[发明专利]一种铁道列车多车辆碰撞仿真的模型简化方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铁道列车多车辆碰撞仿真的模型简化方法。

背景技术

随着铁路运输的发展，列车运营速度的不断提高，人们对列车的运行安全问题越来越重视，虽然铁路车辆发生碰撞事故的概率相对较小，但是高速运行中的列车具有较大的初始动能，一旦发生碰撞，所带来的损失将是无比巨大的。铁道列车一般由多辆车厢组成，当列车发生碰撞事故后，其碰撞不同于汽车的单体撞击，其撞击过程往往是多辆车的耦合撞击过程，当两列车端车相互接触发生碰撞时，后面的车厢会接二连三地与前面的车发生接触碰撞。

由此可见，列车的碰撞过程是一个非常复杂的物理现象，处理车辆间的相互耦合碰撞外，还包括车体结构发生大位移，大转动所引起的几何非线性，各种材料发生大应变时所表现的物理非线性，以及复杂的碰撞接触与摩擦问题。数值仿真是开展车辆大变形碰撞研究的主要方法，在数值仿真分析过程中常用的方法是动态非线性大变形有限元方法。动态非线性大变形有限元方法可采用各种单元和节点描述系统，对车体结构进行详细建模，可以非常直观精确考察碰撞部位的结构变形情况等。但对于列车碰撞仿真这样的复杂力学问题，采用动态非线性大变形有限元方法需要花费较长的计算时间，特别是碰撞过程其实是由整个列车组参与，如果要建立多节车辆编组的整列车撞击分析有限元模型，就必须考虑在一定程度上对车体结构进行简化。本方法主要对列车碰撞简化模型进行研究。

现有技术中的模型规模庞大，尤其是单元数、节点数量多，计算时间长，对计算机性能要求高，模型和计算结果需要较大的存储空间，大大影响了分析效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种铁道列车多车辆碰撞仿真的模型简化方法，利用该简化方法大大简化了模型规模，缩短了计算时间，性能一般的计算机也能进行分析求解，节约了大量的存储空间，大大提高了分析效率。

本发明的技术方案是：一种铁道列车多车辆碰撞仿真的模型简化方法，采用动态非线性大变形有限元方法将组成铁道车辆整列车的各单车进行简化，其中单车包括头车和中间车，其特征在于，具体步骤如下：

(a)、首先进行单车在一系列速度等级下与理想刚性墙的碰撞分析，分析车体不发生塑性变形的头车中间部位和中间车中间部位，将这两部位提取出来，并计算出其总重量和重心位置；

(b)、将步骤(a)中分析出来的头车和中间车的中间部位用分别一个质量点m₁和m₂来代替，质量点m₁和m₂位置分别为头车和中间车被简化部分的重心位置，质量点m₁和m₂的重量分别等于原车型中被简化中间部位的重量；

(c)、质量点m₁和m₂与车体剩下部分断面处的各个节点用梁单元进行连接，所有梁单元的刚度之和与被简化掉的车体中间部位一致；

(d)、在简化的单车模型基础上进行组装头车和中间车，建立8辆编组的整列车有限元模型。

其中，车体不发生塑性变形的头车中间部位和中间车中间部位允许发生可恢复弹性变形。

所述质量点m₁和m₂，其位置分别为原头车和原中间车被简化部分的重心位置，其重量分别等于原车型中被简化中间部位的重量；所述梁单元的刚度之和与被简化掉的车体中间部位一致。

所述一系列速度等级为5m/s、7.5m/s、10m/s和15m/s。

利用上述铁道列车多车辆碰撞仿真的模型简化方法，能解决铁道车辆多车辆仿真分析中的模型规模大、计算时间长、分析效率低、对计算机性能要求高、需要存储空间大等问题。

附图说明

图1为头车的简化过程图；

图2为中间车的简化过程图；

图3为简化前后头车动能结果对比分析图；

图4为简化前后头车塑性内能结果对比分析图；

图5为简化前后头车撞击力结果对比分析图；

图6为简化前后中间车动能结果对比分析图；

图7为简化前后中间车塑性内能结果对比分析图；

图8为简化前后中间车撞击力结果对比分析图；

图9为整列车结构模型图；

图10为两列车碰撞模型图；

图11为各车辆速度随时间变化曲线图；

图12为各车辆加速度随时间变化曲线图。

具体实施方式