CN110598341B - 一种诱导式吸能装置设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种诱导式吸能装置设计方法，属于轨道交通车辆被动安全技术领域。包括步骤如下：第一步、结合有限元仿真，根据吸能量和稳态力设计要求，确定吸能装置的基础参数，如吸能装置的截面形状、长度、所用材料等；第二步、根据设计出的吸能装置的基础参数，选择诱导分布方式、结构形式、结构大小的范围等因素；第三步、将各因素看成独立变量，通过有限元仿真，开展正交性试验，对其诱导效果进行优化。根据这个方法可以快速方便地设计出满足要求的吸能装置，有效的降低初始碰撞峰值力，对轨道车辆吸能装置的设计有一定的指导意义。

Description

一种诱导式吸能装置设计方法

技术领域

本发明属于轨道交通车辆被动安全技术领域，涉及列车端部的被动安全技术。

背景技术

近年来随着我国高速铁路快速发展，对列车高速化和轻量化的要求也越来越高，在速度提高和质量减少的同时列车的运行安全性也越来越得到业界人士的高度关注，其中列车的被动安全性能尤为关注。吸能防爬装置是轨道列车被动安全性中的重要部分，其主要作用是在机车车辆发生不可避免的碰撞时通过吸能防爬装置吸收车端的碰撞能量，减少车辆冲击，最大程度保护司乘人员和车上设备的安全，尽可能地减少碰撞事故带来的损失。

压溃结构主要依靠压溃管或者蜂窝结构吸能，此结构简单加工容易，成本低。但在发生碰撞时，初始峰值力过大；吸收能量的时候稳态力波动较大，变形模式不确定，失稳时会突然减小失去吸能能力。

通过以上分析可以发现，现有压溃式吸能结构各有优势和不足，最大的问题是克服阻抗力的能力、提高阻抗力平稳性水平和稳定的变形。本发明理论提供的一种用于轨道车辆的诱导式压溃吸能装置设计理论。通过分析各因素对压溃管吸能效果的影响，排列出影响效果的程度大小和方案选择，再通过有限元仿真软件计算出各个方案，可以快速方便地开发出满足要求的吸能装置。这对轨道车辆吸能装置的设计有一定的指导意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种诱导式吸能装置设计方法，它能有效地解决动车车头部位的第一级碰撞吸能的技术问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种诱导式吸能装置设计方法，第一步、根据CRH系列动车车头的稳态力应保证2400kN且吸能量保证在1.68MJ的设计设计要求，结合有限元仿真，确定吸能装置的截面形状、长度和材料；第二步、根据吸能装置的基础参数，选择诱导分布方式、结构形式、结构大小的范围；第三步、将截面形状、长度和材料看成独立变量，通过有限元仿真，开展正交性试验，对其诱导效果进行优化，降低峰值力，改善变形模式，选出最优方案；具体设计步骤的顺序描述如下：

(1)、为保证吸能装置的吸能量能够达到1.68MJ，根据具体边界条件确定四个外径分别为560mm、494mm、428mm、360mm，长度1000mm，壁厚2.5mm的吸能管；所述吸能管为同轴、等间距嵌套结构，前端与防爬器内侧固定，尾端与安装板内侧固定。

(2)、确定吸能管所用材料，根据比吸能最大原则，选取轨道车辆常用材料SUS301L-HT不锈钢；

(3)、每个吸能管上的诱导变形孔沿圆周方向均布4个；

(4)、确定诱导方式为矩形诱导孔形式；

(5)、设定每个诱导孔的开孔长度范围以角度表示18°～72°；

(6)、设定每个诱导孔的宽度范围5mm～20mm；

(7)、设定每个吸能管的诱导孔距前端的距离范围80mm～200mm；

(8)、根据这六个变量因素，设定评定吸能量/峰值力的目标REAF，开展六因素4水平正交性试验仿真，选出REAF最大的方案即最优方案；

(9)、确定每个诱导孔的开孔角度72°，宽度5mm；

(10)、确定每个吸能管上的诱导孔距的位置，由外到内的吸能管上的诱导孔距前端分别为140mm、200mm、80mm、200mm。

所述设计步骤顺序是基于控制变量法求解；设计步骤顺序为吸能管截面形状、材料、诱导预变形的分布方式、诱导预变形的方式、诱导预变形的大小、诱导预变形的位置，六个设计步骤对于诱导式吸能装置的效果影响程度依次降低。

所述诱导方式的最佳的方式为吸能管前部设有矩形的诱导孔。

进一步地，考虑到在吸能结构设计过程中应该遵循的基本准则有：

a)初始碰撞瞬间撞击力的峰值不能太大，撞击力尽可能变化平稳，理想情况的吸能结构撞击力保持恒定；

b)能量吸收装置的变形模式应尽可能稳定，由于实际的碰撞场景有一定的随机性，变形模式稳定才能保证结构最终的吸能量；

c)吸能结构应能提供一定的变形行程；

d)吸能结构必须具有良好的比吸能；

e)吸能结构应该成本低，易于制造、安装和更换。

进一步地，正交性试验水平选取原则：

a)为了避免偶然性，在合理情况下，适当拉大水平的范围，以确保包含最优的组合。

b)对于矩形孔，当诱导孔的宽度大于长度时，诱导效果不理想。应避免此种情况

c)诱导预变形应不超过高度的一半，以避开吸能管失稳位置

与现有技术相比的优点与效果：本发明理论提供的一种用于轨道车辆的诱导式压溃吸能装置设计理论可以通过有限元仿真软件实现诱导式吸能装置设计开发与优化。通过分析各因素对压溃管吸能效果的影响，排列出影响效果的程度大小和方案选择。可以根据这个理论，来快速方便地设计出满足要求的吸能装置。这对轨道车辆吸能装置的设计有一定的指导意义。

附图说明

表1为本发明正交性试验数据基础表；

表2为本发明正交性试验表；

表3为本发明仿真计算结果表；

表4为本发明与无诱导孔吸能装置的初始峰值力与稳态力对比；

图1为本发明与无诱导孔吸能装置的力-位移曲线对比；

图2为本发明与无诱导孔吸能装置的能量-时间曲线对比；

图3为本发明三维模型图；

图4为本发明半剖模型图。

具体实施方式

以下结合附图和实例对本发明做进一步的说明。

一种诱导式吸能装置设计方法，第一步、根据CRH系列动车车头的稳态力应保证2400kN且吸能量保证在1.68MJ的设计设计要求，结合有限元仿真，确定吸能装置的截面形状、长度和材料；第二步、根据吸能装置的基础参数，选择诱导分布方式、结构形式、结构大小的范围；第三步、将截面形状、长度和材料看成独立变量，通过有限元仿真，开展正交性试验，对其诱导效果进行优化，降低峰值力，改善变形模式，选出最优方案；

具体设计步骤的顺序描述如下：

(1)、为保证吸能装置的吸能量能够达到1.68MJ，根据具体边界条件设计出四个外径分别为560mm、494mm、428mm、360mm，长度1000mm，壁厚2.5mm的吸能管；所述吸能管为同轴、等间距嵌套结构，前端与防爬器内侧固定，尾端与安装板内侧固定。

(2)、确定吸能管所用材料，根据比吸能最大原则，选取轨道车辆常用材料SUS301L-HT不锈钢；

(3)、每个吸能管上的诱导变形孔沿圆周方向均布4个；

(4)、确定诱导方式为矩形诱导孔形式；

(5)、设定每个诱导孔的开孔长度范围以角度表示18°～72°；

(6)、设定每个诱导孔的宽度范围5mm～20mm；

(7)、设定每个吸能管的诱导孔距前端的距离范围80mm～200mm；

(8)、根据这六个变量因素，设定评定吸能量/峰值力的目标R_EAF，开展六因素4水平正交性试验仿真，选出R_EAF最大的方案即最优方案；

(9)、确定每个诱导孔的开孔角度72°，宽度5mm；

(10)、确定每个吸能管上的诱导孔距的位置，由外到内的吸能管上的诱导孔距前端分别为140mm、200mm、80mm、200mm。

所述设计步骤顺序是基于控制变量法求解；设计步骤顺序为吸能管截面形状、材料、诱导预变形的分布方式、诱导预变形的方式、诱导预变形的大小、诱导预变形的位置，六个设计步骤对于诱导式吸能装置的效果影响程度依次降低。

所述诱导方式的最佳的方式为吸能管前部设有矩形的诱导孔。

所述吸能装置的吸能管为同轴、等间距、组合嵌套结构。

实例：在列车以36km/h的速度下碰撞，设计出诱导式吸能装置，将碰撞初始峰值力降低50％以下。

对于嵌套管的结构，设计出四套管吸能装置，四个圆管直径分别为560mm、494mm、428mm、360mm,长度均为1000mm，壁厚均为2.5mm，材料为轨道车辆常用材料SUS301L-HT不锈钢。基于工艺性的角度考虑，确定采用矩形诱导孔形式，分布方式为每根圆管在同一截面处均匀分布4个诱导孔。

每个诱导孔的长度(即开孔角度)，宽度，以及各个圆管的诱导孔距冲击端部的位置，共有6因素来影响整的诱导效果。

水平选取原则：

a)为了避免偶然性，在合理情况下，适当拉大水平的范围，以确保包含最优的组合；

b)诱导孔的长度：本试验中诱导孔长度用开孔角度来量化(角度*半径)，基于前期研究，得出诱导孔越长，诱导效果越好，因此选择每个孔的角度从18°到72°这一水平范围；

c)诱导孔的宽度：同为矩形孔，但是当诱导孔的宽度大于长度时，诱导效果不理想。为避免这种情况，选择10mm-40mm这一水平范围；

d)诱导孔位置：前阶段基础性试验研究了一系列不同的位置对吸能特性的影响，分析结果得出了诱导孔大致的失稳位置，故此试验中在10mm-200mm这一较大范围选择参数，又能避免失稳情况。

最终，本试验数据基础如表1所示。

根据L₆(2⁴)正交性试验表设计出该试验的进行顺序，共32组仿真试验。引入R_EAF(吸能量/峰值力)这一评定指标，此指标越大，该组的诱导效果越好，由此来确定最优诱导方案，见表2。

通过仿真软件对每组试验进行计算，计算结果如表3所示。

根据仿真结果可知，第29组试验的指标R_EAF最大，为0.508916，且吸能量及稳态力均能达到要求。图1和图2分别为压溃过程中29号试验与无诱导孔吸能装置的各阶段的峰值力-位移曲线和能量-时间曲线对比。可以看出虽然增加诱导孔是材料有所减少，但吸能量基本没变，保证吸能量的稳定性。而有效地使初始峰值力降低了78.57％。通过正交试验得出第29号试验的诱导效果最好，即为最终方案，诱导式吸能装置的最终设计模型如图3和图4所示。

表1

序号	1	2	3	4	5	6
							因素名称	角度	宽度(mm)	端距1(mm)	端距2(mm)	端距3(mm)	端距4(mm)
水平1	18°	10	20	20	20	20
							水平2	36°	20	80	80	80	80
水平3	54°	30	140	140	140	140
							水平4	72°	40	200	200	200	200

表2

表3

表4

方案对比	初始峰值力(kN)	稳态力(kN)
			无诱导孔吸能装置	7200	2992
最优方案	1480	2883

本发明所述的具体实施方式并不构成对本申请范围的限制，凡是在本发明构思的精神和原则之内，本领域的专业人员能够作出的任何修改、等同替换和改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种诱导式吸能装置设计方法，第一步、根据CRH系列动车车头的稳态力应保证2400kN且吸能量保证在1.68MJ的设计要求，结合有限元仿真，确定吸能装置的截面形状、长度和材料；第二步、根据吸能装置的基础参数，选择诱导分布方式、结构形式、结构大小的范围；第三步、将截面形状、长度和材料看成独立变量，通过有限元仿真，开展正交性试验，对其诱导效果进行优化，降低峰值力，改善变形模式，选出最优方案；具体设计步骤的顺序描述如下：

(1)、为保证吸能装置的吸能量能够达到1.68MJ，根据具体边界条件确定四个外径分别为560mm、494mm、428mm、360mm，长度1000mm，壁厚2.5mm的吸能管；所述吸能管为同轴、等间距嵌套结构，前端与防爬器内侧固定，尾端与安装板内侧固定；

(2)、确定吸能管所用材料，根据比吸能最大原则，选取轨道车辆常用材料SUS301L-HT不锈钢；

(3)、每个吸能管上的诱导变形孔沿圆周方向均布4个；

(4)、确定诱导方式为矩形诱导孔形式；

(5)、设定每个诱导孔的开孔长度范围以角度表示18°～72°；

(6)、设定每个诱导孔的宽度范围5mm～20mm；

(7)、设定每个吸能管的诱导孔距前端的距离范围80mm～200mm；

(8)、根据诱导孔开孔角度、诱导孔宽度及4个诱导孔各自距前端的距离这六个变量因素，设定评定吸能量/峰值力的目标R_EAF，开展六因素4水平正交性试验仿真，选出R_EAF最大的方案即最优方案；

(9)、确定每个诱导孔的开孔角度72°，宽度5mm；

(10)、确定每个吸能管上的诱导孔距的位置，由外到内的吸能管上的诱导孔距前端分别为140mm、200mm、80mm、200mm。

2.根据权利要求1所述的一种诱导式吸能装置设计方法，其特征在于：所述设计步骤顺序是基于控制变量法求解；设计步骤顺序为吸能管截面形状、材料、诱导预变形的分布方式、诱导预变形的方式、诱导预变形的大小、诱导预变形的位置，六个设计步骤对于诱导式吸能装置的效果影响程度依次降低。

3.根据权利要求1所述的一种诱导式吸能装置设计方法，其特征在于：所述诱导方式的最佳的方式为吸能管前部设有矩形的诱导孔。

Images