列車吸能器結構設計及仿真分析范文

本站小編為你精心準備了列車吸能器結構設計及仿真分析參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要:針對排障吸能器的真實工況進行結構設計，并進行了多方案對比優選。對最終方案進行了細化設計，并對吸能元件進行設計選型。基于LS－DYNA有限元仿真分析軟件對排障吸能器進行仿真分析，研究觸發力和吸收能量，驗證其排障性能和緩沖吸能性能。

關鍵詞:排障吸能器;吸能性能;結構設計;仿真分析;LS－DYNA

0引言

開放式的城際高速鐵路，可能有大型動物出沒，比如野豬等，這將會導致脫軌等運行事故，影響行車安全。因此，需要在頭車車體前端的下部安裝排障器，提高行車安全。排障器是高速列車非常重要的組成部分，是軌道列車排除線路上可能存在的障礙物以避免發生脫軌等運行事故的安全防護裝置。隨著人們對列車乘員碰撞安全的高度關注和車輛被動安全技術的進展，基于碰撞安全需要采取分層次多階段的吸能措施的思想，排障器有必要作為現代軌道列車尤其是高速列車被動安全的一個組成部分予以設計。因而，用于高速列車的排障器在設計時除了考慮結構外形與高度等基本條件及排障結構的靜強度要求以外，還需要注重其吸能性能，從而達到緩和沖擊的安全防護要求。

簡而言之，排障吸能器應兼具排障和緩沖吸能兩種功能。在國內，南車株洲電力機車有限公司技術中心的胡坤鏡，基于ANSYS軟件對200km/h客運機車排障器進行強度分析，得出排障器原結構的薄弱位置并提出了設計改進方案。同濟大學的丁晨對耐撞管結構方案及其吸能緩沖特性進行了設計和有限元仿真分析。中車唐山公司研發的排障吸能裝置及動車組頭車專利順利通過歐洲專利局審查。四川江山鐵路配件有限公司的張春林，基于Pro/E軟件對電機車排障器進行了結構設計，分析指出其結構特點，并通過ANSYS軟件對其結構的兩種受載情況做受力分析計算，證明結構合理性。筆者針對排障吸能器的真實工況進行結構設計，并設計了多種方案，進行多方案對比優選。對最終方案進行了細化設計，并對吸能元件進行設計選型。通過模擬真實工作情況，對其排障性能和緩沖吸能性能進行研究，包括觸發力和吸收能量。根據設計要求，建立動物模型和排障吸能器模型，并對排障吸能器的緩沖吸能性能進行仿真分析驗證。

1排障吸能器結構設計

1．1多方案對比

優選為了實現排障吸能器排障和緩沖吸能的功能，設計了導向管式、壓潰管式、預埋件式和預埋件+外包覆式的結構方案。從蜂窩結構形狀、加工工藝和抗老化耐用性等方面進行了對比分析，典型結構方案對比。對排障吸能器方案進行優選設計，最終定型方案為預埋件+外包覆式。

1．2吸能蜂窩的選型

碰撞過程中吸能單元所需吸收能量為20kJ，車體失效的臨界碰撞力為165kN。為了滿足以上的性能要求，需要對吸能元件進行設計選型。計算得吸能形變行程約120mm，再考慮鋁蜂窩壓縮后剩余尺寸，按80%壓縮比例，設計鋁蜂窩實際軸向尺寸為150mm。設計蜂窩強度時考慮排障吸能器單側吸能單元參與撞擊就可以吸收全部撞擊能量，考慮原排障板的單側有效面積0．35m2，估計鋁蜂窩的強度在0．47MPa左右，通過理論計算，在現有規格中選取兩種進行試驗測試，經驗公式如式(1)所示。采購成品蜂窩，鋁蜂窩材料采用3003－H18。通過試驗測得7．5×0．06鋁蜂窩準靜態壓縮強度0．39MPa，5×0．05鋁蜂窩壓縮強度準靜態壓縮強度0．45MPa，更加接近要求值，且外觀質量優于7．5×0．06鋁蜂窩，因此，決定采用5×0．05鋁蜂窩。Pm=6．6(tl)53σ0．2(1)式中:Pm為平均壓潰強度;t為蜂窩鋁箔壁厚;l為蜂窩孔邊長;σ0．2為鋁蜂窩材料的屈服極限。

2仿真分析

設計的新型排障吸能器為預埋件+外包覆式結構方案，針對其真實工況，通過有限元仿真的方式對其排障和吸能效果進行驗證。建立了動物模型，并對排障吸能器的觸發力和吸收能量進行了仿真計算。

2．1動物模型的建立

為了更加真實地模擬實際工況，建立障礙物—野豬等比例仿真模型。為使模型更符合真實情況，模型中包含了動物的皮膚、軟組織及骨骼，并賦予真實的組織屬性。

2．2仿真驗證

在沖擊載荷作用下，排障吸能結構的能量吸收過程是一個復雜的包括幾何大變形、材料非線性、接觸等高度非線性特征的物理過程。ANSYS/LS－DYNA采用了非線性顯式有限元算法，能夠很好地處理以上問題。ANSYS/LS－DYNA采用變步長的中心差分法進行時間積分來求解。碰撞過程中，結構之間作用力的相互關系通過定義接觸算法來計算。在仿真中采用Automatic類型的接觸方式:用一個總體的單面接觸來定義各個部件之間或自身可能發生的接觸行為，然后對某些特殊區域設置必要的局部接觸類型以保證分析的可靠性。碰撞接觸中必然會有摩擦，摩擦力的存在會使材料硬度產生變化，直接影響到碰撞性能。接觸算法中摩擦力的計算基于庫倫公式，摩擦因數一般通過采用指數差值函數法對動摩擦因數和靜摩擦因數平滑過渡而得。

仿真模型中，排障吸能器由吸能單元及后支撐架兩部分組成，吸能單元的材料為3003H18，后支撐架的材料為5083－O。5083－O的動態力學性能參數和不同應變率下的應力應變曲線。實際運行過程中，存在車體與障礙物正面撞擊與側面撞擊兩種情況。針對兩種情況分別進行接觸力和吸收能量的仿真計算。排障吸能器正向撞擊仿真的示意圖、接觸力和吸收能量。通過仿真得出結論:側向撞擊時，由于蜂窩變形區域大，可吸收能量接近20kJ，吸能單元與障礙物接觸時，接觸力較大，達到800kN，但從車體連接位置受力來看，并沒有明顯的增大，說明排障吸能器確實起到了保護車體的作用。

3結論

(1)從被動安全碰撞吸能與緩沖性能出發，提出了多種結構方案進行對比優選，最終確定了預埋件+外包覆式的設計方案。

(2)列車排障吸能器對于緩和碰撞時產生的沖擊具有良好的效果。

(3)側面碰撞仿真結果表明，列車排障吸能器能夠吸收20kJ以上的能量，可以對車體起到保護作用。

參考文獻:

［1］嚴雋耄．車輛工程［M］．北京:中國鐵道出版社，1999．

［2］胡坤鏡．200km/h客運機車排障器強度分析及設計改進［J］．電力機車與城軌車輛，2012(1):56－58．

［3］丁晨，趙洪倫．高速列車頭車吸能排障器設計與仿真研究［J］．鐵道車輛，2011，49(1):1－4．

［4］張春林．電機車排障器設計及分析［J］．中國機械，2014(18):179－180．

作者：張云峰 單位：中車長春軌道客車股份有限公司