CN115169001B - 一种轨道车辆简化模型的构建方法、碰撞模拟方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轨道车辆简化模型的构建方法、碰撞模拟方法及系统，该构建方法以精细化模型为参照构建简化模型，将车厢中间部位的车体设置为实心单壳结构，两端部位设为中空双壳结构，并设置若干组简化模型的厚度简化比以及设计纵向碰撞工况、横向碰撞工况，进而在每一类碰撞工况下再对精细化模型以及每一组厚度简化比下的简化模型进行碰撞仿真得到各自的碰撞响应曲线；然后，基于简化模型和精细化模型的碰撞响应曲线采用CORA评价法计算出每个简化模型对应的总CORA值；最后从总CORA值高的简化模型中选择出最优的简化模型。本发明构建的简化模型既适用于复杂列车事故场景的碰撞动力学响应分析也适用于乘员二次碰撞损伤研究。

Description

一种轨道车辆简化模型的构建方法、碰撞模拟方法及系统

技术领域

本发明属于车辆仿真技术领域，具体涉及一种轨道车辆简化模型的构建方法、碰撞模拟方法及系统。

背景技术

列车碰撞、脱轨等事故无法完全避免，由于乘员的无约束状态，在列车事故中极易受到严重的损伤。因此列车的被动安全成为了列车安全防护的研究重点及难点。实车碰撞是列车耐撞性研究的有效手段，但是其人力物力财力成本巨大，时间周期长，因此，数值仿真尤其是有限元仿真是列车碰撞动力学响应研究的重要手段。但列车由多编组车辆组成，精细化列车模型的单元网格和节点数量巨大，即便是在高性能服务器上计算，时间效率也较低，而且硬盘存储空间需求量大。因此，对列车仿真模型进行适度且有效的简化，进而提高仿真计算效率，降低计算成本至关重要。

为了解决列车碰撞有限元仿真计算效率低的问题，已有学者做了一些探索，如：公告授权号为CN 103294860 B的中国专利，公开了“一种铁道列车多车辆碰撞仿真的模型简化方法”，其在轨道车辆纵向冲击中，将车辆不变形的中间部分简化为一维梁单元和质量单元的方法。公告授权号为CN 109492346 B的中国专利，公开了“一种轨道列车碰撞仿真简化模型的构建方法”，其在在轨道车辆纵向冲击中，将车辆中间区域划分为多个变形区段，进而将这些变形区段用不同的质量点和一维梁单元模拟的简化方法。

然而，上述专利均只针对列车的纯纵向碰撞场景，但实际列车事故中，由于列车的多车辆编组效应和复杂的列车运行环境，列车事故通常会同时存在纵向冲击和横向冲击，譬如某节车撞击另外一节车的侧面、列车侧面和铁路周边基础设施之间发生碰撞等。因此，上述技术并不适用于复杂列车事故场景的碰撞动力学响应分析，无法较为真实的还原实际碰撞工况。此外，由于上述技术方案中均将车体中间部分全部替换为质量点和一维梁单元，因此无法模拟出列车内饰的实际场景，导致构建的模型也无法用于轨道车辆的乘员二次碰撞损伤研究。

综上，现有的轨道车辆碰撞仿真简化模型构建方法均存在一定的不足，还需要进一步改进。

发明内容

本发明为了解决上述现有技术存在未考虑横向冲击、不适用于复杂列车事故场景的碰撞动力学响应分析以及无法用于轨道车辆的乘员二次碰撞损伤研究的技术问题，提供了一种轨道车辆简化模型的构建方法、碰撞模拟方法及系统。其中，本发明技术方案提供的所述简化模型，其一方面未将车体中间部分用质量点以及一维梁单元替代，而是设置为实心单壳结构，保留了车体外形，进而保证后续可以进行侧面碰撞/横向碰撞仿真，由此也可知，本发明技术方案提供的简化模型能够适应于复杂列车事故场景的碰撞研究；第二方面，也因为保留了车体外形，从而保留了车体内饰，进而可以直接将假人模型放到简化模型内进行列车乘员的二次碰撞仿真；第三方面，本发明技术方案提供的简化模型的构建过程，同时考虑了纵向碰撞工况以及横向碰撞工况，使得每个简化模型的CORA值更具有代表性以及实际意义，也更符合实际工况，最终使得选择出的简化模型更符合本领域需求；第四方面，本发明技术方案中以厚度简化比来调整简化模型，是考虑到实际轨道车辆车体的不同部位(如车顶、车底、侧墙)的双壳厚度间距并不一样，将厚度简化比定义为简化模型的实心单壳厚度与精细化模型的中空双壳的厚度间距之比，且整个轨道车辆对应一个厚度简化比，从而针对车体中间的不同车体部位(如车顶、侧墙等)赋予不同的shell单元厚度，即基于同一个厚度简化比可以同比例缩放shell单元，使得设计过程更为简单。

一方面，本发明提供的一种轨道车辆简化模型的构建方法，其包括以下步骤：

步骤1：基于轨道车辆的三维结构采用有限元技术构建轨道车辆的精细化模型和简化模型；

其中，所述简化模型是将每节车厢中间部位的车体设置为实心单壳结构，两端部位设为中空双壳结构；

步骤2：参照所述精细化模型对所述简化模型进行初步设置，包括设置材料、力学性能参数以及质量点；

步骤3：进一步设置不同厚度简化比得到若干组简化模型，以及设计纵向碰撞工况、横向碰撞工况，并在每一类碰撞工况下再对所述精细化模型以及每一组厚度简化比下的所述简化模型进行碰撞仿真得到各自的碰撞响应曲线；

其中，所述厚度简化比为同一位置上所述简化模型的实心单壳厚度与所述精细化模型的中空双壳的厚度间距之比；

步骤4：基于所述简化模型和所述精细化模型的碰撞响应曲线采用CORA评价法计算出每个厚度简化比的所述简化模型对应的总CORA值；

其中，基于所述精细化模型以及每个厚度简化比的所述简化模型在同一碰撞工况下的碰撞响应曲线计算出对应每个厚度简化比的简化模型在每个碰撞工况下得到的CORA值，再对所有碰撞工况下的CORA值进行加权计算得到每个厚度简化比的简化模型的总CORA值；

步骤5：将所述总CORA值作为选择依据，从所述总CORA值最高的n组简化模型中选择出最优简化模型，其中，n的取值范围为2～5。

进一步可选地，若简化模型存在共节点，中空双壳结构的两端部位与实心单壳结构的中间部位之间的网格通过共节点连接；若不存在共节点，中空双壳结构的自由端通过刚性梁单元连接实心单壳结构。

进一步可选地，所述碰撞响应曲线至少包括：压缩量-时间曲线、碰撞力-时间曲线；

其中，若存在2个或2个以上的碰撞响应曲线，任一个厚度简化比的简化模型在任一个碰撞工况下得到的CORA值是每类碰撞响应曲线下所述简化模型在所述碰撞工况下的CORA值的加权平均值。

进一步可选地，所述碰撞响应曲线还包括：碰撞动能-时间曲线、内能-时间曲线、加速度-时间曲线中的一个或多个。

进一步可选地，针对一类碰撞响应曲线，任一个厚度简化比的简化模型在任一个碰撞工况下的CORA值按照如下公式计算得到：

C＝w₁C₁+w₂*C₂

C₂＝w_2a*C_2a+w_2b*C_2b+w_2c*C_2c

式中，C表示CORA值，w₁、w₂、w_2a、w_2b、w₂c均为权重因子，在本实施例中权重因子为w₁＝0.4，w₂＝0.6，w_2a＝1/3，w_2b＝1/3，w_2c＝1/3，w₁、w₂求和等于1，w_2a、w_2b、w_2c求和等于1，C₁为通道相关性评分，C₂为互相关评分，C_2a为相位差异评分、C_2b为峰值差异评分，C_2c为斜率差异评分。

进一步可选地，所述通道相关性评分C₁的获取过程如下：

基于所述精细化模型的碰撞响应曲线生成两个信号通道，分别为内部通道和外部通道；

基于所述简化模型的碰撞响应曲线与所述两个信号通道的位置关系计算出所述通道相关性评分C₁；

其中，若所述简化模型的碰撞响应曲线在内部通道边界内，则所述通道相关性评分C₁为1；

若所述简化模型的碰撞响应曲线在外部通道的外部边界，则所述通道相关性评分C₁为0；

若所述简化模型的碰撞响应曲线在内、外部通道之间，则按照如下公式计算出所述通道相关性评分C₁：

其中，δ₀(t)为外部通道的边界，δ_i(t)为内部通道的边界，y(t_i)为参考曲线，即精细化模型的碰撞响应曲线；x(t_i)为评估曲线，即简化模型的碰撞响应曲线；C_i为不同时间步的评分，i表示时间步长，k为通道相关性评分的指数因子，可以预先设定其取值；N表示实数。

进一步可选地，所述互相关评分C₂的获取过程如下：

首先，在评估区间[t_min,t_max]内通过改变时间步长Δt的倍数来移动参考曲线，并每改变一个时间步，均计算参考曲线和评估曲线之间的互相关值；其中，所述参考曲线为精细化模型的碰撞响应曲线，所述评估曲线为简化模型的碰撞响应曲线；

然后，在最大互相关的时间步处计算所述参考曲线和评估曲线之间的相位差异评分C_2a和斜率差异评分C_2c，以及计算峰值差异评分C_2b。

进一步可选地，步骤5中选择出最优的简化模型的过程为：

依据每个厚度简化比的简化模型的总CORA值，从所述总CORA值最高的n个的简化模型中选择出与精细化模块的碰撞变形模式相似度最高的简化模型作为最优的简化模型。

第二方面，本发明提供一种基于轨道车辆简化模型的乘员二次碰撞模拟方法，其包括以下步骤：

S1：根据所述的构建方法构建目标轨道车辆的简化模型；

S2：利用所述简化模型模拟所述目标轨道车辆内的实际内饰场景和乘员场景，并进行碰撞仿真得到碰撞仿真结果。

第三方面，本发明提供一种基于所述方法的系统，其包括：

建模模块，用于基于轨道车辆的三维结构采用有限元技术构建轨道车辆的精细化模型和简化模型；

其中，所述简化模型是将每节车厢中间部位的车体设置为实心单壳结构，两端部位设为中空双壳结构

设置模块，用于参照所述精细化模型对所述简化模型进行初步设置，包括设置材料、力学性能参数以及质量点；以及设置模块还用于进一步设置不同厚度简化比得到若干组简化模型；

碰撞仿真模块，用于设计纵向碰撞工况、横向碰撞工况，并在每一类碰撞工况下再对所述精细化模型以及每一组厚度简化比下的所述简化模型进行碰撞仿真得到各自的碰撞响应曲线；

其中，所述厚度简化比为所述简化模型的实心单壳厚度与所述精细化模型的中空双壳的厚度间距之比；

CORA计算模块，用于基于所述简化模型和所述精细化模型的碰撞响应曲线采用CORA评价法计算出每个厚度简化比的所述简化模型对应的总CORA值；

其中，基于所述精细化模型以及每个厚度简化比的所述简化模型在同一碰撞工况下的碰撞响应曲线计算出对应每个厚度简化比的简化模型在每个碰撞工况下得到的CORA值，再对所有碰撞工况下的CORA值进行加权计算得到每个厚度简化比的简化模型的总CORA值；

筛选模块，用于将所述总CORA值作为选择依据，从所述总CORA值最高的n组简化模型中选择出最优简化模型，其中，n的取值范围为2～5。

有益效果

1.本发明技术方案提供的简化模型相较于精细化模型，有效降低了网格单元和节点数量，提高了仿真效率以及降低了计算复杂度。其中，将车体的中间部位上原中空双壳结构改为了实心单壳结构，保留了车位外形，进而保证后续可以进行横向冲击试验，即车体的侧面和障碍物之间的碰撞，相较于现有技术中将车体的中间部分直接删除，并使用1维梁单元和质量点代替导致车体的中间部位没有外形，无法进行横向碰撞仿真，本发明技术方案更符合本领域的实际需求，能够更为真实的还原实际碰撞工况。此外，正由于保留了车体外形，也就可以保留车体内饰，从而可以将假人模型放入车体内进行列车乘员的二次碰撞仿真，由此可见，本发明技术方案提供的简化模型在保证与精细化模型的碰撞结果相近的基础上，还能实现乘员的二次碰撞仿真，应用更为广泛。

2.本发明技术方案为了保证简化模型与精细化模型的碰撞性能接近，首次将CORA评价法引入至本领域的简化模型的构建中，CORA(Correlation andAnalysis)评价法不同于以往的评价方法，它结合了两个独立的子方法，一个通道相关性评分和一个互相关评分，两者相辅相成，各自的缺点通过另一个子方法来弥补，其中，通道相关性评分评估响应曲线与通道的拟合程度；互相关法评估曲线下的相位、斜率和峰值。因此，本发明技术方案将其引入至简化模型的构建中，使得构建出的简化模型与精细化模型的碰撞性能更为接近/相似。

3.本发明技术方案同时考虑了纵向碰撞工况以及横向碰撞工况，即计算出的每个简化模型的CORA是同时基于纵向碰撞工况和横向碰撞工况的碰撞响应曲线得到的。使得构建出的简化模型更符合实际工况。

4.本发明技术方案以厚度简化比来调整简化模型，是考虑到了实际轨道车辆车体的不同部位(如车顶、车底、侧墙)的双壳厚度间距并不一样，将厚度简化比定义为简化模型的实心单壳厚度与精细化模型的中空双壳的厚度间距之比，且整个轨道车辆对应一个厚度简化比，从而针对车体中间的不同车体部位(如车顶、侧墙等)赋予不同的shell单元厚度，即基于同一个厚度简化比可以同比例缩放shell单元，使得设计过程更为简单。

附图说明

图1为一种轨道车辆简化模型的构建方法的流程示意图。

图2为轨道车辆车体剖面简化过程的一个示意图。

图3为轨道车辆车体剖面简化过程的另一示意图。

图4为简化模型各向异性本构模型材料力学参数获取示意图。

图5为轨道车辆碰撞仿真工况示意图。

图6为CORA客观评价法示意图。

图7为各厚度简化比的简化模型在所有碰撞仿真工况下的平均CORA曲线图。

图8为不同权重计算得到的各厚度简化比的简化模型总的CORA曲线图。

图9为精细化模型和各厚度简化比的简化模型在36km/h纵向刚性墙碰撞仿真中的压缩量曲线对比图，其中，部分曲线重叠范围较大。

图10为精细化模型和各厚度简化比的简化模型在36km/h纵向刚性墙碰撞仿真中的碰撞力曲线对比图，其中，部分曲线重叠范围较大。

图11为精细化模型和各厚度简化比的简化模型在80km/h纵向刚性墙碰撞仿真中的压缩量曲线对比图。

图12为精细化模型和各厚度简化比的简化模型在80km/h纵向刚性墙碰撞仿真中的碰撞力曲线对比图。

图13为精细化模型和各厚度简化比的简化模型在36km/h横向刚性柱碰撞仿真中的压缩量曲线对比图。

图14为精细化模型和各厚度简化比的简化模型在36km/h横向刚性柱碰撞仿真中的碰撞力曲线对比图。

图15为精细化模型和最优简化模型在36km/h纵向刚性墙碰撞仿真中的车辆变形模式对比图。

图16为精细化模型和最优简化模型在80km/h纵向刚性墙碰撞仿真中的车辆变形模式对比图。

图17为精细化模型和最优简化模型在36km/h横向刚性柱碰撞仿真中的车辆变形模式对比图。

图18为精细化模型和最优简化模型在36km/h纵向刚性墙碰撞仿真中的碰撞能量曲线对比。

图19为精细化模型和最优简化模型在80km/h纵向刚性墙碰撞仿真中的碰撞能量曲线对比图。

图20为精细化模型和最优简化模型在36km/h横向刚性柱碰撞仿真中的碰撞能量曲线对比图。

具体实施方式

本发明提供的一种轨道车辆简化模型的构建方法及系统是以一种全新的技术思路来构建轨道车辆的简化模型，相较于精细化模型，在保证碰撞性能相近的基础上，既降低了网格/节点数量，提高了仿真效率以及降低了计算复杂度；此外，本发明提出的简化模型保留了车位外形，从而使其可以进行横向冲击仿真以及乘员的二次碰撞仿真。下面将结合实施例对本发明做进一步的说明。

实施例1：

本实施例提供一种轨道车辆简化模型的构建方法，其包括以下步骤：

步骤1：基于轨道车辆的三维结构采用有限元技术构建轨道车辆的精细化模型和简化模型。

其中，先针对轨道车辆的详细三维几何模型采用有限元技术构建轨道车辆精细化模型，并通过结构部件或整车碰撞仿真试验验证精细化模型(精细化有限元模型)的有效性。本实施例所指的精细化有限元模型是指一比一还原车体结构的车辆有限元模型。由于精细化模型的构建以及碰撞仿真验证是本领域的常规技术手段，因此对其不进行具体的陈述。

如图2所示，简化模型是将轨道车辆精细化模型的车体中间部分的夹层三明治中空双壳结构改为实心单壳结构，且依旧用shell壳单元模拟，车体两端依旧保持为原来的夹层三明治中空双壳结构(见图2和3)，其他区域保留不变或不做更改，譬如，转向架等结构与精细化模型的对应结构保持一致。如图3所示，本发明实施例中轨道车辆以中间车为例，但是本发明所述方法适用于头车、中间车或整列车，即轨道车辆指代中间车、头车、或整列车，任一个车厢的车体的中间部位一般指代乘员乘坐区域，中间车的两端部位一般是设备室，头车的两端为司机室和另一端的设备室。应当理解，按照上述方式构建的简化模型保留了车体的外形，为后续进行横向冲击仿真以及乘员二次碰撞仿真奠定了基础。

步骤2：参照所述精细化模型对所述简化模型进行初步设置，包括设置材料、力学性能参数、以及质量点。本步骤的目的是使得简化模型的材料、力学性能以及总质量、重心高、转动惯量等参数和精细化模型保持一致或接近。

关于材料和力学性能参数，定义简化模型的简化部分的材料本构模型以及力学性能参数，将其设置为各向异性本构模型或者使用精细化模型的材料本构模型以及力学性能参数。其中，各向异性本构模型是本领域的常规模型，如图4所示，以简化模型的碰撞响应与精细化模型相近为最终的判断标准，通过更改材料参数来调整简化模型，使其最终满足接近的判断标准。由于上述内容是现有技术内容，因此本发明对其不进行具体的陈述。

关于质量点：本实施例对轨道车辆简化模型的不同位置赋予不同质量的分布式0D质量点，以保证轨道车辆简化模型的总质量、重心高、转动惯量等参数和精细化模型保持一致。由于该步骤的实现过程也是有限元建模的常用技术手段，因此对其不进行具体的陈述。

步骤3：进一步设置不同厚度简化比得到若干组简化模型、以及设计纵向碰撞工况、横向碰撞工况，并在每一类碰撞工况下再对所述精细化模型以及每一组厚度简化比下的所述简化模型进行碰撞仿真得到各自的碰撞响应曲线。

其中，由于实际轨道车辆车体的不同部位(如车顶、车底、侧墙)的双壳厚度间距并不一样，因此定义简化模型的厚度简化比(α)为简化模型单壳结构的厚度(t_S)与精细化模型的双壳结构厚度间距(t_D)的比值(见图2)，即α＝t_S/t_D。同一个简化模型对应同一个厚度简化比α，定义轨道车辆简化模型中间简化部分的shell单元厚度，不同车体部位(如车顶、侧墙等)赋予不同的shell单元厚度，以保证同一个简化模型的厚度简化比为相同值，从而针对不同车体部位可以同比例缩放shell厚度，其中，α取值根据经验确定，本实施例设置为0.2～0.6。一般而言，可以设置为0.2～0.8左右。

本实施例在0.2～0.6范围内设置了多组厚度简化比。同时还设计不同的轨道车辆纵向碰撞和横向碰撞仿真工况，用于比较分析轨道车辆精细化模型和不同厚度简化比的简化模型在相同工况下的碰撞响应差异。根据已有的列车耐撞性标准，本实施例设计了36km/h和80km/h的轨道车辆纵向刚性墙碰撞和36km/h轨道车辆横向刚性柱碰撞仿真(见图5)。

本实施例中碰撞响应曲线选择为压缩量-时间曲线和碰撞力-时间曲线；其他可行的实施例中，还可以增加碰撞动能-时间曲线、内能-时间曲线、加速度-时间曲线中的一个或多个。

步骤4：基于所述简化模型和所述精细化模型的碰撞响应曲线采用CORA评价法计算出每个厚度简化比的所述简化模型对应的总CORA值。

其中，本发明采用CORA客观评价法定量评估不同厚度简化比的轨道车辆简化模型和精细化模型的碰撞响应拟合程度。CORA评价法不同于以往的评价方法，它结合了两个独立的子方法，一个通道相关性评分和一个互相关评分，其中，通道相关性评分评估响应曲线与通道的拟合程度；互相关法评估曲线下的相位、斜率和峰值。使用这两种子方法是必不可少的，因为每种子方法的缺点都可以通过另一种方法来弥补。图6显示了CORA评分方案的原则结构。

针对一类碰撞响应曲线，任一个厚度简化比的简化模型在任一个碰撞工况下的CORA值按照如下公式计算得到：

C＝w₁C₁+w₂*C₂   (1)

C₂＝w_2a*C_2a+w_2b*C_2b+w_2c*C_2c   (2)

1＝∑w_i   (3)

式中，C表示CORA值，w₁、w₂、w_2a、w_2b、w_2c均为权重因子，w₁、w₂求和等于1，w_2a、w_2b、w_2c求和也等于1；C₁为通道相关性评分，C₂为互相关评分，C_2a为相位差异评分、C_zb为峰值差异评分，C_2c为斜率差异评分。最终的评分结果C(CORA值)范围从“0”(无相关性)到“100％”(完美匹配)。另外，用户可以自定义上述权重因子对评分方法调整，以获得更加可靠的评价结果。

通道相关性评分一般是通过用户自定义或自动生成的信号通道(本实施例中采用自动生成的通道)来计算两条曲线之间的偏差。具体是，本实施例首先计算参考信号(即本发明中轨道车辆精细化模型的碰撞响应曲线)的通道曲线，即根据已有的参考曲线自动生成两个通道，也可以理解为沿着参考曲线定义了两个通道，内部通道和外部通道共4条曲线，如图6所示，一个通道由两条曲线确定上下边界。然后，基于所述简化模型的碰撞响应曲线与所述两个信号通道的位置关系计算出所述通道相关性评分C₁；

其中，如果评估曲线(即本发明中轨道车辆简化模型的碰撞响应曲线)在内部通道边界内，则通道相关性评分(C₁)给出“1”分；如果评估曲线在外部通道的外部边界，则通道相关性评分(C₁)给出“0”分；如果评估的曲线在内、外部通道之间，则通过公式(4)来计算。最终的通道相关性评分C₁是在评估区间[t_min，t_max]内的每个时间步计算的C_i的平均，如公式(5)。

其中，δ₀(t)为外部通道的边界，δ_i(t)为内部通道的边界，y(t_i)为参考曲线，即精细化模型的碰撞响应曲线；x(t_i)为评估曲线，即简化模型的碰撞响应曲线；C_i为不同时间步的评分，i表示第i个时间步，譬如评估曲线的时间范围是[0，100]，每隔5s计算1下；k为通道相关性评分的指数因子，N表示实数。

曲线互相关评分(C₂)通过两条曲线的相位差异评分C_2a、峰值差异评分C_2b和斜率差异评分C_2c来综合计算曲线局部特征的相似程度。即互相关评分首先在评估区间[tmin，tmax]内通过改变时间步长Δt的倍数来移动参考曲线。对于每一个改变的时间步，都会计算两条曲线的互相关值。在最大互相关的时间步处，计算相位差异评分C_2a、峰值差异评分C_2b和斜率差异评分C_2c。这三个值的加权总和是总的互相关评分值。

首先，在评估区间[t_min，t_max]内通过改变时间步长Δt的倍数来移动参考曲线，并每改变一个时间步，均计算参考曲线和评估曲线之间的互相关值。计算公式如下：

其中，K_xy(m)为互相关评分值，t_min为评估区间的最小值，x表示评估曲线，即简化模型的碰撞响应曲线；y表示参考曲线，即精细化模型的碰撞响应曲线。在m＝0，1，-1，2，-2，...时，参考曲线移动m*Δt的时间步。m的范围由用户输入参数确定，n是评估区间的时间总步数。

然后，在最大互相关的时间步处计算所述参考曲线和评估曲线之间的相位差异评分C_2a和斜率差异评分C_2c，以及计算峰值差异评分C_2b。

其中，斜率相关性评分(Shape rating-C_2c)来自最大的互相关评分值K，公式如下：

其中，k_v为斜率相关性评分的指数因子。

相位差异相关性评分(Phase shift rating-C_2a)由参数D_min和D_mmax控制，并在最大互相关评分值K和相应的时移δ下计算如下：

δ_min＝D_min·(t_max-t_min)0≤D_min≤1   (8)

δ_max＝D_max·(t_max-t_min)0≤D_max≤1   (9)

其中，D_max为时移最大百分比，D_min为时移最小百分比，δ_max为时移最大值，δ_min为时移最小值，|δ|为时移数，k_p为相位差异相关性评分的指数因子。

峰值相关性评分(Size rating-C_2b)通过比较两条曲线和时间轴之间所围成的面积来评价峰值相关性等级，公式如下：

F_x[t_min+δ，t_max+δ]，F_y[t_min，t_max]

其中，F_x和F_y分别为评估曲线x和参考曲线y的均方值，k_G为峰值相关性评分的指数因子。

基于上述公式，可以计算出任一类碰撞响应曲线，任一个厚度简化比的简化模型在任一个碰撞工况下的CORA值，然后，计算每类碰撞响应曲线下一个厚度简化比的简化模型在一个碰撞工况下的CORA值的加权平均值得到该厚度简化比的简化模型在该碰撞工况下得到的CORA值；最后给不同碰撞工况赋予不同的权重进行加权计算，计算出每个厚度简化比的轨道车辆简化模型的总CORA值。

具体地，在本实施例中，首先计算出每个厚度简化比的轨道车辆简化模型在所有碰撞工况下的压缩量信号和碰撞力信号的CORA值，然后对压缩量信号和碰撞力信号的CORA值进行加权平均得到每个厚度简化比的轨道车辆简化模型在所有碰撞工况下的平均CORA值(如图7)。最后对不同碰撞工况赋予不同的权重，计算出每个厚度简化比的轨道车辆简化模型的总CORA值(如图8)。不同碰撞工况的计算权重可以直接加权平均，或者通过数据统计得到。本实施例同时使用了加权平均法和事故数据统计法计算总CORA值。具体地，加权平均法中，3种碰撞工况的权重均为1/3。事故数据统计法中，通过调查统计列车碰撞、脱轨/倾覆等复杂列车事故中，一列车脱轨/倾覆的车厢数量占总车厢数量的比值，即为36km/h横向刚性柱碰撞仿真的权重，而36km/h纵向刚性墙碰撞仿真的权重和80km/h纵向刚性墙碰撞仿真的权重一样。其他可行的实施例中，根据精度需求可以对权重进行适应性调整。

步骤5：将所述总CORA值作为选择依据，从所述总CORA值最高的n个简化模型中选择出最优的简化模型。本实施例中，分析总CORA值最大的n组厚度简化比的轨道车辆简化模型的最终碰撞变形模式和精细化轨道车辆碰撞变形模式，通过肉眼观察哪个的变形模式和精细化模型的结果更为接近/相似度最高，进而确定最终的简化模型。或者是本领域的已存在的表征碰撞变形的相似度计算来自动化确定相似度最高的简化模型。应当理解，依据总CORA值选择数值高的简化模型已能满足基本需求，但是本发明优先进一步加入变形结果的比对，可以进一步保证简化模型与精细化模型的一致或接近。

通过上述方法，建立的各厚度简化比的轨道车辆简化模型和轨道车辆精细化模型的结果对比如图9-图14所示。本实施例中通过总CORA值和车辆碰撞变形模式确定出最优的轨道车辆简化模型的厚度简化比为0.38，该最优简化模型的轨道车辆碰撞变形模式和轨道车辆精细化模型的碰撞变形模式对比如图15-图17所示，该最优简化模型的轨道车辆碰撞能量变化和轨道车辆精细化模型的碰撞能量变化对比如图18-图20所示。结果显示，通过上述方法建立的最优轨道车辆简化模型和精细化模型的数值仿真结果吻合较好，说明此方法建立的简化模型能够准确有效地模拟列车复杂事故中的碰撞动力学响应。此外，由于该简化方法保留了轨道车辆内饰空间(如侧墙等结构)，因此，该简化模型也能够直接用于列车乘员的二次碰撞损伤研究，即，可以直接利用该简化模型建立列车-乘员耦合动力学模型，研究乘员二次碰撞动力学响应。与此同时，该方法有效地减少了轨道车辆有限元碰撞仿真模型的网格和节点数量(网格数量减少了62％，节点数量减少了68％)，显著地提高了列车碰撞仿真的计算效率(计算效率提高了55％)，表1为具体的模型简化前后的对比。

表1

综上，采用上述方法建立的轨道车辆简化模型可以准确地模拟列车复杂事故中的车辆碰撞动力学响应和乘员二次碰撞损伤响应，有效地降低了仿真模型的网格和节点数量，极大地提高了仿真计算效率。其采用CORA客观评价法定量评估简化模型的有效性，保证了简化模型与精细化模型的碰撞性能的一致或相近。此外，虽然本实施例仅针对列车的中间车进行了模型简化，但是此方法同样适用于对列车的头车进行模型简化。列车头车通常安装有多级吸能结构，在列车纵向冲击中可以有效地吸收列车的冲击动能，减少头车车体的变形。此外，列车头车车体和中间车车体一样，均是夹层三明治中空双壳结构。因此，本发明提出的轨道车辆碰撞仿真简化模型构建方法适用于列车所有车厢。

实施例2：

本实施例还提供了一种基于轨道车辆简化模型的乘员二次碰撞模拟方法，其包括以下步骤：

S1：根据所述的构建方法构建目标轨道车辆的简化模型。

S2：利用所述简化模型模拟所述目标轨道车辆内的实际内饰场景和乘员场景，并进行碰撞仿真得到碰撞仿真结果。

应当理解，简化模型保留了车体外形，从而为乘员二次碰撞仿真试验奠定了基础。其中，本发明并不约束如何进行乘员的二次碰撞研究，现有技术中已经存在诸多相关技术可以实现二次碰撞研究。

实施例3：

本实施例提供一种基于所述轨道车辆简化模型的构建方法的系统，其包括：建模模块、设置模块、碰撞仿真模块、CORA计算模块以及筛选模块。

其中，建模模块用于基于轨道车辆的三维结构采用有限元技术构建轨道车辆的精细化模型和简化模型；其中，所述简化模型是将每节车厢中间部位的车体设置为实心单壳结构，两端部位设为中空双壳结构。

设置模块用于参照所述精细化模型对所述简化模型进行初步设置，包括设置材料、力学性能参数以及质量点；以及设置模块还用于进一步设置不同厚度简化比得到若干组简化模型；

碰撞仿真模块用于设计纵向碰撞工况、横向碰撞工况，并在每一类碰撞工况下再对所述精细化模型以及每一组厚度简化比下的所述简化模型进行碰撞仿真得到各自的碰撞响应曲线。

CORA计算模块用于基于所述简化模型和所述精细化模型的碰撞响应曲线采用CORA评价法计算出每个厚度简化比的所述简化模型对应的总CORA值。

其中，基于所述精细化模型以及每个厚度简化比的所述简化模型在同一碰撞工况下的碰撞响应曲线计算出对应每个厚度简化比的简化模型在每个碰撞工况下得到的CORA值，再对所有碰撞工况下的CORA值进行加权计算得到每个厚度简化比的简化模型的总CORA值。

筛选模块用于将所述总CORA值作为选择依据，选择所述总CORA值高的简化模型中选择出最优的简化模型。

具体各个模块的实现过程请参照上述方法的内容，在此不再赘述。应该理解到，上述功能模块的划分仅仅是一种逻辑功能的划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。同时，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

需要强调的是，本发明所述的实例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明不限于具体实施方式中所述的实例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，不脱离本发明宗旨和范围的，不论是修改还是替换，同样属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种轨道车辆简化模型的构建方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：基于轨道车辆的三维结构采用有限元技术，构建轨道车辆的精细化模型和简化模型；

其中，所述简化模型是将车厢中间部位的车体设置为实心单壳结构，两端部位设为中空双壳结构；

步骤2：参照所述精细化模型对所述简化模型进行初步设置，包括设置材料、力学性能参数以及质量点；

步骤3：设置不同厚度简化比得到若干组简化模型、以及设计纵向碰撞工况、横向碰撞工况，并在每一类碰撞工况下对所述精细化模型以及每一组厚度简化比下的所述简化模型进行碰撞仿真得到各自的碰撞响应曲线；

其中，所述厚度简化比为同一位置上所述简化模型的实心单壳厚度与所述精细化模型的中空双壳的厚度间距之比；

步骤4：基于所述简化模型和所述精细化模型的碰撞响应曲线采用CORA评价法计算出每个厚度简化比的所述简化模型对应的总CORA值；

其中，基于所述精细化模型以及每个厚度简化比的所述简化模型在同一碰撞工况下的碰撞响应曲线计算出对应每个厚度简化比的简化模型在每个碰撞工况下得到的CORA值，再对所有碰撞工况下的CORA值进行加权计算得到每个厚度简化比的简化模型的总CORA值；

其中，若存在2个以上的碰撞响应曲线，任一个厚度简化比的简化模型在任一个碰撞工况下得到的CORA值是每类碰撞响应曲线下所述简化模型在所述碰撞工况下的CORA值的加权平均值；

步骤5：将所述总CORA值作为选择依据，从所述总CORA值最高的n组简化模型中选择出最优简化模型，其中，n的取值范围为2～5。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：针对简化模型，若存在共节点，中空双壳结构的两端部位与实心单壳结构的中间部位之间的网格通过共节点连接；若不存在共节点，中空双壳结构的自由端通过刚性梁单元连接实心单壳结构。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述碰撞响应曲线至少包括：压缩量-时间曲线、碰撞力-时间曲线。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述碰撞响应曲线还包括：碰撞动能-时间曲线、内能-时间曲线、加速度-时间曲线中的一个或多个。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：针对一类碰撞响应曲线，任一个厚度简化比的简化模型在任一个碰撞工况下的CORA值按照如下公式计算得到：

C＝w₁C₁+w₂*C₂

C₂＝w_2a*C_2a+w_2b*C_2b+w_2c*C_2c

式中，C表示CORA值，w₁、w₂、w_2a、w_2b、w_2c均为权重因子，w₁、w₂求和等于1，w_2a、w_2b、w_2c求和等于1，C₁为通道相关性评分，C₂为互相关评分，C_2a为相位差异评分、C_2b为峰值差异评分，C_2c为斜率差异评分。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述通道相关性评分C₁的获取过程如下：

基于所述精细化模型的碰撞响应曲线生成两个信号通道，分别为内部通道和外部通道；

基于所述简化模型的碰撞响应曲线与所述两个信号通道的位置关系计算出所述通道相关性评分C₁；

其中，若所述简化模型的碰撞响应曲线在内部通道边界内，则所述通道相关性评分C₁为1；

若所述简化模型的碰撞响应曲线在外部通道的外部边界，则所述通道相关性评分C₁为0；

若所述简化模型的碰撞响应曲线在内、外部通道之间，则按照如下公式计算出所述通道相关性评分C₁：

其中，k＞0且∈N

其中，δ₀(t)为外部通道的边界，δ_i(t)为内部通道的边界，y(t_i)为参考曲线，即精细化模型的碰撞响应曲线；x(t_i)为评估曲线，即简化模型的碰撞响应曲线；C_i为不同时间步的评分，i表示第i个时间步，k为通道相关性评分的指数因子，N表示实数。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述互相关评分C₂的获取过程如下：

首先，在评估区间[t_min，t_max]内通过改变时间步长Δt的倍数来移动参考曲线，并每改变一个时间步，均计算参考曲线和评估曲线之间的互相关值；其中，所述参考曲线为精细化模型的碰撞响应曲线，所述评估曲线为简化模型的碰撞响应曲线；

然后，在最大互相关的时间步处计算所述参考曲线和评估曲线之间的相位差异评分C_2a和斜率差异评分C_2c，以及计算峰值差异评分C_2b。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤5中选择出最优的简化模型的过程为：

依据每个厚度简化比的简化模型的总CORA值，从所述总CORA值最高的n个简化模型中选择出与精细化模块的碰撞变形模式相似度最高的简化模型作为最优的简化模型。

9.一种基于轨道车辆简化模型的乘员二次碰撞模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：根据权利要求1-8任一项所述的构建方法构建目标轨道车辆的简化模型；

S2：利用所述简化模型模拟所述目标轨道车辆内的实际内饰场景和乘员场景，并进行碰撞仿真得到碰撞仿真结果。

10.一种基于权利要求1-8任一项所述方法的系统，其特征在于：包括：

建模模块，用于基于轨道车辆的三维结构采用有限元技术构建轨道车辆的精细化模型和简化模型；

其中，所述简化模型是将每节车厢中间部位的车体设置为实心单壳结构，两端部位设为中空双壳结构；

设置模块，用于参照所述精细化模型对所述简化模型进行初步设置，包括设置材料、力学性能参数以及质量点；以及设置模块还用于进一步设置不同厚度简化比得到若干组简化模型；

碰撞仿真模块，用于设计纵向碰撞工况、横向碰撞工况，并在每一类碰撞工况下再对所述精细化模型以及每一组厚度简化比下的所述简化模型进行碰撞仿真得到各自的碰撞响应曲线；

其中，所述厚度简化比为同一位置上所述简化模型的实心单壳厚度与所述精细化模型的中空双壳的厚度间距之比；

CORA计算模块，用于基于所述简化模型和所述精细化模型的碰撞响应曲线采用CORA评价法计算出每个厚度简化比的所述简化模型对应的总CORA值；

其中，基于所述精细化模型以及每个厚度简化比的所述简化模型在同一碰撞工况下的碰撞响应曲线计算出对应每个厚度简化比的简化模型在每个碰撞工况下得到的CORA值，再对所有碰撞工况下的CORA值进行加权计算得到每个厚度简化比的简化模型的总CORA值；

筛选模块，用于将所述总CORA值作为选择依据，从所述总CORA值最高的n组简化模型中选择出最优简化模型，其中，n的取值范围为2～5。

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