CN109492346B - 一种轨道列车碰撞仿真简化模型的构建方法 - Google Patents

一种轨道列车碰撞仿真简化模型的构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轨道列车碰撞仿真简化模型的构建方法，包括：对目标中间车进行响应面划分；进行碰撞仿真实验获取到预设碰撞速度下每个响应面的响应位移和响应力；基于每个区间段的变形量识别每个区间段为塑性变形区间段或为弹性变形区间段以及计算每个弹性变形区间段的刚度，变形量与响应面的响应位移相关，刚度与响应面的响应位移、响应力相关；再构建轨道列车碰撞仿真全模型，并基于计算出的刚度对轨道列车碰撞仿真全模型上所有中间车的弹性变形区间段采用质量点和离散梁单元替代。本发明通过上述方法实现了更合理、准确的简化。

Description

一种轨道列车碰撞仿真简化模型的构建方法
技术领域
本发明属于车辆碰撞仿真技术领域，具体涉及一种轨道列车碰撞仿真简化模型的构建方法。
背景技术
列车碰撞事故将极大地威胁乘客人身安全，造成严重的财产损失。故轨道列车耐撞性成为列车安全领域的研究重点。然而实车碰撞实验需耗费巨大的人力物力财力且实验的可重复性极低，因此利用仿真技术来进行车辆碰撞研究成为了重要手段，有效的对列车简化可以提高计算效率，降低计算成本，譬如现有仿真技术一般为基于非线性有限元的数值仿真技术，而多编组列车的有限元模型存在网格数量多的问题，相应将耗费较多的计算成本，因此，简化列车建模方法对提高计算效率，降低计算成本至关重要。
目前，南京航空航天大学提出了“一种基于参数化设计的整车碰撞仿真方法”专利，采用非线性有限元软件计算列车吸能元件的撞击力-冲程并确定吸能装置的等效总刚度，结合非线性有限元和非线性多体动力学两种方法进行整车碰撞仿真，但是其主要是针对各个车厢之间的吸能元件，并未揭示或者提供轨道列车车身结构的简化；中南大学提出了“一种铁道列车多车辆碰撞仿真的模型简化方法”专利，采用动态非线性大变形有限元方法对组成整车的头车和中间车进行简化，提取单节车辆不发生塑性变形的中间部位并计算出其总质量和中心位置，分别用相应质量点代替，将车体剩余部分的各个节点用梁单元连接；虽然采用质量点和梁单元对模型进行了简化，但是该技术未提供车体结构等效刚度的实现方案，且同一辆车体各个部分的刚度是存在较大差异，该方案也并未对车体各部分的刚体进行分析，因此模型简化方法的合理性、有效性和准确性仍有待提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种简化更合理、有效以及准确的轨道列车碰撞仿真简化模型的构建方法，基于刚度差异对列车中间车的变形分析划分出中间车的弹性变形区，再基于刚度分析对中间车的弹性变形区进行简化
一种轨道列车碰撞仿真简化模型的构建方法，包括如下步骤：
S1：构建局部仿真模型，并基于刚度差异对所述局部仿真模型内目标中间车进行响应面划分；
其中，所述局部仿真模型至少由包含头车在内的3节车构成，选择局部仿真模型中一个中间车作为目标中间车；
所述响应面为目标中间车外壳上开口的竖直侧边所在的截面，相邻两个响应面之间的结构为中间车的一个区间段；
S2：对所述局部仿真模型在预设碰撞速度下进行碰撞仿真实验获取到预设碰撞速度下所述目标中间车上每个响应面的响应位移和响应力；
其中，所述预设碰撞速度至少包含目标碰撞速度，所述目标碰撞速度下车辆弹性变形完全；
S3：基于目标碰撞速度下目标中间车上每个响应面的响应位移计算出每相邻两个响应面之间区间段的变形量，再基于每个区间段的变形量识别每个区间段为塑性变形区间段或为弹性变形区间段；
其中，相邻两个响应面之间区间段的变形量为所述相邻两个响应面的响应位移差值的绝对值；
S4：基于响应位移和响应力计算每个弹性变形区间段的刚度；
弹性变形区间段的刚度等于弹性变形区间段的变形载荷除以变形量，所述变形载荷为弹性变形区间段对应的相邻两个响应面的响应力之差的绝对值；
S5：构建轨道列车碰撞仿真全模型，再基于步骤S4计算出的刚度对所述轨道列车碰撞仿真全模型上所有中间车的弹性变形区间段采用质量点和离散梁单元替代；
其中，在每个中间车上每个弹性变形区间段的响应面位置上设置质量点，所有质量点的竖直和径向坐标分别与所有弹性变形区间段的整段车体结构重心的竖直、径向坐标相等相邻质量点之间用离散梁单元连接，且相邻两个质量点之间离散梁单元的刚度等于相对应的相邻两个响应面之间的弹性变形区间段的刚度，质量点的质量等于各个质量点的响应面所在的弹性变形区间段内车体结构的1/2质量之和。
本发明基于外壳开口会导致车体刚度各个区域的刚度产生差异，将中间车以响应面划分为各个区间段，再识别区间段为弹性变形区间段或塑性变形区间段，最后基于刚度等效对弹性变形区间段进行简化。其中，由于是基于刚度差异对中间车进行区间划分，而中间车的弹性变形区简化时又是以区间段为单元，因此简化模型的刚度与实际列车的刚度更加吻合准确，进而使得简化更合理，有效；于此同时，本发明是基于仿真实验得到响应力和响应位移为基础进行刚度计算以及弹塑性识别，提供了一种实际可行的方案来实现，得到的简化模型可以大大的降低仿真计算量。
其中，本发明将沿着轨道的车体方向作为x方向，将与x方向垂直的竖直方向、径向定义为y方向和z方向。质量点的x坐标与对应响应面的x坐标相等，即质量点位于对应响应面上，质量点y坐标和z坐标是依据弹性变形区间段的整段重心来定，一般而言，得到的各个弹性变形区间段是连贯的一段区域。
其中，离散梁单元实质上为Y＝kX模型，其中，X表示位移，k表示刚度，y为作用力。
进一步优选，步骤S3中基于每个区间段的变形量识别每个区间段为塑性变形区间段或为弹性变形区间段的过程如下：
首先，将采集的每个区间段的最终变形量按从大到小的顺序排列；
然后，基于排列顺序依次叠加不同区间段的最终变形量直至叠加的变形量之和大于或等于所有区间段的最终变形量总和的90％以上；
其中，未参与变形量叠加计算的区间段为弹性变形区间段，已参与叠加计算的区间段为塑性变形区间段。
进一步优选，步骤S2中所述预设碰撞速度还包括与目标碰撞速度大小不同的碰撞速度时，步骤S4中每个弹性变形区间段的刚度的获取过程如下：
首先，基于响应位移和响应力计算在各个不同预设碰撞速度下每个弹性变形区间段的刚度；再分别利用在不同预设碰撞速度下同一弹性变形区间段的刚度计算出所述各个弹性变形区间段的刚度或者分别利用在不同预设碰撞速度下同一类弹性变形区间段的刚度计算出所述各个弹性变形区间段的刚度；
其中，壳体开口类型相同的区间段为同一类区间段以及不包含任何壳体开口的区间段为同一类区间段。
每个预设碰撞速度下各个响应面会存在一组响应力和响应位移，因此每个预设碰撞速度下每个弹性变形区间段会存在一个刚度，本发明针对同一弹性变形区间段或同一类弹性变形区间段的刚度综合考虑各个预设速度下的刚度，进而提高最终得到的各个弹性变形区间段的刚度可靠性。
进一步优选，每个弹性变形区间段的刚度等于同一弹性变形区间段或同一类弹性变形区间段在不同预设碰撞速度下的刚度均值。
进一步优选，响应面划分时外壳上的开口为门、窗。
进一步优选，所述局部仿真模型和所述轨道列车碰撞仿真全模型均为有限元仿真模型。
进一步优选，所述响应面包括目标中间车外壳上非第一个和最后一个开口的每个开口的两个竖直侧边所在的截面以及第一个开口、最后一个开口上内侧竖直侧边所在截面，所述内侧竖直侧边为开口的两个竖直侧边上远离中间车两端的侧边。
两侧边为车钩安装部分，其在碰撞过程中首先会发生塑性变形，可以确定为塑性变形区域，不是简化对象，因此不纳入本发明中间车的简化部分。
进一步优选，所述目标碰撞速度大于或等于30km/h。
进一步优选，所述轨道列车为地铁列车。
进一步优选，所述离散梁单元为线性弹簧。
有益效果
1、本发明提供的了一种全新的方法来实现轨道列车仿真模型简化方法，其基于外壳开口会导致车体刚度各个区域的刚度产生差异，将中间车以响应面划分为各个区间段，再识别区间段为弹性变形区间段或塑性变形区间段，最后基于刚度等效对弹性变形区间段进行简化。其中，相较于“一种铁道列车多车辆碰撞仿真的模型简化方法”现有方法，由于本发明是基于刚度差异通过响应面对中间车进行区间划分，而中间车的弹性变形区简化时又是以区间段为单元，因此简化模型的刚度与实际列车的刚度更加吻合准确，进而使得简化更合理，有效，同时最大限度地提取出弹性变形区间段，有利于最大化程度简化仿真模型；另一方面，本发明是基于仿真实验得到响应力和响应位移为基础进行刚度计算以及弹塑性识别，提供了一种切实可行的方案来实现，得到的简化模型可以大大的降低仿真计算量。
2、本发明通过对仿真模型进行简化，尤其是针对有限元仿真模型，极大的减少了有限元模型网格单元数量和节点数量，有效的提高的仿真效率，降低了计算复杂度。
3、通过实验也进一步验证了本发明提供的简化模型与非简化模型的数值仿真结果的吻合度较高，由此验证了本发明提供的简化模型的可靠性、准确性。
附图说明
图1是本发明提供的一种轨道列车碰撞仿真简化模型的构建方法的流程示意图；
图2是本发明提供的目标中间车的响应面划分示意图；
图3是本发明提供的局部仿真模型-刚性墙正向碰撞有限元模型的示意图；
图4是本发明提供的6个塑性变形区间段的变形量以及总变形量的示意图；
图5是本发明提供的中间车简化模型示意图；
图6是本发明提供的局部仿真模型-刚性墙正向碰撞有限元简化模型；
图7是本发明提供的刚性墙轴向冲击力在模型简化前后对比图；
图8是本发明提供的多个响应面上冲击力在模型简化前后对比图，其中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分别为响应面section1、section2、section3、section10、section11、section12上冲击力在模型简化前后对比图；
图9是本发明提供的整车各车钩纵向力在模型简化前后对比图，其中(a)、(b)、(c)分别为头车-第二节车、第二节车-第三节车、第三节车-第四节车在局部仿真模型的第二节车简化前后的对比图；
图10是本发明提供的整车动能在模型简化前后对比图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明做进一步的说明。
本发明旨在提供一种轨道列车碰撞仿真简化模型的构建方法，本实施例中以地铁车辆为例进行说明，但是本方法同样适用于其他轨道车辆，譬如高铁、动车。如图1所示，本实施例提供的一种轨道列车碰撞仿真简化模型的构建方法，包括如下步骤：
S1：构建局部仿真模型，并基于刚度差异对所述局部仿真模型内目标中间车进行响应面划分。
由于一辆轨道列车是由多节车厢构成，在碰撞过程中车辆之间是存在相互作用的，因此，为了保证简化结果的可靠性，用于分析中间车特性的局部仿真模型是由一定要求的，即局部仿真模型至少由包含头车在内的3节车构成，且将局部仿真模型中一个中间车作为分析中间车特性的目标中间车。本实施例中局部仿真模型为地铁列车的4编组组成。因此局部仿真模型是由头车、第二节中间车、第三节中间车和尾车供4节车厢组成的有限元模型，本实施例中将第二节中间车作为目标中间车。
由于门、窗结构的存在会导致门、窗处的结构强度与无门、窗处的结构强度不同，故如图2所示，将第二节中间车的结构划分为门、窗、无门窗三种类型，在第二节车辆的结构类型变化处建立响应面section1、section2、section3、section4、section5、section6、section7、section8、section9、section10、section11、section12，基于划分的响应面将第二节中间车划分为如下区间段：section1-section2、section2-section3、section3-section4、section4-section5、section5-section6、section6-section7、section7-section8、section8-section9、section9-section10、section10-section11、section11-section12。需要说明的是，由于考虑到车厢两端部分为车钩安装部分，该部分在碰撞过程中首先会发生塑性变形，可以确定为塑性变形区域，并不是简化对象，因此直接不将其纳入中间车简化部分考虑，故本实施例中选择的响应面是包括目标中间车外壳上非第一个和最后一个开口(窗或门)的每个开口(窗和门)的两个竖直侧边所在的截面以及第一个开口、最后一个开口(窗或门)上内侧竖直侧边所在截面，其中内侧竖直侧边为开口的两个竖直侧边上远离中间车两端的侧边。如图2所示的第一个开口和最后一个开口均为窗。
S2：对所述局部仿真模型在预设碰撞速度下进行碰撞仿真实验获取到预设碰撞速度下所述目标中间车上每个响应面的响应位移和响应力。
如图3所示，基于局部仿真模型构建局部仿真模型-刚性墙正向碰撞有限元模型，其中，刚性墙位于局部仿真模型正前方，刚性墙固定无自由度。局部仿真模型以预设碰撞速度撞向刚性墙进行碰撞仿真实验。本实施例中，预设碰撞速度分别为：36km/h、25km/h、16km/h。选择标准为：预设碰撞速度中至少包含目标碰撞速度，目标碰撞速度下车辆弹性变形完全，本实施例中36km/h即为目标碰撞速度。其他可行的实施例中目标碰撞速度至少大于或等于30km/h，若预设碰撞速度中有两个或两个以上的速度满足该要求，则选择将最大值的预设碰撞速度为目标碰撞速度。响应位移是指位于响应面上的单元节点的和位移，响应力是指位于响应面上的单元节点力的合力；因此在预设碰撞速度下进行碰撞仿真后，相邻响应面之间的响应位移差值的绝对值为对应区间段产生的变形量；相邻响应面之间的向应力差值的绝对值为对应区间段承受的变形载荷。
S3：基于目标碰撞速度下目标中间车上每个响应面的响应位移计算出每相邻两个响应面之间区间段的变形量，再基于每个区间段的变形量识别每个区间段为塑性变形区间段或为弹性变形区间段；
由于目标碰撞速度下车辆弹性变形完全，发生了塑性变形，因此可以第二节中间车的弹性曲线区域和塑性变形区域。区分过程为：
首先，将采集的每个区间段的最终变形量按从大到小的顺序排列；
然后，基于排列顺序依次叠加不同区间段的最终变形量直至叠加的变形量之和大于或等于所有区间段的最终变形量总和的90％以上；
其中，未参与变形量叠加计算的区间段为弹性变形区间段，已参与叠加计算的区间段为塑性变形区间段。
譬如本实施例中获取到如下区间段section1-2、section2-3、section3-4、section4-5、section5-6、section6-7、section7-8、section8-9、section9-10、section10-11、section11-12对应的变形量后排序，然后统计显示section1-2、section2-3、section3-4、section9-10、section10-11、section11-12这6个区域的变形量的总和(见图4)占所有区间段变形量的总和的97％，可以得出结论如下区间段section1-2、section2-3、section3-4、section9-10、section10-11、section11-12这6个区间段即为第二节中间车的塑性变形区间段，而区间段section4-5、section5-6、section6-7、section7-8、section8-9这5个区间段即为第二节中间车的弹性变形区间段。本发明提出的车辆碰撞简化建模方法只针对车辆弹性变形区域进行简化，弹性变形区域对应结构的刚度为弹性刚度。因此，执行步骤S4。
S4：基于响应位移和响应力计算每个弹性变形区间段的刚度；
弹性变形区间段的刚度等于弹性变形区间段的变形载荷除以变形量。本实施例中，首先，基于响应位移和响应力计算在各个不同预设碰撞速度下(36km/h、25km/h、16km/h)每个弹性变形区间段的刚度；再分别利用在不同预设碰撞速度下同一弹性变形区间段或同一类弹性变形区间段的刚度计算出所述各个弹性变形区间段的刚度。其中，弹性变形区间段的刚度等于同一弹性变形区间段或同一类弹性变形区间段在不同预设碰撞速度下的刚度均值。
如下表1所示，分别得到section4-5、section5-6、section6-7、section7-8、section8-9这5个弹性变形区间段对应结构的弹性刚度，并与36km/h的碰撞速度条件下获得的该5个弹性变形区间段对应的弹性刚度进行对比，对比结果表明在不同碰撞速度下，计算得到的5个弹性变形区间段对应的弹性刚度接近，因此对3种不同碰撞速度条件下获得的弹性变形区间段的弹性刚度取平均值，得到的弹性刚度均值即作为各弹性变形区域对应结构的最终弹性刚度。
表1地铁中间车辆各界面形变量
Figure BDA0001951848140000071
上述表1中，可知，将含窗的弹性变形区间段(4-5以及8-9)以及弹性变形无门窗的区间段(5-6以及7-8)是分别进行统一均值计算，这是基于同一类区间段的刚度视为是相同，无差别的，因此，将4-5区间段以及8-9区间段的刚度均值作为4-5、8-9区间段的刚度；将5-6区间段以及7-8区间段的刚度均值作为5-6、7-8区间段的刚度。
S5：构建轨道列车碰撞仿真全模型，再基于步骤S4计算出的刚度对所述轨道列车碰撞仿真全模型上所有中间车的弹性变形区间段采用质量点和线性弹簧替代；
其中，本实施例中轨道列车碰撞仿真全模型为构建的一辆完整的轨道列车有限元模型。如图5所示，在每个中间车上每个弹性变形区间段的响应面位置上设置质量点，质量点的竖直和径向坐标分别与所有弹性变形区间段的整段车体结构重心的竖直、径向坐标相等，相邻质量点之间用线性弹簧连接，且相邻两个质量点之间线性弹簧的刚度等于相对应的相邻两个响应面之间的弹性变形区间段的刚度。质量点的质量等于各个质量点的响应面所在的弹性变形区间段内车体结构的1/2质量之和。例如，弹性变形区域section4-5对应的结构质量平均分配在质量点1、质量点2上，线性弹簧连接质量点1与质量点2，且线性弹簧的刚度为弹性变形区域section4-5对应结构的弹性刚度；弹性变形区域section5-6对应的结构质量平均分配在质量点2、质量点3上，线性弹簧连接质量点2与质量点3，且线性弹簧的刚度为弹性变形区域section5-6对应结构的弹性刚度，此时，质量点2上的质量等于弹性变形区域section4-5对应的结构质量的1/2与弹性变形区域section5-6对应的结构质量1/2之和；以此类推完成一节中间车有限元模型的简化，同理，按照该简化方法简化其他节中间车。
通过上述方法，可以对轨道列车中间车进行简化，譬如如图6所示即为第二节中间车简化后的局部仿真模型-刚性墙正向碰撞有限元简化模型。为了进一步验证本发明简化模型的可靠性，将其与非简化模型进行仿真对比，数值仿真结果如下图7-图10所示，结果显示，简化模型与非简化模型的数值仿真结果吻合较好，简化的中间车合理、准确。于此同时，第二节地铁车辆有限元模型与简化后的第二节地铁车辆有限元模型的单元数量、节点数量见表2，简化后的第二节地铁车辆有限元模型单元数量、节点数量分别为原始第二节地铁车辆有限元模型的66.50％和68.29％。由此可知，采用本发明简化方法对模型进行简化，尤其是针对有限元模型可以有效地降低网格数量和节点数量，极大地提高运算效率。
表2
网格数量 节点数量
简化前 544753 489356
简化后 362271 334199
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 (9)

1.一种轨道列车碰撞仿真简化模型的构建方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：构建局部仿真模型，并基于刚度差异对所述局部仿真模型内目标中间车进行响应面划分；
其中，所述局部仿真模型至少由包含头车在内的3节车构成，选择局部仿真模型中一个中间车作为目标中间车；
所述响应面为目标中间车外壳上开口的竖直侧边所在的截面，相邻两个响应面之间的结构为中间车的一个区间段；
S2：对所述局部仿真模型在预设碰撞速度下进行碰撞仿真实验获取到预设碰撞速度下所述目标中间车上每个响应面的响应位移和响应力；
其中，所述预设碰撞速度至少包含目标碰撞速度，所述目标碰撞速度下车辆弹性变形完全；
S3：基于目标碰撞速度下目标中间车上每个响应面的响应位移计算出每相邻两个响应面之间区间段的变形量，再基于每个区间段的变形量识别每个区间段为塑性变形区间段或为弹性变形区间段；
其中，相邻两个响应面之间区间段的变形量为所述相邻两个响应面的响应位移差值的绝对值；
所述塑性变形区间段或为弹性变形区间段识别过程为：将采集的每个区间段的最终变形量按从大到小的顺序排列；再基于排列顺序依次叠加不同区间段的最终变形量直至叠加的变形量之和大于或等于所有区间段的最终变形量总和的90％以上；其中，未参与变形量叠加计算的区间段为弹性变形区间段，已参与叠加计算的区间段为塑性变形区间段；
S4：基于响应位移和响应力计算每个弹性变形区间段的刚度；
弹性变形区间段的刚度等于弹性变形区间段的变形载荷除以变形量，所述变形载荷为弹性变形区间段对应的相邻两个响应面的响应力之差的绝对值；
S5：构建轨道列车碰撞仿真全模型，再基于步骤S4计算出的刚度对所述轨道列车碰撞仿真全模型上所有中间车的弹性变形区间段采用质量点和离散梁单元替代；
其中，在每个中间车上每个弹性变形区间段的响应面位置上设置质量点，所有质量点的竖直和径向坐标分别与所有弹性变形区间段的整段车体结构重心的竖直、径向坐标相等，相邻质量点之间用离散梁单元连接，且相邻两个质量点之间离散梁单元的刚度等于相对应的相邻两个响应面之间的弹性变形区间段的刚度，质量点的质量等于各个质量点的响应面所在的弹性变形区间段内车体结构的1/2质量之和。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S2中所述预设碰撞速度还包括与目标碰撞速度大小不同的碰撞速度时，步骤S4中每个弹性变形区间段的刚度的获取过程如下：
首先，基于响应位移和响应力计算在各个不同预设碰撞速度下每个弹性变形区间段的刚度；再分别利用在不同预设碰撞速度下同一弹性变形区间段的刚度计算出所述各个弹性变形区间段的刚度或者分别利用在不同预设碰撞速度下同一类弹性变形区间段的刚度计算出所述各个弹性变形区间段的刚度；
其中，壳体开口类型相同的区间段为同一类区间段以及不包含任何壳体开口的区间段为同一类区间段。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：每个弹性变形区间段的刚度等于同一弹性变形区间段或同一类弹性变形区间段在不同预设碰撞速度下的刚度均值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：响应面划分时外壳上的开口为门、窗。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述局部仿真模型和所述轨道列车碰撞仿真全模型均为有限元仿真模型。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述响应面包括目标中间车外壳上非第一个和最后一个开口的每个开口的两个竖直侧边所在的截面以及第一个开口、最后一个开口上内侧竖直侧边所在截面，所述内侧竖直侧边为开口的两个竖直侧边上远离中间车两端的侧边。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述目标碰撞速度大于或等于30km/h。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述轨道列车为地铁列车。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述离散梁单元为线性弹簧。
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