CN102339350B - 一种基于参数化设计的整车碰撞仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于参数化设计的整车碰撞仿真方法，属于非线性有限元和非线性多体动力学领域。本方法用非线性有限元软件算出各吸能元件的撞击力-冲程，根据吸能元件串/并联吸能特性确定各车厢之间能量吸收装置的等效总刚度，然后建立了基于参数化设计的整车碰撞动态性能分析模型，结合约束条件得到吸能元件吸能特性的最佳组合，从而得到整车碰撞中各车厢的运动和纵向载荷的最佳值。本方法将非线性有限元和非线性多体动力学两者结合起来进行整车碰撞仿真研究，建立的模型模拟了材料的非线性和弹塑性变形，同时将头车的碰撞仿真分析扩展到整车。

Description

一种基于参数化设计的整车碰撞仿真方法

技术领域

本发明涉及一种基于参数化设计的整车碰撞仿真方法，属于非线性有限元和非线性多体动力学相结合的轨道车辆整车碰撞研究领域。

背景技术

列车由多节车厢组成，其碰撞不同于汽车、飞机、船舶等交通工具的单体撞击，它既有单车的撞击破坏情况，又有各车间的互撞问题。列车多体偶合撞击既有多质点系统动力学，又有塑性大变形的结构动力学，列车多体撞击动力学的研究涵盖了多质点系统动力学、弹塑性结构动力学、冲击动力学等固体力学的理论及方法。目前国内对轨道车辆被动安全技术的研究主要有两类：一是运用多体动力学软件来分析列车在碰撞过程中的运动学、动力学特性，由于这些软件不能很好的模拟材料的非线性和弹塑性变形，工程运用中有其局限性；另外一种就是运用有限元软件如LS-DYNA、MSC-DYTRAN等进行结构的大变形、非线性瞬态分析，由于这些软件在计算中，单元的变形和扭曲，会引起时间步长的急剧减小，导致计算效率下降，当时间步长小于最小时间步时系统报错致使计算停止，工程运用中模型不能大，研究集中在对头车进行各工况的非线性有限元碰撞仿真分析。

国内目前对轨道车辆被动安全技术的研究离工程应用尚有一段距离，在进行碰撞分析的过程中，研究集中在对头车进行了各工况的非线性有限元碰撞仿真分析，但是没有对整车碰撞的有效的仿真方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种基于参数化设计的整车碰撞仿真方法。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种基于参数化设计的整车碰撞仿真方法，包括如下步骤：

步骤1，确定整车各吸能元件的撞击力-冲程图，确定各车厢之间能量吸收装置的等效总刚度，所述能量吸收装置包括多个吸能元件，具体步骤如下：

步骤1-1，采用非线性有限元分析方法进行数值仿真求解或者实验得到吸能元件的撞击力--冲程图；

步骤1-2，确定能量吸收装置的等效总刚度：

当吸能元件并联时，且各吸能元件的变形不耦合，并联后的刚度大小为各吸能元件原有撞击力相加，冲程不变；

当吸能元件串联时，串联后的刚度大小为各吸能元件原有冲程相加，撞击力不变；

步骤2，定义整车碰撞力学模型，用u₁，…，u_N的N个坐标来描述车厢m₁，…，m_N从静平衡位置算起的位移，f₁，…，f_N是作用在车体m₁，…，m_N上的摩擦力，N为总车厢数，F₁(u)，…，F_N(u)是头车和其它车的能量吸收装置的等效作用力，按Newton第二定律写出N节车厢的运动微分方程：

m₁ü₁＝F₂(u₂-u₁)-F₁(u₁)+f₁

m₂ü₂＝F₂(u₃-u₂)-F₂(u₂-u₁)+f₂

m_N-1ü_N-1＝F₂(u_N-u_N-1)-F₂(u_N-1-u_N-2)+f_N-1

m_Nü_N＝-F₂(u_N-u_N-1)+f_N

其中，u₁(0)＝u₁₀，…，u_N(0)＝u_N0， ${\stackrel{\·}{u}}_1\left(0\right)={\stackrel{\·}{u}}_{10},$ …， ${\stackrel{\·}{u}}_N\left(0\right)={\stackrel{\·}{u}}_{N0};$ _u1(0)，…，u_N(0)、…，

分别为系统中各车厢的初始位移和初始速度；

步骤3，利用多体动力学软件对步骤2得到的整车碰撞力学模型进行基于参数化设计的数值仿真求解，具体步骤如下：

步骤3-1，引入设计变量表示各吸能元件的撞击力和冲程，建立头车与其它车能量吸收装置刚度的STEP运行过程函数；

所述头车的STEP运行过程函数为：

step(-TL，0，0，2*DV_2/DV_1，DV_2)+step(-TL，2*DV_2/DV_1+2*DV_3，0，2*DV_2/DV_1+2*DV_3+0.0001，2*DV_4-DV_2)；

所述其它车的STEP运行过程函数为：

step(-HL，0，0，2*DV_6/DV_5，DV_6)+step(-HL，2*DV_6/DV_5+2*DV_9，0，2*DV_6/DV_5+2*DV_9+0.0001，DV_8)+step(-HL，2*DV_6/DV_5+2*DV_7，0，2*DV_6/DV_5+2*DV_7+0.0001，-DV_6)；

其中，TL为头车能量吸收装置压溃距离，HL为其它车能量吸收装置压溃距离，DV_1为头车缓冲器刚度，DV_2为头车压溃管撞击力，DV_3为头车压溃管冲程，DV_4为头车吸能元件撞击力，DV_5为其它车缓冲器刚度，DV_6为其它车压溃管撞击力，DV_7为其它车压溃管冲程，DV_8为其它车吸能元件撞击力，DV_9为其它车压溃管并联吸能元件的冲程；

步骤3-2，设车厢之间能量吸收装置的单作用力函数为IF(相对速度+0.001：STEP运行过程函数，STEP运行过程函数，STEP(相对速度，-0.001，STEP运行过程函数，0，0))，该表达式即为F₁(Δu)、F₂(Δu)的力学机理表达式，头车和其它车运行过程函数不同，建立步骤2所述运动微分方程的仿真模型；

步骤3-3，分别对步骤3-1所述的各设计变量在其取值范围内取若干数值进行仿真分析，获得各车厢能量吸收装置压溃冲程的变化对吸能元件撞击力、冲程等参数变化的敏感程度；

步骤3-4，结合列车车体的承载能力以及优化条件，对敏感程度大的设计变量做参数优化分析，设定设计变量的变化范围以及整车碰撞力学模型的约束条件，求解步骤2建立的微分方程组，得到满足约束条件的吸能元件撞击力和冲程最佳值；

所述参数优化分析的优化目标为第二节车厢的能量吸收装置压溃冲程的模值最大；

所述约束条件指头车和第二节车厢能量吸收装置压溃冲程的模值小于头车和第二节车厢能量吸收装置的最大安全压溃冲程的模值。

所述基于参数化设计的轨道车辆整车碰撞仿真方法中，整车中各吸能元件的撞击力指平均撞击力。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：只需对部分吸能元件用仿真或试验手段测出其吸能特性参数即可，而不需要进行整车碰撞试验，对试验技术等要求不高，参数化设计可以得到参数对性能的敏感度大小及满足约束条件的吸能元件吸能特性最佳参数组合。平均撞击力代替撞击力可以降低计算复杂度，简化仿真算法。

附图说明

图1为具体实施方式中所述车厢之间能量吸收装置的结构示意图；

图2为头车的车钩缓冲装置撞击力-冲程图；

图3为两头车之间两个车钩缓冲装置串联后的等效撞击力-冲程图；

图4为两头车之间能量吸收装置最终的撞击力-冲程图；

图5为具体实施方式中所述多自由度碰撞振动系统图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

基于参数化设计的整车碰撞仿真方法主要思想是根据轨道车辆能量吸收装置中吸能元件及其串/并联吸能特性建立各节车厢之间能量吸收装置刚度(撞击力-冲程)的参数化运行过程函数，并基于运行过程函数进行各节车厢之间能量吸收装置非线性撞击力的力学机理模拟，然后建立整车碰撞多自由度振动系统的力学模型，建立了一个适用于非线性多体动力学的基于参数化设计的整车碰撞动态性能分析模型，将头车的碰撞仿真分析扩展到整车。

撞击吸能元件的刚性质量块与该吸能元件的质量比对撞击力无影响，撞击力不随质量比的改变而改变，撞击速度对撞击力的影响不大，吸能元件撞击力-冲程(刚度)是吸能元件自身的固有特性，所以通过非线性有限元分析方法进行数值仿真求解或者实验能够得到吸能元件的撞击力--冲程图；

轨道车辆各车厢之间的能量吸收装置是由各种吸能元件共同组成的，根据吸能元件及其串/并联吸能特性确定头车及其它车之间能量吸收装置的等效总刚度，是多体动力学和非线性有限元两者结合起来进行整车碰撞仿真研究的关键点所在。经研究发现，吸能元件及其串/并联吸能特性符合下列原则：撞击吸能元件的刚性质量块和吸能元件的质量比对撞击力没有影响，撞击力基本上不随质量比的改变而改变。这一性质类似非线性弹簧，刚度的大小由吸能元件本身的几何特性和材料特性决定，而与所承受的载荷无关。同时撞击力随速度的增加而小幅增大，但总的来说，速度的影响不大。吸能元件并联时，只要它们的变形不耦合，并联后的刚度大小为各吸能元件原有撞击力相加，冲程不变。吸能元件串联时，串联后的刚度大小为各吸能元件原有冲程相加，撞击力保持各吸能元件原有大小。即非线性弹簧具有线性弹簧相同的串、并联特性。

根据上述准则即可确定各类轨道车辆的能量吸收装置刚度的参数化运行过程函数，下面以图1所示的轨道车辆能量吸收装置为例，来说明如何根据上述准则确定其刚度的参数化运行过程函数。

整车碰撞改进方案其特征在于，头车前端设有车钩缓冲装置(包括缓冲器，压溃管和车钩剪切螺栓)，并且头车车体底架前端设有吸能防爬器。列车在非正常状况下，车钩缓冲装置受到的纵向载荷超过压溃管触发力时，压溃管按照设计的变形模式，以稳定的阻抗力发生塑性变形，最大限度吸收冲击能量，当相联挂车钩压溃管不再吸收能量，冲击力传递到车钩座上，车钩座上的剪切螺栓在此力作用下被剪断，车体端部吸能防爬器接触，两对防爬器上齿形槽交叠而相互啮合在一起，使防爬器后面的吸能元件仅受到纵向冲击而发生有序叠缩塑性变形继续吸收冲击能量，如图1所示。其它车采用和头车相同的防撞原理，不同之处在于头车在整个车缓装置失效从安装螺栓上退出后，两车防爬器开始接触，而其它车在车钩压溃管工作到中途时，吸能防爬器就开始接触，考虑车体的最大承载能力，其它车之间只有一对防爬器。下面以头车为例，说明两列整车互撞时两头车之间的能量吸收装置的刚度计算过程：

单个车钩缓冲装置可以看成变刚度弹簧，如图2所示，忽略车钩联接头的质量，两个头车之间的车钩缓冲装置相当两个变刚度弹簧的串联，两弹簧串联的等效刚度k为

$k=\frac{k_1{k}_2}{k_1+k_2}=\frac{k_1}{2}=\frac{k_2}{2}$

式中k₁和k₂分别为两个头车的车钩缓冲装置的刚度系数，这里k₁和k₂相同

进行分段求解，分成斜线段和直线段，直线段可认为是刚度系数为0，算得两头车之间车钩缓冲装置的等效刚度(撞击力-冲程图)如图3所示。

在整个车钩缓冲装置失效从安装螺栓上退出后，两头车防爬器开始接触，吸能防爬器上的吸能元件接着吸能，头车采用两对防爬器，相当两个变刚度弹簧并联，其刚度系数为

k＝k₃+k₄

式中k₃和k₄分别为两个头车防爬器上吸能元件的刚度系数，这里k₃和k₄相同，两头车之间能量吸收装置最后的刚度(撞击力-冲程图)如图4所示。

如图5所示的含有6节车厢的碰撞系统，其碰撞仿真方法包括如下步骤：

步骤1，确定整车各吸能元件的撞击力-冲程图，确定各车厢之间能量吸收装置的等效总刚度，所述能量吸收装置包括多个吸能元件，具体包括如下步骤：

步骤1-1，鉴于撞击力--冲程是吸能元件的固有特性，通过非线性有限元分析方法进行数值仿真求解或者实验得到吸能元件的撞击力--冲程图；

步骤1-2，确定能量吸收装置的等效总刚度：若吸能元件并联，且各吸能元件的变形不耦合，并联后的刚度大小为各吸能元件原有撞击力相加，冲程不变；若吸能元件串联，串联后的刚度大小为各吸能元件原有冲程相加，撞击力不变；

步骤2，完成各车厢之间能量吸收装置等效刚度的求解后，建立整车碰撞振动系统的力学模型，考察图5所示的多自由度系统，用u₁，…，u₆的6个坐标来描述车厢m₁，…，m₆从静平衡位置算起的位移，f₁，…，f₆是作用在车体m₁，…，m₆上的摩擦力，F₁(Δu)、F₂(Δu)是头车和其它车的能量吸收装置的等效作用力，对6节车厢分别取分离体如图5所示，基于Newton第二定律建立6节车厢的运动微分方程

m₁ü₁＝F₂(u₂-u₁)-F₁(u₁)+f₁

m₂ü₂＝F₂(u₃-u₂)-F₂(u₂-u₁)+f₂

m₃ü₃＝F₂(u₄-u₃)-F₂(u₃-u₂)+f₃

m₄ü₄＝F₂(u₅-u₄)-F₂(u₄-u₃)+f₄

m₅ü₅＝F₂(u₆-u₅)-F₂(u₅-u₄)+f₅

m₆ü₆＝-F₂(u₆-u₅)+f₆

为了确定系统的运动，系统的初始条件为

u₁(0)＝u₁₀，u₂(0)＝u₂₀，u₃(0)＝u₃₀，u₄(0)＝u₄₀，u₅(0)＝u₅₀，u₆(0)＝u₆₀

${\stackrel{\·}{u}}_1\left(0\right)={\stackrel{\·}{u}}_{10},$ ${\stackrel{\·}{u}}_2\left(0\right)={\stackrel{\·}{u}}_{20},$ ${\stackrel{\·}{u}}_3\left(0\right)={\stackrel{\·}{u}}_{30},$ ${\stackrel{\·}{u}}_4\left(0\right)={\stackrel{\·}{u}}_{40},$ ${\stackrel{\·}{u}}_5\left(0\right)={\stackrel{\·}{u}}_{50},$ ${\stackrel{\·}{u}}_6\left(0\right)={\stackrel{\·}{u}}_{60}$ u₁(0)，…，u₆(0)，…，

分别为系统中各车厢的初始位移和初始速度。

这样就得到了一组联立的、含6个独立未知量的二阶变系数非线性微分方程组，系统的运动由它在初始条件下的解来确定。

设处于静平衡位置的系统在t＝0时刻受到扰动，则t＞0后的自由振动由下述微分方程和初始条件确定，

Mü(t)+Ku(t)＝0

u(0)＝u₀， $\stackrel{\·}{u}\left(0\right)={\stackrel{\·}{u}}_0$

M、K分别为系统的质量矩阵、刚度矩阵， $u\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{u}_1\left(t\right)\\ u_2\left(t\right)\\ u_3\left(t\right)\\ u_4\left(t\right)\\ u_5\left(t\right)\\ u_6\left(t\right)\end{array}\right]$ 为系统的位移向量，u₁(t)，…，u₆(t)分别为系统中各车厢的位移向量，u₀，

分别是系统的初始位移向量和初始速度向量。6自由度系统可产生6种固有振动，即有6种模态，

其中：r＝1，…，6，也就是说，6自由度无阻尼系统具有6种不同频率的同步自由振动，6个频率从小到大依次称为系统的第一阶、……、第6阶固有频率，相应的振动称为系统的固有振动，

反映了系统做固有振动时的形态，称为固有振动的振型，简称固有振型。固有振型表示了该系统固有振动时各自由度的振动幅值关系，每一阶固有振动都是同步自由振动，即振动中各自由度总是同时达到峰值或同时经过平衡位置，系统的振动可以认为是这6种固有振动的组合。

上面得到的非线性变系数微分方程组其解析解是难以求解的，但工程上数值解就可以满足要求，因此可以利用非线性多体动力学分析方法进行数值仿真求解。由于MATLAB、ADAMS/View、LMS等软件均具有这项功能且使用方便，因此可直接使用这些软件进行数值仿真求解。

步骤3，利用多体动力学软件对步骤2得到的整车碰撞力学模型进行基于参数化设计的数值仿真求解，具体包括如下步骤：

步骤3-1，引入设计变量表示各吸能元件的撞击力和冲程，建立头车与其它车能量吸收装置刚度的STEP运行过程函数。

将吸能元件吸能特性(平均撞击力、冲程等)参数化，引入设计变量，建立头车能量吸收装置刚度的STEP运行过程函数。

同理，根据其它车之间能量吸收装置的设计方法，由上述能量吸收装置刚度的计算原则，算出其它车之间能量吸收装置刚度的撞击力-冲程图，将吸能元件吸能特性(平均撞击力、冲程等)参数化，引入设计变量，建立其它车能量吸收装置刚度的STEP运行过程函数。

用STEP运行过程函数模拟能量吸收装置刚度(撞击力-冲程)，撞击力的方向和大小按如下原则确定。在各车厢之间添加单作用力模拟非线性撞击力，在Run-Time Direction设置栏，选择力的作用方式为Two bodies，意思是参考两车厢的运动，此时，ADAMS/View沿两个车厢的力作用点，分别作用大小相同方向相反的两个力，在选择两车厢时，首先选择的车厢是产生作用力的车厢，其次选择的车厢是产生反作用力的车厢，软件默认STEP运行过程函数定义的力值(相对参考坐标系)赋给产生作用力的车厢，而对产生反作用力的车厢则在定义的力值前加负号。STEP运行过程函数在冲程点的插值大小和正负就是单作用力在先选择车厢上的作用力的大小和方向(相对参考坐标系，默认的参考坐标系为全局坐标系)，若作用力的方向与实际不符，则在STEP运行过程函数前加负号。

能量吸收装置的力学机理为当后面车厢对前面车厢的相对速度小于零时(设水平向右为正，列车前进方向水平向左)，能量吸收装置的非线性弹簧力按STEP运行过程函数(撞击力-冲程)变化，而当相对速度等于或大于零时非线性弹簧力为零，这种力的突变可能导致矩阵奇异，无法计算报错，可以用表达式STEP(相对速度，-0.001，STEP运行过程函数，0，0)以表示相对速度接近零时撞击力的变化，整个能量吸收装置的单作用力函数为IF(相对速度+0.001：STEP运行过程函数，STEP运行过程函数，STEP(相对速度，-0.001，STEP运行过程函数，0，0))。

在上面的建模中，能量吸收装置中车钩缓冲器只考虑了受压方向的缓冲力。事实上，很多缓冲器可以承受拉、压两个方向的缓冲力，以便在拉、压两个方向有效地将两联挂车厢相互间的冲击动能吸收掉，缓冲器在拉、压两个方向不按原来缓冲力-冲程曲线恢复形状，使得缓冲器可以循环使用，如橡胶缓冲器。这时按需要进行STEP运行过程函数的编写即可。此外，本发明中没有考虑缓冲器受压方向上缓冲力-冲程恢复曲线，原因是缓冲力-冲程恢复曲线载荷较小，二是后面车厢对前面车厢的相对速度接近零(-0.001)或大于零时，压溃管停止压溃，压溃管撞击载荷变成零，能量吸收装置的非线性弹簧力按车钩缓冲器缓冲力-冲程恢复曲线变化，但缓冲器仍处于受压状态，由于速度很小，所以对每个车厢的能量吸收装置的压溃冲程影响很小，可以忽略。

所述头车的STEP运行过程函数为：step(-TL，0，0，2*DV_2/DV_1，DV_2)+step(-TL，2*DV_2/DV_1+2*DV_3，0，2*DV_2/DV_1+2*DV_3+0.0001，2*DV_4-DV_2)；

所述其它车的STEP运行过程函数为：step(-HL，0，0，2*DV_6/DV_5，DV_6)+step(-HL，2*DV_6/DV_5+2*DV_9，0，2*DV_6/DV_5+2*DV_9+0.0001，DV_8)+step(-HL，2*DV_6/DV_5+2*DV_7，0，2*DV_6/DV_5+2*DV_7+0.0001，-DV_6)；

其中，TL为头车能量吸收装置压溃距离，HL为其它车能量吸收装置压溃距离，DV_1为头车缓冲器刚度，DV_2为头车压溃管撞击力，DV_3为头车压溃管冲程，DV_4为头车吸能元件撞击力，DV_5为其它车缓冲器刚度，DV_6为其它车压溃管撞击力，DV_7为其它车压溃管冲程，DV_8为其它车吸能元件撞击力，DV_9为其它车压溃管并联吸能元件的冲程点；

步骤3-2，车厢之间能量吸收装置的单作用力函数为IF(相对速度+0.001：STEP运行过程函数，STEP运行过程函数，STEP(相对速度，-0.001，STEP运行过程函数，0，0))，该表达式即为F₁(Δu)、F₂(Δu)的力学机理表达式，头车和其它车运行过程函数不同，严格按照步骤2建立系统的运动微分方程的仿真模型；

需要注意的是：在整个仿真建模的过程中，必须严格根据前面的动力学微分方程来建立仿真模型，首先u₁，…，u_N的描述不能直接采用车厢质心的位移测量，因为这种测量包含了车厢在全局坐标系中的初始位置，必须消除这种影响，使u₁，…，u_N的描述是车厢m₁，…，m_N从静平衡位置算起的位移，然后用两节车厢之间的相对位移大小即能量吸收装置的压溃距离进行STEP运行过程函数插值。此外，摩擦力的定义无需再编程，直接在平移运动副中添加动、静摩擦力的定义，此外初始静平衡位置的确定、车厢初速度这些数据的符号和方向也要注意。

步骤3-3，分别对每个设计变量在其取值范围内取若干数值进行仿真分析，获得各车厢能量吸收装置压溃距离的变化对吸能元件撞击力、冲程等参数变化的敏感程度；

步骤3-4，结合列车车体的承载能力以及优化条件，对敏感程度大的设计变量做参数优化分析，设定设计变量的变化范围以及整车碰撞力学模型的约束条件，求解步骤2建立的微分方程组，得到满足约束条件的吸能元件撞击力和冲程等参数的最佳值；

所述优化条件为第二节车厢的能量吸收装置压溃冲程的模值最大；

所述约束条件指头车和第二节车厢能量吸收装置压溃冲程的模值小于头车和第二节车厢能量吸收装置的最大安全压溃冲程的模值。

ADAMS/View的参数化分析功能可以分析设计参数变化对样机性能的影响。在参数化分析过程中，ADAMS/View采用不同的设计参数值，自动地进行一系列的仿真分析，然后返回分析结果。前面将吸能元件吸能特性(平均撞击力、冲程等)参数化，引入设计变量，建立头车和其它车能量吸收装置刚度的STEP运行过程函数。现对这些设计变量进行设计研究和优化分析两种类型的参数化设计。设计研究主要考虑：如果某个设计变量发生变化，或者取不同的值，样机的性能将会发生怎样的变化。在设计研究过程中，对某个设计参数在一定范围内取若干值，然后自动地进行一系列的仿真分析，完成设计分析后报告各次分析的结果，分析设计参数的影响，获得样机有关性能的变化对设计变量变化的敏感程度，再对敏感程度大的几个变量作优化分析，以获得最佳值。

优化分析是ADAMS提供的一种复杂的高级分析工具。在优化分析过程中，可以设定设计变量的变化范围，施加一定的限制以保证最优化设计处于合理的取值范围。通常，优化分析问题可以归结为：在满足各种设计条件和在指定的变量变化范围内，通过自动地选择设计变量，由分析程序求取目标函数的最大值或最小值。由于头车能量吸收装置的刚度不同于其它车能量吸收装置的刚度，其它车能量吸收装置的刚度相同，能量吸收装置的作用是双向的，对后面车厢的阻抗使之减速，对前面车厢的作用力使前面车厢的能量吸收装置压溃更加危险，故在刚度相同的情况下，越是前面的车厢，后面车厢传给它的冲击能量越大，即能量吸收装置的压溃冲程越大，如果车厢1、2之间的能量吸收装置的最大压溃冲程是安全的，则车厢2、3、4、5、6之间的能量吸收装置的压溃冲程也必在安全范围内，同时车厢1、2之间的能量吸收装置的压溃冲程越大，也说明后面车的能量吸收装置吸收的能量越多，未吸收传给头车的能量越小。因此优化目标为车厢1、2之间的能量吸收装置的压溃冲程的模值最大，同时考虑每节车厢之间的安全压溃冲程，添加约束条件，即头车和第二节车厢前的能量吸收装置压溃冲程必须小于头车和第二节车厢前的能量吸收装置最大安全压溃冲程，这些约束条件能够直接或间接地消除无法接受的设计结果。约束条件通常也为优化分析附加了额外的设计目标。优化分析结束，在信息窗口中，给出了优化分析报告，同时样机模型进行自动更新。

Claims (2)

1.一种基于参数化设计的整车碰撞仿真方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1，确定整车各吸能元件的撞击力-冲程图，确定各车厢之间能量吸收装置的等效总刚度，所述能量吸收装置包括多个吸能元件，具体步骤如下：

步骤1-1，采用非线性有限元分析方法进行数值仿真求解或者实验得到吸能元件的撞击力--冲程图；

步骤1-2，确定能量吸收装置的等效总刚度：

当吸能元件并联时，且各吸能元件的变形不耦合，并联后的刚度大小为各吸能元件原有撞击力相加，冲程不变；

当吸能元件串联时，串联后的刚度大小为各吸能元件原有冲程相加，撞击力不变；

步骤2，定义整车碰撞力学模型，用u₁,…,u_N的N个坐标来描述车厢m₁,…,m_N从静平衡位置算起的位移,f₁,…,f_N是作用在车体m₁,…,m_N上的摩擦力,N为总车厢数，F₁(u)，…,F_N(u)是头车和其它车的能量吸收装置的等效作用力,按Newton第二定律写出N节车厢的运动微分方程：

$m_1{\stackrel{\·\·}{u}}_1=F_2(u_2-u_1)-F_1\left(u_1\right)+f_1$

$m_2{\stackrel{\·\·}{u}}_2=F_2(u_3-u_2)-F_2(u_2-u_1)+f_2$

$\begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}$

$m_{N-1}{\stackrel{\·\·}{u}}_{N-1}=F_2(u_N-u_{N-1})-F_2(u_{N-1}-u_{N-2})+f_{N-1}$

$m_N{\stackrel{\·\·}{u}}_N=-F_2(u_N-u_{N-1})+f_N$

其中，u₁(0)=u₁₀,…,u_N(0)=u_N0，

u₁(0),…,u_N(0)、

分别为系统中各车厢的初始位移和初始速度；

步骤3，利用多体动力学软件对步骤2得到的整车碰撞力学模型进行基于参数化设计的数值仿真求解，具体步骤如下：

步骤3-1，引入设计变量表示各吸能元件的撞击力和冲程，建立头车与其它车能量吸收装置刚度的STEP运行过程函数；

所述头车的STEP运行过程函数为：

step(-TL,0,0,2*DV_2/DV_1,DV_2)+step(-TL,2*DV_2/DV_1+2*DV_3,0,2*DV_2/DV_1+2*DV_3+0.0001,2*DV_4-DV_2)；

所述其它车的STEP运行过程函数为：

step(-HL,0,0,2*DV_6/DV_5,DV_6)+step(-HL,2*DV_6/DV_5+2*DV_9,0,2*DV_6/DV_5+2*DV_9+0.0001,DV_8)+step(-HL,2*DV_6/DV_5+2*DV_7,0,2*DV_6/DV_5+2*DV_7+0.0001,-DV_6)；

其中，TL为头车能量吸收装置压溃距离,HL为其它车能量吸收装置压溃距离，DV_1为头车缓冲器刚度，DV_2为头车压溃管撞击力，DV_3为头车压溃管冲程，DV_4为头车吸能元件撞击力，DV_5为其它车缓冲器刚度，DV_6为其它车压溃管撞击力，DV_7为其它车压溃管冲程，DV_8为其它车吸能元件撞击力，DV_9为其它车压溃管并联吸能元件的冲程；

步骤3-2，设车厢之间能量吸收装置的单作用力函数为IF(相对速度+0.001：STEP运行过程函数，STEP运行过程函数，STEP(相对速度，-0.001，STEP运行过程函数，0，0))，该表达式即为F₁(Δu)、F₂(Δu)的力学机理表达式，头车和其它车运行过程函数不同，建立步骤2所述运动微分方程的仿真模型，其中：F₁(Δu)、F₂(Δu)表示头车和其它车的能量吸收装置的等效作用力；

步骤3-3，分别对步骤3-1所述的各设计变量在其取值范围内取若干数值进行仿真分析，获得各车厢能量吸收装置压溃冲程的变化对吸能元件撞击力、冲程等参数变化的敏感程度；

步骤3-4，结合列车车体的承载能力以及优化条件，对敏感程度大的设计变量做参数优化分析，设定设计变量的变化范围以及整车碰撞力学模型的约束条件，求解步骤2建立的微分方程组，得到满足约束条件的吸能元件撞击力和冲程最佳值；

所述参数优化分析的优化目标为第二节车厢的能量吸收装置压溃冲程的模值最大；

所述约束条件指头车和第二节车厢能量吸收装置压溃冲程的模值小于头车和第二节车厢能量吸收装置的最大安全压溃冲程的模值。

2.根据权利要求1所述的一种基于参数化设计的整车碰撞仿真方法，其特征在于：所述整车中各吸能元件的撞击力指平均撞击力。

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