAwhichcontainsloading,unloadinganddroppingoffunderextremeloads.Secondly，consideringthehighspeedandhugekineticenergyofhighspeedtrains,energyabsorbingstructuresareproposedforbothendsofavehicle.Forthecabendatwo-stageenergyabsorbingdeviceisstudied,theouterhousingofbothofthestagesismadefromthinmetalsheets,andthefirststageisfilledwithaluminumfoamwhilecircularpipesforthesecond.Byweakensidebeamsunderthesidedoors,thenoseatdoorregionsaredesignedtohavetheenergyabsorbingability.Theaimedfunctionoftheenergyabsorbingenergystructuresistoprotecttheintegrityofthecabsandoccupants'areaswhichisvalidatedinthispaper.Andthentheenergyabsorbingstructuresmentionedaboveareappliedtoalleightvehiclesofahighspeedtrainsetandthreeclassicscenariosareevaluatedandthedynamicresponseslikevelocitiesandaccelerations,impactforcesandenergymanagementsarepaidmoreattention.Inordertoassurethesimulatingaccuracy,allvehiclesarediscretizedusingtheirrealmodelswithonlylittlesimplifications.Finally，theoccupants'safetyduringthesecondcollisionunderclassicscenariosareevaluatedmeaningofstandardsormethodsdevelopedinmotor-dom.Reasonablearrangementforoccupants'spaceandseatscaneffectivelykeepoccupantssafe.Howtheseatpith,thestiffofseatbacks,andtheseatbeltcanaffectoccupant'ssafetyisalsostudiedandrelevantsuggestionsareproposed.作者邮箱：[e-mail]，欢迎交流！西南交通大学硕士研究生学位论文第III页作者邮箱：[e-mail]，欢迎交流！Keywords:High-speedtrains;Crashworthiness;Energyabsorbingdevice;Secondarycollision;Safetyevaluation西南交通大学硕士研究生学位论文第IV页目录第1章绪论...............................................................................................................................11.1研究背景及研究现状..................................................................................................11.1.1研究背景及意义................................................................................