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(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

關(guān)鍵字:CAE 有限元碰撞變形仿真

利用PAM-CRASH對(duì)25型鐵道客車進(jìn)行了大變形碰撞仿真研究。通過設(shè)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(cè)墻板及其它各種板件的焊接關(guān)系。根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果分析了車身主要吸能部件的變形規(guī)律,找出了設(shè)計(jì)中的一些不足之處,并提出了一些相應(yīng)的改進(jìn)措施。假人模型中的有關(guān)頭部傷害指標(biāo)和大腿傷害指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果表明,列車碰撞及其碰撞后乘客與乘客,或乘客與車內(nèi)物體的二次碰撞是導(dǎo)致乘客傷害的關(guān)鍵原因。利用PAM-CRASH的并行功能,進(jìn)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(lǐng)域中,大變形碰撞是一項(xiàng)倍受重視的被動(dòng)安全研究,他們不但用實(shí)車實(shí)物在專用的實(shí)驗(yàn)車間里不惜代價(jià)地進(jìn)行破壞性實(shí)驗(yàn),同時(shí),還廣泛采用計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真手段對(duì)結(jié)構(gòu)破壞過程進(jìn)行高速碰撞模擬,從而對(duì)設(shè)計(jì)的安全性進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)[1]。在汽車安全領(lǐng)域,國(guó)內(nèi)外都制訂了專門的被動(dòng)安全法規(guī),并開發(fā)了一些安全保護(hù)設(shè)施,例如安全帶,氣囊等。

同其它交通工具相比,列車在方便,準(zhǔn)時(shí)和運(yùn)輸效率方面非常有優(yōu)勢(shì)。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(huì)帶來嚴(yán)重的人和財(cái)務(wù)損失。例如1998年6月4日在德國(guó)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(yán)重后果。鑒于此,許多國(guó)家為了使事故造成的損失最小化在設(shè)計(jì)車輛時(shí)都充分考慮車輛的耐撞性。從1999年起,美國(guó)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(shè)計(jì)與評(píng)估。在不久的將來,歐洲也會(huì)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(shí)物實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真三種。雖然理論研究和實(shí)物實(shí)驗(yàn)不可缺少,但是車輛大變形碰撞研究的本身性質(zhì)決定,數(shù)值仿真應(yīng)成為主要的研究方法。隨著計(jì)算機(jī)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(jìn)行了高速列車 TGV的開發(fā)研究;Siemens 公司1999年進(jìn)行了高速列車的緩沖器研究;韓國(guó)鐵道科學(xué)研究院對(duì) KHST進(jìn)行了耐撞性優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[2]。中國(guó)從1999年開始對(duì)列車零部件及其一些簡(jiǎn)單的車輛模型進(jìn)行了大變形碰撞仿真研究[3][4]。

利用PAM-CRASH對(duì)25型鐵道客車進(jìn)行了大變形碰撞仿真研究。基于實(shí)際的 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(diǎn)。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(jī)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(yīng)。

    2 大變形碰撞虛功方程及其離散形式

文獻(xiàn)[5]嚴(yán)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(yīng)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(yīng)力張量,對(duì)于彈塑性問題,應(yīng)力應(yīng)變的增量關(guān)系式為[6]

    鐵道客車變形碰撞有限元分析機(jī)械設(shè)計(jì)培訓(xùn)圖片2

其中彈性矩陣和塑性矩陣的一般形式是



式中材料塑性模量可由應(yīng)力對(duì)等效塑性應(yīng)變變分得到;現(xiàn)時(shí)屈服應(yīng)力σs和f與后繼屈服函數(shù)相關(guān)。本文采用Von Mises屈服準(zhǔn)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(jī)械設(shè)計(jì)培訓(xùn)圖片5

由[7]可知,對(duì)于每個(gè)接觸對(duì)α,在局部坐標(biāo)系下,定義為法向相對(duì)位移,為法向和切向作用力,為切向相對(duì)速度,刻畫接觸關(guān)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(xùn)資料圖片9

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



其中h是時(shí)間步長(zhǎng),I表示時(shí)間步,F 表示內(nèi)力,體力和面力之和,R為離散的摩擦力。在顯式算法中當(dāng)采用減縮積分時(shí),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(nèi)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(jié)構(gòu)為全鋼焊接結(jié)構(gòu),由底架、側(cè)墻、車頂和端墻四部分焊接而成。在側(cè)墻、端墻、車頂鋼骨架外面,在底架鋼骨架的上面分別焊有側(cè)墻板、端墻板、車頂板和縱向波紋地板及平地板,形成一個(gè)上部帶圓弧,下部為矩形的封閉殼體,俗稱薄壁筒形車體結(jié)構(gòu)。殼體內(nèi)面或外面用縱向梁和橫向梁、柱加強(qiáng),形成整體承載的合理結(jié)構(gòu)。本文利用殼體單元對(duì)薄壁筒形車體結(jié)構(gòu)進(jìn)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(zhuǎn)向架為剛性殼體單元,虛線表示鋼軌。

鐵道客車變形碰撞有限元分析+培訓(xùn)資料圖片13

圖1:三維有限元模型

圖1中的車內(nèi)hybrid III假人的放置是隨機(jī)的,如圖2所示

鐵道客車變形碰撞有限元分析+培訓(xùn)資料圖片14

圖2 座椅和假人

底架、側(cè)墻、車頂和端墻四部分之間焊接關(guān)系是線焊關(guān)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(cè)墻、車頂和端墻被鋼骨架分成不同的小部分,底架、側(cè)墻、車頂和端墻與鋼骨架焊接處殼體單元的厚度為兩結(jié)構(gòu)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(guān)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(guān)系只考慮法向接觸。

    4 數(shù)值實(shí)驗(yàn)及其分析

汽車碰撞的實(shí)物研究和仿真研究開展了很多年,特別在國(guó)外的汽車科技發(fā)達(dá)的國(guó)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(guó)內(nèi)外開展了一定的研究,但是需要進(jìn)行的工作還很多。

本文利用PAM-CRASH對(duì)25型鐵道客車進(jìn)行了大變形碰撞仿真研究?；趯?shí)際的 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(diǎn)。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(jī)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(yīng)。

    4.1車體與剛性墻的正面碰撞

文[8]給出了設(shè)計(jì)耐撞擊的客運(yùn)列車的一些基本性的原則,即要求車體結(jié)構(gòu)按前、中、后三種縱向剛度設(shè)置,前后兩部分為可以產(chǎn)生塑性變形的弱剛度吸能結(jié)構(gòu),中間部分為僅產(chǎn)生彈性變形的強(qiáng)剛度彈變結(jié)構(gòu)。本文進(jìn)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(jié)果如圖3所示,車體頭部在0ms, 80ms 200ms時(shí)刻的變形圖分別如圖4的a,b,c所示。

鐵道客車變形碰撞有限元分析+培訓(xùn)資料圖片15

圖3 車體最后的變形

鐵道客車變形碰撞有限元分析+培訓(xùn)資料圖片16

a 0ms b 80ms c 200ms
圖4 車體頭部在不同時(shí)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(dāng)列車發(fā)生正面碰撞事故時(shí),非端部編組的車輛的頭部和尾部都將同其它的車輛或機(jī)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(duì)稱結(jié)構(gòu),由圖3和圖4的變形結(jié)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(dòng)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。

鐵道客車變形碰撞有限元分析+培訓(xùn)資料圖片17

圖5 能量變化曲線,KE,IE,TE 分別表示動(dòng)能,內(nèi)能,牽引梁吸收的能量

當(dāng)車體的初速度為15m/s (54Km/h)時(shí),其吸收的能量接近總的能量的1/3,但是當(dāng)車體的初速度為30m/s(108km/h)時(shí),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(jié)構(gòu)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(dāng)一個(gè)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(gè)好的吸能結(jié)構(gòu)。該車的這種結(jié)構(gòu)顯然不能很好地吸收車受撞后的動(dòng)能。我們知道,結(jié)構(gòu)吸能特性不僅取決于其材料性質(zhì),也與其幾何形狀與尺寸有關(guān),從碰撞安全保護(hù)角度出發(fā),建議改進(jìn)牽引梁的結(jié)構(gòu),即增大其與斷梁相交部分的剛度。

鐵道客車變形碰撞有限元分析+培訓(xùn)資料圖片18

圖6 牽緩端枕梁結(jié)構(gòu)的變形

4.2 乘員二次碰撞響應(yīng)

列車撞擊事故中,駕駛員的傷害很大程度上來自于機(jī)車與其它物體的碰撞;客車車廂內(nèi)的乘客的傷害既與列車碰撞有關(guān),也與列車碰撞后乘員的二次碰撞有關(guān),即乘員與乘員,或乘員與車內(nèi)其它較剛性物體的碰撞。為了研究乘員的二次碰撞響應(yīng),如圖2所示,本文在車內(nèi)隨機(jī)地放置了一些假人,假人的編號(hào)按從前到后從左到右的順序方式進(jìn)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(gè)假人在初始時(shí)刻和最后時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)和變形如圖7所示,前四個(gè)假人的頭部傷害指標(biāo)HIC如表1所示,第三個(gè)和第四個(gè)假人大腿軸向力隨時(shí)間的變化分別如圖8的a,b所示。

鐵道客車變形碰撞有限元分析+培訓(xùn)資料圖片19

圖7 前四個(gè)假人的運(yùn)動(dòng)和變形

表1 前四個(gè)假人頭部傷害指標(biāo)

鐵道客車變形碰撞有限元分析+培訓(xùn)資料圖片21

a 第三個(gè)假人 b 第四個(gè)假人
圖8 大腿軸向力與時(shí)間的關(guān)系

由表1和圖8的 a 可知,第三個(gè)假人的頭部傷害指標(biāo)HIC 1255 超過了允許的傷害指標(biāo) 1000,而且其大腿的軸向力30kn也大于標(biāo)準(zhǔn)的10kn,仿真數(shù)據(jù)表明,撞擊過程中第三個(gè)假人將會(huì)非常危險(xiǎn)。其它的假人危險(xiǎn)性不是很大,如第四個(gè)假人的大腿軸向力在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),第一,第二和第四個(gè)假人的頭部損傷指標(biāo)也沒有超標(biāo)。相對(duì)來說,第一個(gè)假人的頭部損傷指標(biāo)比第二和第四個(gè)假人的頭部損傷指標(biāo)要大。表1和圖8的數(shù)據(jù)與圖7中四個(gè)假人的運(yùn)動(dòng)與變形情況是吻合的,由圖7可知,第三個(gè)不但由于列車的碰撞而突然向前運(yùn)動(dòng),而且與第一個(gè)假人發(fā)生了二次碰撞。上述數(shù)據(jù)說明,客車車廂內(nèi)的乘員的傷害,不但與列車的碰撞有關(guān),而且與乘員的二次碰撞有非常大的關(guān)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(shè)計(jì)提高其耐撞性,應(yīng)采取措施盡量避免乘員的二次碰撞。如將車廂內(nèi)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(shè)計(jì)成封閉的行李廂,以免行李在列車撞擊時(shí)飛出來與乘員發(fā)生二次碰撞;在座椅上設(shè)計(jì)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(diǎn)就是其規(guī)模大,而且碰撞作用的時(shí)間長(zhǎng)。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(jì)算時(shí)間有時(shí)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(shù)來大大的縮短計(jì)算時(shí)間。對(duì)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(jì)算時(shí)間對(duì)比如表2所示。

表2 計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)間對(duì)比

最初的并行軟件只是單元計(jì)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(jì)算的區(qū)域劃分成一些相對(duì)來說比較均勻的子區(qū)域,程序能自動(dòng)地使用不同的 CPU 來計(jì)算不同字區(qū)域的各種場(chǎng)。對(duì)于每個(gè)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(biāo)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(nèi)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(shù)和廣州超級(jí)計(jì)算中心的并行環(huán)境進(jìn)行了兩節(jié)車與兩節(jié)車的對(duì)撞分析。模型中總的節(jié)點(diǎn)數(shù)為 1004434,殼單元數(shù)為988528,剛體單元為 7046,利用32 CPU 花費(fèi) 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(jié)論和討論

利用PAM-CRASH對(duì)25型鐵道客車進(jìn)行了大變形碰撞仿真研究?；趯?shí)際的 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(jī)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(yīng)。數(shù)值結(jié)果表明,該車總體滿足設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu),在變形過程中出現(xiàn)了彎曲失效,可以通過加強(qiáng)其失效部位的剛度來提高其吸能性。

    參考文獻(xiàn)
    1 鐘志華,汽車耐撞性分析的有限元法 [J],汽車工程,1994,16(1):1-6。
    2 Jeong-seo Koo, Tae-Soo Kwon, Hyun-Jik Cho, 韓國(guó)高速鐵路防撞設(shè)計(jì)與評(píng)估 [J],將發(fā)表于中國(guó)鐵道科學(xué)學(xué)報(bào),2004(1)。
    3 謝素明,兆文忠,閆雪冬,高速車輛大變形碰撞仿真基本原理及應(yīng)用研究 [J] ,鐵道車輛,2001(8), P1-4。
    4 姚松,田紅旗,車輛吸能部件的薄壁結(jié)構(gòu)碰撞研究 [J],中國(guó)鐵道科學(xué),2001(22);2:55-60。
    5 Laursen TA,Simo JC. A continuum-based finite element formulation for the implicit solution of multi-body, large deformation frictional contact problems[J], Int. J. Num. Meth. Engeg 1993;36:3451-85。
    6 王勖成,邵敏,有限單元法基本原理和數(shù)值方法[M],清華大學(xué)出版社,1997。
    7 Frank Jourdan,Pierre Alart,Michel Jean,A Gauss-Seidel like algorithm to solve frictional contact problems[J] , Comput. Methods Appl. Meth. Engrg 155(1998) 31-47。