一種車輛碰撞能量管理系統(tǒng)及設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種車輛碰撞能量管理系統(tǒng)及設(shè)計(jì)方法，所述車輛碰撞能量管理系統(tǒng)包括與車輛匹配的車鉤緩沖裝置、壓潰管、端部吸能裝置及具有足夠剛度的車體中部結(jié)構(gòu)，在車輛碰撞過(guò)程中各結(jié)構(gòu)通過(guò)相互配合吸收能量，所述設(shè)計(jì)方法：根據(jù)實(shí)際情況建立數(shù)值模型并仿真計(jì)算，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理、分析，得到列車在運(yùn)行方向的動(dòng)力學(xué)特性，輸出曲線，各參數(shù)值，得到最合理的輸出曲線，根據(jù)輸出曲線得到合理的車輛碰撞能量管理系統(tǒng)，采用多結(jié)構(gòu)相互配合吸收碰撞過(guò)程中的能量，結(jié)構(gòu)合理、安全可靠，準(zhǔn)確的模擬列車在運(yùn)行方向的碰撞動(dòng)力學(xué)特性，合理的指導(dǎo)車輛碰撞能量管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有效減少設(shè)計(jì)失誤，節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間，提高設(shè)計(jì)效率。
【專利說(shuō)明】一種車輛碰撞能量管理系統(tǒng)及設(shè)計(jì)方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域，尤其是一種車輛碰撞能量管理系統(tǒng)及設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著軌道交通的不斷發(fā)展，車輛運(yùn)行安全被越來(lái)越多的人們所重視。車輛運(yùn)行安全中的車輛碰撞安全性是非常重要的一部分。
[0003]列車碰撞安全保護(hù)技術(shù)分為“主動(dòng)安全防護(hù)技術(shù)”和“被動(dòng)安全防護(hù)技術(shù)”兩個(gè)方面，“主動(dòng)安全防護(hù)技術(shù)”是列車安全運(yùn)行必備的，運(yùn)用得當(dāng)可有效防止碰撞事故的發(fā)生，該技術(shù)主要包括列車網(wǎng)絡(luò)及列車控制技術(shù)、合理健全的鐵路信號(hào)及報(bào)警系統(tǒng)、鐵路限界安全防護(hù)、等。但“主動(dòng)安全防護(hù)技術(shù)”不是百分之百可靠的。而在滿足鐵道車輛碰撞安全標(biāo)準(zhǔn)條件下的“列車的被動(dòng)防護(hù)技術(shù)”在碰撞發(fā)生時(shí)可最大限度地保護(hù)列車結(jié)構(gòu)、設(shè)備以及司乘人員的安全。發(fā)生碰撞時(shí)，在所有主動(dòng)安全保護(hù)措施失效的情況下，車輛被動(dòng)安全保護(hù)措施應(yīng)為乘客提供最后一道保護(hù)。
[0004]列車碰撞問(wèn)題的研究于上世紀(jì)80年代后期正式開展。英國(guó)是世界上最早開始進(jìn)行列車碰撞研究的國(guó)家。美國(guó)聯(lián)邦鐵路委員會(huì)(FRA)也啟動(dòng)了“高速客運(yùn)列車系統(tǒng)安全性”項(xiàng)目研究。法國(guó)和德國(guó)同樣對(duì)結(jié)構(gòu)耐撞性做出了大量研究。由于國(guó)內(nèi)關(guān)于碰撞的研究起步較晚，關(guān)于機(jī)車碰撞研究?jī)H僅局限在吸能裝置及簡(jiǎn)單的列車計(jì)算分析中，相對(duì)缺少對(duì)列車整車碰撞動(dòng)力學(xué)的深入研究，技術(shù)向工程的轉(zhuǎn)化程度相對(duì)較低，并且與發(fā)達(dá)國(guó)家存在較大差距。
[0005]201020645266.9專利公開了一種底架端部吸能結(jié)構(gòu)，包括吸能框架、吸能箱和吸能材料，吸能箱固定在吸能框架上，吸能箱由箱體、碰撞柱、防爬板、導(dǎo)軌、定位銷組成，碰撞柱通過(guò)螺栓與箱體連接，防爬板和導(dǎo)軌通過(guò)焊接與箱體形成一體。本實(shí)用新型裝配時(shí)將吸能箱和吸能材料按順序裝入帶有滑槽的車體內(nèi)，車體和吸能箱之間為吸能材料，在裝配完畢后吸能箱通過(guò)定位銷與車體進(jìn)行固定。當(dāng)兩車輛發(fā)生碰撞時(shí)固定吸能箱的定位銷被剪切力剪斷，吸能箱通過(guò)導(dǎo)軌沿著車體內(nèi)滑槽將載荷施加給吸能材料，在載荷作用下將吸能塊壓潰的過(guò)程中，能量得到釋放，從而，起到保護(hù)車體和乘客的目的。但是上述專利也只是從底架端部吸能結(jié)構(gòu)一個(gè)方面提高了吸收碰撞能量的能力，并沒(méi)有從整體上考慮車輛碰撞能量的管理。
[0006]鑒于此提出本發(fā)明。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)合理、安全可靠的車輛碰撞能量管理系統(tǒng)，及對(duì)符合歐標(biāo)的耐碰撞窄軌車輛碰撞能量管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)建立模型、仿真分析合理分配列車各端部的能量，并作為車輛碰撞能量管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的依據(jù)。
[0008]為了實(shí)現(xiàn)該目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0009]一種車輛 碰撞能量管理系統(tǒng)，包括與車輛匹配的車鉤緩沖裝置、壓潰管、端部吸能裝置及具有足夠剛度的車體中部結(jié)構(gòu)，在車輛碰撞過(guò)程中各結(jié)構(gòu)相互配合吸收能量。
[0010]所述的端部吸能結(jié)構(gòu)為壓潰變形吸能結(jié)構(gòu)和/或脹管式吸能結(jié)構(gòu)和/或切削式吸能結(jié)構(gòu)。
[0011]所述的端部吸能裝置包括前端吸能裝置，所述前端吸能裝置設(shè)置在車體前部車鉤的兩側(cè)，該前端吸能裝置的高度與車體底架的高度保持一致。
[0012]所述的端部吸能裝置還包括輔助吸能裝置，所述輔助吸能裝置為設(shè)置在列車中間各車體之間的中間端吸能裝置，該中間端吸能裝置的高度與車體底架的高度保持一致。
[0013]所述的車輛碰撞能量管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法包括以下步驟:
[0014]I)、根據(jù)實(shí)際情況建立數(shù)值模型:將列車中各節(jié)車體簡(jiǎn)化為附有質(zhì)量的體單元，依據(jù)Mc-Tp-Ml-M2-Tp-Mc進(jìn)行編組，將車輛中的各結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)為相應(yīng)的參數(shù)輸入數(shù)值模型；
[0015]2)、對(duì)I)中所述數(shù)值模型進(jìn)行仿真計(jì)算:所述仿真計(jì)算在列車縱向的動(dòng)力學(xué)計(jì)算程序中完成；
[0016]3)、對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理、分析，得到列車在運(yùn)行方向的動(dòng)力學(xué)特性，輸出曲線；
[0017]4)、調(diào)整I)中的各參數(shù)值，得到最合理的輸出曲線；
[0018]5)、根據(jù)3)中的輸出曲線，完成車體剛度的分配、車體中部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，車鉤的選型，車體端部吸能裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，得到合理的車輛碰撞能量管理系統(tǒng)。
[0019]所述步驟I)中考慮加載、卸載特性，壓潰管特性及剪切的破壞特性將車鉤緩沖裝置、壓潰管、端部吸能裝置及車體中部結(jié)構(gòu)設(shè)置為非線性彈簧，將非線性彈簧的特性曲線輸入到數(shù)值模型中；考慮輪軌摩擦的影響，設(shè)置輪軌間的摩擦系數(shù)，且在相鄰車體之間的設(shè)置接觸；車輛碰撞質(zhì)量=空車載荷+定員人數(shù)總質(zhì)量/2，車體的碰撞質(zhì)量可以通過(guò)改變體單元密度或者增加體單元實(shí)現(xiàn)。
[0020]所述非靜止列車輪軌之間的摩擦系數(shù)取0.003，靜止列車輪軌之間的摩擦系數(shù)取0.16。
[0021]所述所述步驟2)中仿真計(jì)算基于顯式動(dòng)力學(xué)方程。
[0022]所述所述步驟3)中用軟件HyperView對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理、分析。
[0023]所述所述步驟3)中對(duì)相鄰車體之間的非線性彈簧力、體單元的位移、體單元的速度、體單元的加速度及相鄰車體之間的接觸力進(jìn)行了輸出，該輸出曲線為時(shí)間歷程曲線。
[0024]采用本發(fā)明所述的技術(shù)方案后，帶來(lái)以下有益效果:
[0025]1、采用多結(jié)構(gòu)相互配合吸收碰撞過(guò)程中的能量，結(jié)構(gòu)合理、安全可靠。
[0026]2、準(zhǔn)確的模擬列車在運(yùn)行方向的動(dòng)力學(xué)特性。包括力的傳遞、速度變化、加速度變化及能量統(tǒng)計(jì)。
[0027]3、設(shè)計(jì)方法合理的指導(dǎo)碰撞車體中部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效減少車體中部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)失誤，節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間，提高設(shè)計(jì)效率。
[0028]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0029]圖1:本發(fā)明車輛碰撞能量管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法流程圖
[0030]圖2:本發(fā)明車輛碰撞能量管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中車輛編組示意圖
[0031]圖3:本發(fā)明車輛碰撞能量管理系統(tǒng)中前端吸能裝置結(jié)構(gòu)示意圖[0032]圖4:本發(fā)明車輛碰撞能量管理系統(tǒng)中前端吸能裝置安裝示意圖
[0033]圖5:本發(fā)明車輛碰撞能量管理系統(tǒng)中中間端吸能裝置結(jié)構(gòu)示意圖
[0034]圖6:本發(fā)明車輛碰撞能量管理系統(tǒng)中中間端吸能裝置安裝示意圖
[0035]其中:1、駕駛動(dòng)車，2、帶弓拖車，3、中間動(dòng)車，4、中間動(dòng)車，5、車體前端，6、前端吸能裝置，7、車體中間部，8、中間端吸能裝置
【具體實(shí)施方式】
[0036]一種車輛碰撞能量管理系統(tǒng)，包括與車輛匹配的車鉤緩沖裝置、壓潰管、端部吸能裝置及具有足夠剛度的車體中部結(jié)構(gòu)，在車輛碰撞過(guò)程中各結(jié)構(gòu)相互配合吸收能量，多個(gè)結(jié)構(gòu)配合使用能夠更大程度上提高了列車碰撞過(guò)程中的安全性能。
[0037]上述車鉤緩沖裝置是用于使車輛與車輛，機(jī)車或動(dòng)車相互連掛，傳遞牽引力，制動(dòng)力并緩和縱向沖擊力的車輛部件。它由車鉤，緩沖器、鉤尾框，從板等組成一個(gè)整體，安裝于車底架構(gòu)端的牽引梁內(nèi)。
[0038]上述壓潰管是經(jīng)特殊處理的鋼管，安裝在車鉤尾部，主要承受壓縮力，壓潰管的強(qiáng)度要比車身略低但高于車輛正常連接時(shí)產(chǎn)生的縱向沖擊力，當(dāng)車輛產(chǎn)生高于正常連接速度時(shí)，壓潰管發(fā)生塑性變形，吸收沖擊能量，把列車縱向沖擊力限制在車身強(qiáng)度以下，保護(hù)乘客區(qū)不產(chǎn)生較大變形。
[0039]所述的端部吸能結(jié)構(gòu)為壓潰變形吸能結(jié)構(gòu)和/或脹管式吸能結(jié)構(gòu)和/或切削式吸能結(jié)構(gòu)。
[0040]如圖3、圖4所示，所述的端部吸能裝置包括前端吸能裝置6，所述前端吸能裝置6設(shè)置在車體前部5車鉤的兩側(cè)，該前端吸能裝置的高度與車體底架的高度對(duì)應(yīng)。前端吸能裝置6吸收碰撞沖擊產(chǎn)生的縱向載荷或者將載荷傳遞到底架并通過(guò)底架向后傳遞。
[0041]如圖5、圖6所示所述的端部吸能裝置還包括輔助吸能裝置，所述輔助吸能裝置為設(shè)置在列車中間各車體之間的車體中間部7的中間端吸能裝置8，該中間端吸能裝置的高度與車體底架的高度保持一致。
[0042]如果車鉤緩沖裝置不足以與前端吸能裝置6匹配完成吸能，則考慮在列車中間各車體之間增加輔助吸能裝置。窄軌車輛中前端壓縮行程較短不足以合理的進(jìn)行能量吸收，因此考慮在列車中間各車體之間增加輔助吸能裝置，來(lái)吸收碰撞過(guò)程中的能量，確保安全。
[0043]如圖1所示，車輛碰撞能量管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法包括以下步驟:
[0044]I)、根據(jù)實(shí)際情況建立數(shù)值模型:將列車中各節(jié)車體簡(jiǎn)化為附有質(zhì)量的體單元，依據(jù)Mc-Tp-Ml-M2-Tp-Mc進(jìn)行編組(參見(jiàn)圖2)，將車輛中的各結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)為相應(yīng)的參數(shù)輸入數(shù)值模型；考慮到加載、卸載特性，壓潰管特性及剪切的破壞特性將車鉤緩沖裝置、壓潰管、端部吸能裝置及車體中部結(jié)構(gòu)設(shè)置為非線性彈簧，將非線性彈簧的特性曲線輸入到數(shù)值模型中；考慮輪軌摩擦的影響，設(shè)置輪軌間的摩擦系數(shù)，且在相鄰車體之間的設(shè)置接觸，所述非靜止列車輪軌之間的摩擦系數(shù)優(yōu)選0.003，靜止列車輪軌之間的摩擦系數(shù)優(yōu)選0.16 ;車輛碰撞質(zhì)量=空車載荷+定員人數(shù)總質(zhì)量/2，車體的碰撞質(zhì)量可以通過(guò)改變體單元密度或者增加體單元實(shí)現(xiàn)。
[0045]車鉤緩沖裝置的非線性彈簧參數(shù)參考車鉤緩沖裝置本身的相關(guān)數(shù)據(jù)輸入，車端吸能裝置的非線性彈簧參數(shù)低于車體的非線性彈簧參數(shù)。[0046]2)、對(duì)I)中所述數(shù)值模型進(jìn)行仿真計(jì)算:所述仿真計(jì)算在列車縱向的動(dòng)力學(xué)計(jì)算程序中完成，該仿真計(jì)算基于顯式動(dòng)力學(xué)方程；
[0047]3)、對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理、分析，得到列車在運(yùn)行方向的動(dòng)力學(xué)特性，優(yōu)選用軟件HyperView對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理、分析,輸出曲線；
[0048]4)、調(diào)整I)中的各參數(shù)值，得到最合理的輸出曲線，該輸出曲線為時(shí)間歷程曲線，對(duì)相鄰車體之間的非線性彈簧力、體單元的位移、體單元的速度、體單元的加速度及相鄰車體之間的接觸力進(jìn)行了輸出；
[0049]5)、根據(jù)3)中的輸出曲線，完成車體剛度的分配、車體中部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，車鉤的選型，車體端部吸能裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，得到合理的車輛碰撞能量管理系統(tǒng)。
[0050]端部吸能裝置的穩(wěn)定變形力值應(yīng)保持穩(wěn)定，且與非線性彈簧特性的輸入?yún)?shù)保持—致。
[0051]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明原理前提下，還可以做出多種變形和改進(jìn)，這也應(yīng)該視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種車輛碰撞能量管理系統(tǒng)，其特征在于:包括與車輛匹配的車鉤緩沖裝置、壓潰管、端部吸能裝置及具有足夠剛度的車體中部結(jié)構(gòu)，在車輛碰撞過(guò)程中各結(jié)構(gòu)相互配合吸收能量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車輛碰撞能量管理系統(tǒng)，其特征在于:所述的端部吸能結(jié)構(gòu)為壓潰變形吸能結(jié)構(gòu)和/或脹管式吸能結(jié)構(gòu)和/或切削式吸能結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的車輛碰撞能量管理系統(tǒng)，其特征在于:所述的端部吸能裝置包括前端吸能裝置，所述前端吸能裝置設(shè)置在車體前部車鉤的兩側(cè)，該前端吸能裝置的高度與車體底架的高度保持一致。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的車輛碰撞能量管理系統(tǒng)，其特征在于:所述的端部吸能裝置還包括輔助吸能裝置，所述輔助吸能裝置為設(shè)置在列車中間各車體之間的中間端吸能裝置，該中間端吸能裝置的高度與車體底架的高度保持一致。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一所述的車輛碰撞能量管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于:所述的車輛碰撞能量管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法包括以下步驟:
1)、根據(jù)實(shí)際情況建立數(shù)值模型:將列車中各節(jié)車體簡(jiǎn)化為附有質(zhì)量的體單元，依據(jù)Mc-Tp-Ml-M2-Tp-Mc進(jìn)行編組，將車輛中的各結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)為相應(yīng)的參數(shù)輸入數(shù)值模型； 2)、對(duì)I)中所述數(shù)值模型進(jìn)行仿真計(jì)算:所述仿真計(jì)算在列車縱向的動(dòng)力學(xué)計(jì)算程序中完成; 3)、對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理、分析，得到列車在運(yùn)行方向的動(dòng)力學(xué)特性，輸出曲線； 4)、調(diào)整1)中的各參數(shù)值，得到最合理的輸出曲線； 5)、根據(jù)3)中的輸出曲線，完成車體剛度的分配、車體中部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，車鉤的選型，車體端部吸能裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，得到合理的車輛碰撞能量管理系統(tǒng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的車輛碰撞能量管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于:所述步驟O中考慮加載、卸載特性，壓潰管特性及剪切的破壞特性將車鉤緩沖裝置、壓潰管、端部吸能裝置及車體中部結(jié)構(gòu)設(shè)置為非線性彈簧，將非線性彈簧的特性曲線輸入到數(shù)值模型中；考慮輪軌摩擦的影響，設(shè)置輪軌間的摩擦系數(shù)，且在相鄰車體之間的設(shè)置接觸；車輛碰撞質(zhì)量=空車載荷+定員人數(shù)總質(zhì)量/2，車體的碰撞質(zhì)量可以通過(guò)改變體單元密度或者增加體單元實(shí)現(xiàn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的車輛碰撞能量管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于:所述非靜止列車輪軌之間的摩擦系數(shù)取0.003，靜止列車輪軌之間的摩擦系數(shù)取0.16。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的車輛碰撞能量管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于:所述所述步驟2)中仿真計(jì)算基于顯式動(dòng)力學(xué)方程。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的車輛碰撞能量管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于:所述所述步驟3)中用軟件HyperView對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理、分析。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的車輛碰撞能量管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于:所述步驟3)中對(duì)相鄰車體之間的非線性彈簧力、體單元的位移、體單元的速度、體單元的加速度及相鄰車體之間的接觸力進(jìn)行了輸出，該輸出曲線為時(shí)間歷程曲線。
【文檔編號(hào)】G06F17/30GK103902541SQ201210570388
【公開日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2012年12月25日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月25日
【發(fā)明者】車全偉, 張寅河, 田愛(ài)琴, 丁叁叁, 周建樂(lè), 許嬌, 宋業(yè)恒 申請(qǐng)人:南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司