鐵道客車變形碰撞有限元分析

2013-06-23 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

關鍵字:CAE 有限元碰撞變形仿真

利用PAM-CRASH對25型鐵道客車進行了大變形碰撞仿真研究。通過設置不同部分殼體單元的不同厚度,巧妙地處理了車體鋼骨架與車體側墻板及其它各種板件的焊接關系。根據(jù)仿真計算結果分析了車身主要吸能部件的變形規(guī)律,找出了設計中的一些不足之處,并提出了一些相應的改進措施。假人模型中的有關頭部傷害指標和大腿傷害指標的計算結果表明,列車碰撞及其碰撞后乘客與乘客,或乘客與車內物體的二次碰撞是導致乘客傷害的關鍵原因。利用PAM-CRASH的并行功能,進行了六百萬自由度的25型鐵道客車之間的碰撞分析。

1 引言

在汽車工業(yè)領域中,大變形碰撞是一項倍受重視的被動安全研究,他們不但用實車實物在專用的實驗車間里不惜代價地進行破壞性實驗,同時,還廣泛采用計算機數(shù)值仿真手段對結構破壞過程進行高速碰撞模擬,從而對設計的安全性進行分析和評價[1]。在汽車安全領域,國內外都制訂了專門的被動安全法規(guī),并開發(fā)了一些安全保護設施,例如安全帶,氣囊等。

同其它交通工具相比,列車在方便,準時和運輸效率方面非常有優(yōu)勢。同汽車碰撞事故相比,雖然列車發(fā)生碰撞的概率要小于汽車發(fā)生碰撞的概率,然而一旦發(fā)生意外事故,則會帶來嚴重的人和財務損失。例如1998年6月4日在德國的 Eschede 發(fā)生的由于脫軌造成的列車事故,它造成了98人死亡,200多人受傷的嚴重后果。鑒于此,許多國家為了使事故造成的損失最小化在設計車輛時都充分考慮車輛的耐撞性。從1999年起,美國開始要求在高速列車 TIER II (商業(yè)速度為 200—240 kph )上必須有列車防撞性設計與評估。在不久的將來,歐洲也會把列車防撞性納入 UIC 的規(guī)則中。

研究車輛大變形碰撞的方法有理論研究,實物實驗和數(shù)值仿真三種。雖然理論研究和實物實驗不可缺少,但是車輛大變形碰撞研究的本身性質決定,數(shù)值仿真應成為主要的研究方法。隨著計算機的發(fā)展和顯式仿真軟件,如PAM-CRASH 的成熟,成功的工業(yè)案例表明,仿真方法完全能勝任大部分車輛大變形碰撞的研究。利用仿真方法,Alstom 公司1996 年進行了高速列車 TGV的開發(fā)研究;Siemens 公司1999年進行了高速列車的緩沖器研究;韓國鐵道科學研究院對 KHST進行了耐撞性優(yōu)化設計研究[2]。中國從1999年開始對列車零部件及其一些簡單的車輛模型進行了大變形碰撞仿真研究[3][4]。

利用PAM-CRASH對25型鐵道客車進行了大變形碰撞仿真研究?；趯嶋H的 25B 車體 CAD 圖形,建立了全殼體單元的有限元模型,單車模型的規(guī)模將近25萬節(jié)點。研究了車體碰撞的多種的工況,如車與固定的剛性墻,車與變形體,單車體與單車體,兩節(jié)車體與兩節(jié)車體的正面碰撞以及車體與剛性墻斜撞后的脫軌現(xiàn)象。在單車與剛性墻的正撞模型中,隨機地放置了一些假人模型,研究了在列車碰撞后,假人與座椅,假人與假人的二次碰撞響應。

    2 大變形碰撞虛功方程及其離散形式

文獻[5]嚴格地證明了將接觸看成未知面力的虛功方程可寫成如下的形式



其中Γf表示應力邊界,ΓC表示可能接觸邊界,ρ表示密度,δU表示虛位移,σ表示柯西應力張量,對于彈塑性問題,應力應變的增量關系式為[6]

    鐵道客車變形碰撞有限元分析機械設計培訓圖片2

其中彈性矩陣和塑性矩陣的一般形式是

    鐵道客車變形碰撞有限元分析機械設計培訓圖片3

式中材料塑性模量可由應力對等效塑性應變變分得到;現(xiàn)時屈服應力σs和f與后繼屈服函數(shù)相關。本文采用Von Mises屈服準則,各向同性硬化的后繼屈服函數(shù)可以表示為

    鐵道客車變形碰撞有限元分析機械設計培訓圖片5

由[7]可知,對于每個接觸對α,在局部坐標系下,定義為法向相對位移,為法向和切向作用力,為切向相對速度,刻畫接觸關系的Signorini條件和Coulomb干摩擦條件可表示為

    鐵道客車變形碰撞有限元分析+培訓資料圖片9

PROJ 表示正交投影,。以R表示整體坐標系下的作用力,它可由局部坐標系下的作用力表示,類似[7],可推導得到虛功方程(1)的全離散形式如下



其中h是時間步長,I表示時間步,F 表示內力,體力和面力之和,R為離散的摩擦力。在顯式算法中當采用減縮積分時,為了處理由于減縮積分而引起的沙漏問題,需要引入阻尼力,即公式(6)中的F 表示內力,體力,面力以及沙漏阻尼力之和。

3 車輛碰撞的有限元模型

25型客車車體鋼結構為全鋼焊接結構,由底架、側墻、車頂和端墻四部分焊接而成。在側墻、端墻、車頂鋼骨架外面,在底架鋼骨架的上面分別焊有側墻板、端墻板、車頂板和縱向波紋地板及平地板,形成一個上部帶圓弧,下部為矩形的封閉殼體,俗稱薄壁筒形車體結構。殼體內面或外面用縱向梁和橫向梁、柱加強,形成整體承載的合理結構。本文利用殼體單元對薄壁筒形車體結構進行網(wǎng)格剖分,包括座椅和hybrid III假人的三維有限元模型如圖1所示,其中轉向架為剛性殼體單元,虛線表示鋼軌。

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圖1:三維有限元模型

圖1中的車內hybrid III假人的放置是隨機的,如圖2所示

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圖2 座椅和假人

底架、側墻、車頂和端墻四部分之間焊接關系是線焊關系,因此可以假定焊接處在大變形碰撞過程中總保持連續(xù)。底架、側墻、車頂和端墻被鋼骨架分成不同的小部分,底架、側墻、車頂和端墻與鋼骨架焊接處殼體單元的厚度為兩結構的厚度的和,其它小部分殼體單元的厚度為各自本身的厚度。接觸關系包括車體與障礙物接觸,車輪與軌道接觸,車輪與地面接觸,車體自接觸,假人與座椅以及假人與假人的接觸。除車體與障礙物接觸給定摩擦系數(shù)外,其它的接觸關系只考慮法向接觸。

    4 數(shù)值實驗及其分析

汽車碰撞的實物研究和仿真研究開展了很多年,特別在國外的汽車科技發(fā)達的國家,其安全法規(guī)及其安全措施已比較成熟。與汽車碰撞研究相比,雖然國內外開展了一定的研究,但是需要進行的工作還很多。

本文利用PAM-CRASH對25型鐵道客車進行了大變形碰撞仿真研究?；趯嶋H的 25B 車體 CAD 圖形,建立了全殼體單元的有限元模型,單車模型的規(guī)模將近25萬節(jié)點。研究了車體碰撞的多種的工況,如車與固定的剛性墻,車與變形體,單車體與單車體,兩節(jié)車體與兩節(jié)車體的正面碰撞以及車體與剛性墻斜撞后的脫軌現(xiàn)象。在單車與剛性墻的正撞模型中,隨機地放置了一些假人模型,研究了在列車碰撞后,假人與座椅,假人與假人的二次碰撞響應。

    4.1車體與剛性墻的正面碰撞

文[8]給出了設計耐撞擊的客運列車的一些基本性的原則,即要求車體結構按前、中、后三種縱向剛度設置,前后兩部分為可以產生塑性變形的弱剛度吸能結構,中間部分為僅產生彈性變形的強剛度彈變結構。本文進行了初速度為15m/s (54Km/h)車體與固定剛性壁的正面碰撞分析,最后的變形結果如圖3所示,車體頭部在0ms, 80ms 200ms時刻的變形圖分別如圖4的a,b,c所示。

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圖3 車體最后的變形

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a 0ms b 80ms c 200ms
圖4 車體頭部在不同時刻的變形

由圖3和圖4可看出,車體的頭部發(fā)生了很大的塑性的變形,車體的中部和尾部基本上沒發(fā)生塑性變形。當列車發(fā)生正面碰撞事故時,非端部編組的車輛的頭部和尾部都將同其它的車輛或機車發(fā)生碰撞,因而車輛的前部和尾部都將發(fā)生變形。由于車體的前后是對稱結構,由圖3和圖4的變形結果可分析出,車體前后兩部分的剛度比中部的剛度要弱。

初速度為15m/s (54Km/h)車體與固定剛性壁的正面碰撞和初速度為30m/s(108km/h)車體與固定剛性壁的正面碰撞過程的能量變化曲線分別如圖5的a,b所示。由圖5可知,系統(tǒng)的動能在碰撞過程中,基本上被車體的塑性變形所吸收。牽引梁是主要吸能部件,但其吸能性隨吸能總吸收的能量的增加而降低。

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圖5 能量變化曲線,KE,IE,TE 分別表示動能,內能,牽引梁吸收的能量

當車體的初速度為15m/s (54Km/h)時,其吸收的能量接近總的能量的1/3,但是當車體的初速度為30m/s(108km/h)時,其吸收的能量卻不到總的能量的1/5。初速度為15m/s (54Km/h)車體與固定剛性壁的正面碰撞過程中其底架的牽緩端枕梁結構的變形如圖6所示。如圖6所示,牽引梁吸能性下降的原因是在碰撞過程中牽引梁在其與端梁相交處發(fā)生了彎曲失效。理論分析表明,當一個梁沿縱向承受大變形碰撞后,如果發(fā)生彎曲而不是沿縱向壓塌,那么,該梁就不是一個好的吸能結構。該車的這種結構顯然不能很好地吸收車受撞后的動能。我們知道,結構吸能特性不僅取決于其材料性質,也與其幾何形狀與尺寸有關,從碰撞安全保護角度出發(fā),建議改進牽引梁的結構,即增大其與斷梁相交部分的剛度。

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圖6 牽緩端枕梁結構的變形

4.2 乘員二次碰撞響應

列車撞擊事故中,駕駛員的傷害很大程度上來自于機車與其它物體的碰撞;客車車廂內的乘客的傷害既與列車碰撞有關,也與列車碰撞后乘員的二次碰撞有關,即乘員與乘員,或乘員與車內其它較剛性物體的碰撞。為了研究乘員的二次碰撞響應,如圖2所示,本文在車內隨機地放置了一些假人,假人的編號按從前到后從左到右的順序方式進行。車體以15m/s (54Km/h)的初速度與固定剛性壁發(fā)生正面碰撞,撞擊過程中前四個假人在初始時刻和最后時刻的運動和變形如圖7所示,前四個假人的頭部傷害指標HIC如表1所示,第三個和第四個假人大腿軸向力隨時間的變化分別如圖8的a,b所示。

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圖7 前四個假人的運動和變形

表1 前四個假人頭部傷害指標

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a 第三個假人 b 第四個假人
圖8 大腿軸向力與時間的關系

由表1和圖8的 a 可知,第三個假人的頭部傷害指標HIC 1255 超過了允許的傷害指標 1000,而且其大腿的軸向力30kn也大于標準的10kn,仿真數(shù)據(jù)表明,撞擊過程中第三個假人將會非常危險。其它的假人危險性不是很大,如第四個假人的大腿軸向力在標準范圍內,第一,第二和第四個假人的頭部損傷指標也沒有超標。相對來說,第一個假人的頭部損傷指標比第二和第四個假人的頭部損傷指標要大。表1和圖8的數(shù)據(jù)與圖7中四個假人的運動與變形情況是吻合的,由圖7可知,第三個不但由于列車的碰撞而突然向前運動,而且與第一個假人發(fā)生了二次碰撞。上述數(shù)據(jù)說明,客車車廂內的乘員的傷害,不但與列車的碰撞有關,而且與乘員的二次碰撞有非常大的關系。為了減少乘員在撞擊事故中的傷害,除了優(yōu)化車體的設計提高其耐撞性,應采取措施盡量避免乘員的二次碰撞。如將車廂內的茶幾或其它非常剛性的物體的表面套上一些較軟的物體;將行李假設計成封閉的行李廂,以免行李在列車撞擊時飛出來與乘員發(fā)生二次碰撞;在座椅上設計安全帶等等。

    4.3 并行處理

列車碰撞仿真研究與汽車碰撞仿真研究相比,其最大的難點就是其規(guī)模大,而且碰撞作用的時間長。雖然同樣的程序既能做汽車碰撞仿真研究,也能完成列車碰撞仿真研究,但列車碰撞仿真研究的計算時間有時讓人難以忍受。解決這一難題的最好辦法就是利用并行技術來大大的縮短計算時間。對于單元數(shù)目為 268119 的25型鐵道客車車輛模型,不同數(shù)目 CPU 的計算時間對比如表2所示。

表2 計算機運行時間對比

最初的并行軟件只是單元計算和求解器并行化,現(xiàn)在的并行軟件發(fā)展到了基于區(qū)域分解的并行處理,例如并行的 PAM-CRASH 軟件。前處理中用戶根據(jù) CPU的數(shù)目將需要計算的區(qū)域劃分成一些相對來說比較均勻的子區(qū)域,程序能自動地使用不同的 CPU 來計算不同字區(qū)域的各種場。對于每個子區(qū)域來說,需要求解的如下方程與方程(6)比較類似,


其中下標i表示子區(qū)域,λij 表示處理子區(qū)域i和子區(qū)域j公共邊界的連續(xù)性而引入的內部界面力,與接觸力一樣,它也是未知的,在迭代過程中由子區(qū)域邊界的連續(xù)性得到,ui(I+1)-uj(I+1_=0

本文利用并行技術和廣州超級計算中心的并行環(huán)境進行了兩節(jié)車與兩節(jié)車的對撞分析。模型中總的節(jié)點數(shù)為 1004434,殼單元數(shù)為988528,剛體單元為 7046,利用32 CPU 花費 7.3就完成了碰撞分析,碰撞后的變形圖如圖9所示。

        圖9 兩節(jié)車體與兩節(jié)車體碰撞的變形情況
    5 結論和討論

利用PAM-CRASH對25型鐵道客車進行了大變形碰撞仿真研究?；趯嶋H的 25B 車體 CAD 圖形,建立了全殼體單元的有限元模型。研究了車體碰撞的多種的工況,如車與固定的剛性墻,車與變形體,單車體與單車體,兩節(jié)車體與兩節(jié)車體的正面碰撞。在單車與剛性墻的正撞模型中,隨機地放置了一些假人模型,研究了在列車碰撞后,假人與座椅,假人與假人的二次碰撞響應。數(shù)值結果表明,該車總體滿足設計規(guī)則,即車體前后部分剛度較弱車體中間的剛度較大。牽引緩沖梁是主要的吸能結構,在變形過程中出現(xiàn)了彎曲失效,可以通過加強其失效部位的剛度來提高其吸能性。

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