列车碰撞被动安全性与司乘人员冲击生物损伤研究进展

尽管铁路客运列车具有系列的主动安全保障措施,但列车服役中的意外碰撞事故仍不能完全避免,并且一旦发生,将造成严重的人员伤亡和巨大的经济损失。随着列车运行速度的不断提高,列车碰撞安全与冲击防护问题愈发受到关注和重视,并已开展了大量的探索和研究。本文中综述了列车碰撞被动安全性与司乘人员冲击生物损伤的若干研究进展。首先,统计和梳理了近些年的列车碰撞事故,分析了典型列车碰撞事故中存活人员的生物损伤分布情况;其次,介绍了列车碰撞被动安全性的研究方法,总结了列车碰撞后的响应姿态与脱轨机理;然后,从车辆耐撞性设计与评价标准、基于多级能量耗散的吸能结构设计、基于碰撞能量管理的列车结构耐撞性设计三个方面,详细阐述了列车碰撞被动安全性的研究进展;最后,关注了司乘人员在列车碰撞过程中的冲击生物损伤,总结了相关减轻司机和乘客生物损伤的防护措施。     

拼焊板形式结构件动态轴向压溃特性实验研究

拼焊形式构件因配置灵活的优势已成为性能卓越的车身轻量化结构,目前还没有看到相关文献报导拼焊板形式结构件的吸能特性实验研究,故本文选用三种相同外形尺寸但不同组合的单帽型拼焊形式结构件,对轴向冲击载荷作用下的拼焊板组合试件的动态变形及吸能特性进行了实验分析。从动态压溃结果来看,拼焊板的材料和厚度的不同会直接导致实际碰撞加速度曲线波形也不同,即有上升型、平稳型和下降型;从动态变形和加速度来看,如果前后端部件的材料和厚度设计合理,前纵梁就会发生较为理想的褶皱变形。通过不同耐撞性性能参数的比较可知,载荷大小与拼焊板的材料和厚度组合以及焊缝的存在有关,而且载荷效率均达到了50%以上。通过拼焊板形式的组合匹配,可以得到更加平稳的载荷位移曲线,使得压溃变形更加平缓,吸能更加充分。碰撞模式与指标数据均显示拼焊板结构可以作为一种更加柔性的前纵梁吸能结构,可以为工程师们提供有效的设计指导,并为拼焊板结构的应用推广提供直接的基础依据。     

基于塑性铰理论的车身概念设计正碰分析与优化方法

在概念设计阶段,车身碰撞安全性能评价是一个难点问题,需要详细的结构模型,本文基于塑性铰理论提出采用梁单元简化模型对框架车身进行概念设计阶段的耐撞性评估和优化设计方法。首先,介绍了关于箱型截面薄壁梁弯曲特性研究的理论模型与计算过程,接着赋予梁单元塑性铰的特性,模拟薄壁梁变形,再对框架车身进行了碰撞仿真。将仿真结果与详细模型对比,以分析简化模型的精度及可靠性。最后,以此为基础对框架车身进行耐撞性优化。结果表明,该简化模型易于创建,且有较高的精度,可用于概念设计阶段梁结构的设计工作。     

双壳船内外壳结构耐撞性试验与仿真研究

结合船舶加筋板结构缩尺模型的耐撞性试验和有限元仿真分析,研究了双壳船舷侧内、外壳结构的碰撞损伤特性,并在此基础上对舷侧内、外壳结构的碰撞损伤性能进行了分析比较.结果表明:虽然双壳船舷侧内、外壳结构在耐碰撞能力方面的差异不是很大,但在渐进破坏过程及其总体破坏模式方面却存在一些明显的区别.而加强筋的侧向挤压变形对加筋板总体碰撞损伤性能并不会产生很明显的影响.影响船体舷侧结构耐撞性能的主要内力要素是加强筋截面内的轴力以及船壳板中面内的膜力.为了提高加筋板结构的耐碰撞能力,就要尽可能地减小结构的局部弯曲变形,较好的设计方案是增加外壳板厚度和减小加强筋尺寸.     

高速动车组被动安全性和耐撞性研究

随着列车高速和重载的发展,对列车被动安全性的研究日益重要.本文以CRH3动车组为载体,应用碰撞仿真软件PAM-CRASH和多学科协同优化软件iSIGHT进行碰撞数值模拟分析和吸能结构优化,得到CRH3动车组在大变形碰撞时的变形模式及各碰撞参数,并对动车组的吸能结构进行评估及最优设计,实现车辆的被动安全保护和耐撞性优化设...     

横截面参数化网格变形算法及耐撞性优化应用

薄壁梁结构是汽车等运载工具的主要承载构件,提高该类结构的耐撞性对乘员安全具有重要意义。然而,形状优化设计要求多组有限元模型与仿真分析,因此需要特定的建模技术或人工交互。本文提出了一种基于横截面形状的参数化网格变形方法,以实现已有有限元模型的有效重用。以给定有限元模型为输入,采用基于各向异性径向基函数网格变形方法,并结合骨架内嵌空间,可快速生成适用于仿真分析的有限元模型变体。以S形梁轴向冲击耐撞性设计为例,采用所提方法改变构件塑性铰区域的横截面形状,可快速（低于4 s）获取100组局部变形有限元模型,并采用代理模型技术和多目标遗传算法优化结构耐撞性。数值结果显示,构件耐撞性获显著提高,验证了所提参数化变形方法的有效性,展示了与一般形状优化框架的可集成性。     

盒形结构在碰撞下的能量吸收能力

用盒形结构保护产品是最常见的包装方式之一。本文对盒形结构在碰撞载何作用下的大挠度变形模式和能量吸收能力进行了实验研究;在同时考虑弯曲和膜力消耗塑性功的基础上,用能量平衡法给出了一个近似理论分析。理论与实验结果基本一致,可望用于盒形结构的耐撞性设计。     

舱内液体对VLCC舷侧结构碰撞性能的影响

以300kDWT超大型油轮(VLCC)货舱区舷侧结构为研究对象,利用有限元软件MSC.Dytran对 该VLCC在满载和压载工况下的碰撞损伤机理及耐撞性能进行研究,通过对碰撞过程中液货与结构之间的 流-固耦合力、碰撞力、结构变形、结构吸能等进行计算分析,并将这些参数与空载工况下的计算结果进行了对 比分析,阐述舱内液体对结构损伤机理及碰撞性能的影响。研究表明,舱内液货对VLCC舷侧结构碰撞后期 的损伤变形、碰撞力等产生一定影响,对整体碰撞性能影响较小;压载水对结构的损伤机理、耐撞性能均产生 显著影响,结构的变形模式发生明显改变,碰撞力显著增大,系统吸能大幅增加,其耐撞性能显著提高。     

复合材料波纹梁盒段耐撞性的数值模拟

运用MSC/DYTRAN有限元软件,结合参数等效的方法对复合材料波纹梁盒段的碰撞过程进行了数值模拟,获得了波纹梁盒段碰撞时的破坏过程、载荷-时间曲线、能量吸收能力等数据,将计算结果与M.A.McCarthy的试验结果进行对比,可以发现两者比较吻合。从而说明采用参数等效的方法可以得到复合材料结构耐坠撞性设计中需要的数据。     

厚度幂指数分布管状结构耐撞性设计准则与方法研究

厚度或质量连续分布技术对车身薄壁结构的轻量化和性能设计有着非常重要,甚至起到决定性的作用,从设计方法上研究连续变厚度结构在车身零部件中的耐撞性应用是安全性设计所需的主要工作。本文研究一种较新颖的薄壁吸能结构,其管壁厚度按照幂指数形式连续分布,根据此分布特点推导出了该薄壁结构在等质量条件下与其他管状结构(比如均匀管、拼焊管和锥管等)之间相关参数的定量解析关系,给出了前者的耐撞性设计准则,评估了不同梯度对幂指数管耐撞性能的影响。分析结果显示,该新颖管状结构比其他截面管具有更理想的耐撞特性。然后,在2个设计区间内对梯度指数分别采样并构造近似模型,采用遗传算法作为求解器得出了非劣解前沿,研究发现高阶响应面近似模型得到的设计结果不一定是最优的。     

超高车辆与箱梁立交桥碰撞简化计算模型评估分析

为了考察受超高车辆撞击装配式钢筋混凝土箱梁跨线桥的冲击动力和破坏行为,以一起近来发生的实际工程事故为案例进行精化有限元数值分析,并提出了双质量-并联弹簧（double mass-parallel spring, DM-PS）简化车辆模型,以有效地模拟超高车辆与桥梁的非对心碰撞行为。所建议DM-PS简化模型的有效性通过与两种广泛使用的车辆模型包括全尺（full scale, FS）模型和简单刚体（simple rigid, SR）模型的比较而得到充分地评估。计算结果表明：采用FS模型可得到与事故现场照片基本一致的跨线桥撞击区域破坏特征;SR模型高估结构的局部破坏,弱化结构的整体变形;DM-PS模型对于预测结构破坏具有较高的准确性。因此,所提出的DM-PS模型为超高车辆撞击桥梁结构防护设计提供了一个简单有效的分析手段。在此基础上,利用DM-PS模型进行了详细的结构行为参数分析,深入考察了车辆撞击速度、撞击质量、撞击位置以及结构形式等效应。所得到的结论为：相比撞击质量,结构的冲击动力行为对于撞击速度有更高的敏感性;跨中受撞和边跨受撞的变形和破坏模式有较大差异,边跨受撞对于单侧支座损伤更严重;...     

具有恒定冲击载荷的梯度泡沫金属材料设计

多胞材料可通过大变形大量地吸收冲击能量,引入密度梯度可进一步提高其耐撞性。梯度多胞材料的宏观力学响应对材料密度分布极为敏感,不同类型的细观构型的影响也极为不同。已有的研究工作主要局限在对给定的密度梯度分析其动态响应,较少对耐撞性设计方法进行研究。本文针对梯度闭孔泡沫金属材料,基于非线性塑性冲击波模型发展了耐撞性反向设计方法,以维持冲击物受载恒定为目标,运用级数法获得了简化模型和渐近解。利用变胞元尺寸法构建了连续梯度变化的三维Voronoi细观有限元模型,并利用ABAQUS/Explicit有限元软件对理论设计进行数值验证。结果表明,反向设计理论简化模型的渐近解对于梯度闭孔泡沫金属材料的耐撞性设计是有效的,所提出的耐撞性设计方法在控制冲击吸能过程和冲击物受载方面具有指导意义。     

汽车工程中的若干力学问题

汽车的设计、开发和使用离不开力学.简述汽车的发展历史、主要组成及其性能.介绍汽车工程中的几个关键力学问题,包括汽车轮胎力学、行驶稳定性分析、驱动与阻力、振动与噪声、碰撞力学与车身耐撞性、撞击损伤生物力学、行人保护力学等.展望了汽车工程中需要关注的力学问题.     

基于LS-DYNA的车辆碰撞数值分析

本文基于中国新车评估规程,对高速车辆正面相撞和高速测试车辆与静态车辆侧面相撞这两种工况进行了碰撞数值模拟,采用HYPERMESH进行建模和LS-DYNA进行仿真分析计算.分析结果表明,在正面碰撞中,前保险杠与阻挡壁接触发生弯曲和变形,随着碰撞时间的持续,发动机的副车架弯曲,导致乘客舱的侵入量明显增加.侧面碰撞中,B柱和测试车辆的蜂窝结构发生严重变形,发动机舱结构的褶皱吸收大量的冲击能量.通过改进车辆结构,A柱的侵入量从80 mm减小到40 mm,脚部空间的侵入量从210 mm减少到150 mm.侧面碰撞时B柱的窗口边缘处的侵入量与下部的侵入量也均满足安全要求.     

惯性释放法在结构耐撞性拓扑优化中的应用和改进

惯性释放法是在飞行器设计中采用的一种近似分析方法,用于获得载荷作用下的自由-自由结构的内力响应。为了克服结构耐撞性拓扑优化问题求解的困难,探讨了惯性释放法在结构耐撞性拓扑优化中的应用和改进。将惯性释放法改进的惯性释放法、ESL(等效静力法)的优化思想与HCA(混合胞元自动机法)的材料更新规则结合,提出了一种新的高效的可用于耐撞性拓扑优化问题的混合法。数值算例结果表明,改进的惯性释放法对于多数碰撞问题均可以获得精度较高的结果,而惯性释放法对部分问题同样可以获得精度较高的结果,同时应用过程更加简便。优化算例的结果显示,新的混合法可以获得吸能性能更好的结构设计,同时有效地降低优化过程的耗时。     

基于近似模型的非线性区间数优化方法及其应用

在不确定优化中,非线性区间数优化方法由于需要嵌套优化,造成计算效率低下而阻碍其应用于工程实际.本文提出了一种基于径向基函数近似模型的求解方法,以提高非线性区间数优化方法的计算效率.该方法利用拉丁超立方实验设计方法采样,建立目标函数和各约束的径向基函数近似模型.利用近似模型代替嵌套优化中的真实模型,再用非线性区间数优化方法进行求解,从而提高了非线性区间数优化方法的计算效率,使得该算法在工程应用方面成为可能.用一个测试函数验证了该方法的可行性,最后将方法应用于车身薄壁梁的耐撞性优化.     

高速列车吸能结构设计和耐撞性分析

建立了高速列车头车的有限元模型,运用有限元软件LS-DYNA模拟了头车碰撞刚性墙的冲击过程。在碰撞发生时,原有设计方案的牵引梁主体的变形以整体屈曲为主,不利于缓冲吸能。在对原设计的耐撞性分析的基础上,建议对原有牵引梁结构加以改进,并在前端增加两组不同尺寸和厚度的带圆角的方管作为缓冲吸能管,考虑了在缓冲管中填充泡沫铝与否,形成了4种设计方案。数值模拟结果表明,与原设计方案相比,新方案的整个头车的吸能量有大幅度提高,刚性墙反力的峰值也有一定程度的降低,采用大的圆角半径的厚管并填充泡沫铝的方案的改进效果最明显。