CN113361003B - 轨道车辆承载式吸能结构设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及轨道车辆技术领域，公开一种轨道车辆承载式吸能结构设计方法，以解决人工对承载式吸能结构压溃区域吸能梁排布布置的不断试错和重复分析所导致的低效率和低性能问题。包括：将承载式吸能结构划分为前支撑区域、压溃区域、后支撑区域三部分；将压溃区域作为设计域，将设计域由实体单元、前支撑区域和后支撑区域由壳单元建模，将模型导入到集成了混合元胞自动机方法的Ls‑Tasc软件中，采用HCA拓扑优化方法对压溃区域进行拓扑优化；分析拓扑优化结果，根据力传递的最直接和最有效的路径确定压溃区域中的纵梁数量和各纵梁的材料分布，最后可以采取将纵梁的方管划分为多胞结构，和/或填充材料形成夹芯结构等方法提升其吸能特性。

Description

轨道车辆承载式吸能结构设计方法
技术领域
本发明涉及轨道车辆技术领域，尤其涉及一种轨道车辆承载式吸能结构设计方法。
背景技术
随着轨道交通行业的快速发展交通量的不断增加，列车整备质量大，运行速度也在不断的提高，一旦碰撞事故发生，必定带来严重的经济损失和人员伤亡，因此列车运行的安全问题必然会得到人们的高度重视。由于发生碰撞事故的原因具有多样性，仅有主动安全防护不可能完全避免列车事故的发生，因此轨道交通车辆的被动安全性被给予了更高的期望，需要更精确的设计。
在对车辆进行耐撞性设计时，除了在车身两端的相应部分安装能量吸收装置外，还按“弱-强-弱”的顺序排列车身结构的纵向刚度。因此在头车底架前端的结构设计中引入“具有一定吸能作用的能量吸收区域”的设计理念，即要求底架前端结构在列车发生碰撞事故时能够达到一定的能量吸收要求，在设计时，前端和后端的刚度小于中间乘客室的刚度，所以当车辆发生碰撞时，刚度较小的零件将发生塑性变形。一方面，它可以吸收碰撞能量，减少传递给驾驶员和乘客的碰撞力，并保护驾驶员和乘客；另一方面，它可以减少车身主要结构的塑性变形，并保护车身主体结构的完整性。承载式吸能结构即为车辆前端的变形区域，与列车主体结构集成为一体，具有一定的强度和刚度，当列车正常运行时起到传递纵向力的作用，并且自身结构完整，同样在列车发生碰撞事故时通过结构的塑性变形吸收能量。
承载式吸能结构是当车辆以较高速度发生碰撞事故，且完全压溃防爬吸能装置时，承载式吸能结构将参与吸收能量。目前，大多数对承载式吸能结构的设计都是基于工程经验，因此很难得到材料的较优分布以开发更有效的结构。
发明内容
本发明目的在于公开一种轨道车辆承载式吸能结构设计方法，以解决人工对承载式吸能结构压溃区域吸能梁排布布置的不断试错和重复分析所导致的低效率和低性能问题。
为达上述目的，本发明公开一种轨道车辆承载式吸能结构设计方法，包括：
将承载式吸能结构划分为前支撑区域、压溃区域、后支撑区域三部分；
将所述压溃区域作为设计域，在HyperMesh中采用六面体网格离散所述设计域，并将所述前支撑区域和所述后支撑区域由壳单元、而所述设计域由实体单元建立模型；
将所述模型导入到集成了混合元胞自动机方法的Ls-Tasc软件中，将所述压溃区域中的设计域设置材料参数，施加材料对称约束，在Y方向施加挤压拉伸约束，采用HCA拓扑优化方法对所述压溃区域进行拓扑优化；所述拓扑优化至少包括：对所述承载式吸能结构施加碰撞工况，根据设置的目标质量分数、最大迭代步数和收敛阈值对碰撞工况采用显式计算求解；
分析拓扑优化结果，根据力传递的最直接和最有效的路径确定所述压溃区域中的纵梁数量和各纵梁的材料分布，并对拓扑优化结果进行工程诠释，将承载式吸能结构拓扑优化结果进行调整以转为有限元模型；
将所述纵梁的方管划分为多胞结构，和/或填充材料形成夹芯结构。
优选地，所述承载式吸能结构采用铝合金材料参数，并赋予*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY材料模型。
优选地，拓扑优化后的纵梁结构为4根，且分布于左右两端的两根方管纵梁的宽度大于中间两根方管纵梁的宽度。
本发明具有以下有益效果：
采用HCA拓扑优化方法对所述压溃区域进行拓扑优化，根据力传递的最直接和最有效的路径确定所述压溃区域中的纵梁数量和各纵梁的材料多少，对拓扑优化结果进行工程诠释即可进行投产；从根本上解决了人工对承载式吸能结构压溃区域吸能梁排布布置的不断试错和重复分析所导致的低效率和低性能问题，而且纵梁采用多胞和/或夹芯的复合结构进一步提升了吸能特性。
下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例轨道车辆承载式吸能结构设计方法流程示意图。
图2是本发明实施例承载式吸能结构设计区域示意图。
图3是本发明实施例承载式吸能结构拓扑优化结果示意图。
图4是本发明实施例拓扑优化结果工程诠释示意图。
图5是本发明实施例复合纵梁可采取的设计方法示意图。
图6是本发明实施例承载式吸能结构在车体的位置示意图。
图7是本发明实施例15.31km/h拓扑优化前后承载式吸能结构对车体吸能特性的影响仿真结果示意图。其中，优化前为压溃区域不具备纵梁的图2所示模型结构。
图8是本发明实施例15.31km/h复合纵梁对车体吸能特性的影响仿真结果示意图。
图9是本发明实施例22.05km/h拓扑优化前后承载式吸能结构对车体吸能特性的影响仿真结果示意图。
图10是本发明实施例22.05km/h复合纵梁对车体吸能特性的影响仿真结果示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1
本实施例公开一种轨道车辆承载式吸能结构设计方法，参照图1至图6，主要包括以下方面的内容：
一、地铁头车的承载式吸能结构由前支撑区域、压溃区域、后支撑区域三部分组成，对压溃区域进行设计，采用HCA(Hybrid Cellular Automata，混合元胞自动机)拓扑优化方法对压溃区域进行拓扑优化，与等效静态载荷法不同，混合元胞自动机的优势在于省去了需要通过外部进行动态响应和静态响应之间的转换，并能通过局部的优化控制算法有效解决优化问题中的棋盘格现象。因此将压溃吸能区域作为设计域，在HyperMesh中采用六面体网格离散设计区域，非优化设计区域由壳单元建立模型，如图2所示。在计算分析中，施加材料对称约束，并且为了制作的方便和结构的美观，在Y方向施加挤压拉伸约束，使用车体常用的铝合金材料参数，并赋予*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY材料模型，最后施加22.04km/h的碰撞工况。
二、将底架前端承载式吸能结构拓扑优化模型导入到集成了混合元胞自动机方法的Ls-Tasc软件中，进行拓扑优化设计。目标质量分数设置为Vf＝0.3，设定程序的最大迭代步数为100，并保持默认收敛阈值ε＝0.002不变，对碰撞工况采用显式计算求解。拓扑优化可以得到在设计域中的较优的传递力的路径，减少了人工的不断试错和重复分析，HCA方法可以对碰撞工况给出大致的概念设计，但要将其直接转化为具体的结构还是有差距的。另外拓扑优化的结果通常在制造方面存在一定的困难，因此需要对结果进行一定的工程诠释以便更好的对结构进行重新设计和改进。在将承载式吸能结构拓扑优化结果转为有限元模型的过程中，一定会对拓扑优化结果进行调整，如图3所示，针对HCA的材料分布，可以看到有4条主要的路径被保留了下来，这是力传递的最直接和最有效的路径。因此可以根据底架的布局特点，设置四根纵梁，而外侧路径(对应图5中分布于左右两端的两根方管纵梁)保留了大部分材料，内侧路径(对应图5中分布于中间的两根方管纵梁)保留的材料较少，说明外侧结构是较为重要的，外侧结构的宽度应大于内侧结构，修正后的结构如图3所示。
三、目前承载式吸能结构的纵梁是一个简单的薄壁空心方管结构，而单一的金属空心管吸能的能力较弱。在此基础上可以对空心方管做更进一步设计，采用在薄壁结构中填充材料或组合多种吸能形式的方法，设计新型复合式吸能结构，可以进一步提高薄壁结构的吸能能力。在轴向压溃变形过程中多管结构可以利用管壁间的相互作用，达到提高能量吸收特性的目的，常用的有双管和三管等结构；或将单独的方管划分为多胞结构也可以进一步提高纵梁的强度，多胞管结构具有更多数量和种类的角单元(除了常见的直角、锐角和钝角单元外，还有T字形角单元、三翼缘板角单元、十字角单元等)，具有更高的能量吸收效率，以及采用填充材料的方法都可以形成复合结构来提升管件的吸能特性。
与单独的方管结构相比，本实施例将纵梁设计为填充结构，对于填充复合结构，选择的填充材料往往具有较高的比强度和比刚度，但其本身的强度和刚度并不高，不适合单独作为结构件使用，将这些多孔吸能材料填充至底架前端纵梁中，形成夹芯结构，可以成为吸能特性更好的复合结构。在轴向压溃变形过程中，一方面填充材料的存在影响到薄壁管褶皱的形成；另一方面褶皱挤压使得填充材料局部密度增加，从而增强填充材料的抗压性能，两方面同时作用使得填充管的吸能量大幅度提升。
常用的填充材料有：泡沫铝材料、聚氨酯泡沫、蜂窝材料等。
图6为承载式吸能结构在车体的位置示意图，图7为15.31km/h速度下拓扑优化后的承载式吸能结构应用于地铁头车的碰撞力-时间曲线，对比优化前在碰撞过程中，可以看出在整个碰撞过程中，除了初始峰值力，基本没有剧烈的突变点，整个曲线在优化后波动更加的稳定，这是也说明拓扑优化得到的路径使的底架前端整体结构的力流分配更加均匀，从而获得更加稳定的碰撞响应，使得车辆的耐撞性能得到了提高。
对于复合吸能纵梁的设计，以填充泡沫铝为例，图8为将泡沫铝填充至底架前端纵梁中车体的碰撞力-时间曲线，由图可知在主要吸能阶段，泡沫铝填充结构的碰撞力明显高于空心纵梁的碰撞力。空管的载荷在0.15s左右卸载，复合结构的载荷在0.1s左右卸载，碰撞力卸载的时间提前了0.05s，减少了碰撞变形的时间，降低车体的塑性变形，可以提高车辆的被动安全性。
图9显示了优化后的车体结构在22.04km/h的碰撞过程中的碰撞力-时间曲线。在0-0.1s之间优化前后的碰撞力曲线随着碰撞的进行而上下波动，趋势基本一致，但优化后的碰撞力曲线在0-0.1s之间明显高于优化前，这是因为在一定的压溃距离内有更多的结构参与吸能，载荷的提高让优化后的结构在单位距离内吸收的能量更多。在0.12-0.15s的密实化阶段，由于碰撞产生的动能基本一致，因此密实化阶段优化后的碰撞力峰值较低，优化后密实化阶段碰撞力上升至2730.35kN开始卸载，对比优化前降低51.51％。图10为填充泡沫铝的地铁头车碰撞力-时间曲线。填充泡沫铝后在碰撞力在0.13s左右开始卸载，空管在0.15s左右开始卸载，对比空管提前0.02s。
综上，本实施例轨道车辆承载式吸能结构设计方法包括：
步骤S1、将承载式吸能结构划分为前支撑区域、压溃区域、后支撑区域三部分。
步骤S2、将所述压溃区域作为设计域，在HyperMesh中采用六面体网格离散所述设计域，并将所述前支撑区域和所述后支撑区域由壳单元、而所述设计域由实体单元建立模型。
步骤S3、将所述模型导入到集成了混合元胞自动机方法的Ls-Tasc软件中，将所述压溃区域中的设计域设置材料参数，施加材料对称约束，在Y方向施加挤压拉伸约束，采用HCA拓扑优化方法对所述压溃区域进行拓扑优化；所述拓扑优化至少包括：对所述承载式吸能结构施加碰撞工况，根据设置的目标质量分数、最大迭代步数和收敛阈值对碰撞工况采用显式计算求解。
步骤S4、分析拓扑优化结果，根据力传递的最直接和最有效的路径确定所述压溃区域中的纵梁数量和各纵梁的材料分布，并对拓扑优化结果进行工程诠释，将承载式吸能结构拓扑优化结果进行调整以转为有限元模型。
步骤S5、将所述纵梁的方管划分为多胞结构，和/或填充材料形成夹芯结构。
藉此，本实施例所公开的承载式吸能结构的设计流程创新点在于采用拓扑优化结构设计和复合吸能结构设计综合提高车辆的耐撞性能，对比传统的依据工程经验进行吸能域的设计，拓扑优化方法使得材料分配合理，可以得到在设计域中的较优的传递力的路径，减少了人工的不断试错和重复分析，在拓扑优化的基础上进行吸能结构的耐撞性能提升，可以得到更加科学的耐撞性结构，并且依据底架布局特点得到的薄壁结构能更方便的更简单地设计为复合式吸能结构，提高碰撞的稳定性，因此，该方法具有实际工程应用价值，为承载式吸能结构的碰撞安全性能设计提供了一种全新的思路。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种轨道车辆承载式吸能结构设计方法，其特征在于，包括：
将承载式吸能结构划分为前支撑区域、压溃区域、后支撑区域三部分；
将所述压溃区域作为设计域，在HyperMesh中采用六面体网格离散所述设计域，并将所述前支撑区域和所述后支撑区域由壳单元、而所述设计域由实体单元建立模型；
将所述模型导入到集成了混合元胞自动机方法的Ls-Tasc软件中，将所述压溃区域中的设计域设置材料参数，施加材料对称约束，在Y方向施加挤压拉伸约束，采用HCA拓扑优化方法对所述压溃区域进行拓扑优化；所述拓扑优化至少包括：对所述承载式吸能结构施加碰撞工况，根据设置的目标质量分数、最大迭代步数和收敛阈值对碰撞工况采用显式计算求解；
分析拓扑优化结果，根据力传递的最直接和最有效的路径确定所述压溃区域中的纵梁数量和各纵梁的材料分布，并对拓扑优化结果进行工程诠释，将承载式吸能结构拓扑优化结果进行调整以转为有限元模型；
将所述纵梁的方管划分为多胞结构，和/或填充材料形成夹芯结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述承载式吸能结构采用铝合金材料参数，并赋予*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY材料模型。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，拓扑优化后的纵梁结构为4根，且分布于左右两端的两根方管纵梁的宽度大于中间两根方管纵梁的宽度。
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