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-www.br5w05v.cn 來(lái)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(guò)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(wàn)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(guò)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(kāi)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(lái)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(kāi)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(lái),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(kāi)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(kāi)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(wàn)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(xiě)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(wèn)題,應(yīng)力應(yīng)變的增量關(guān)系式為[6]

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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

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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(huà)接觸關(guān)系的Signorini條件和Coulomb干摩擦條件可表示為

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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(wèn)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。

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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

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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(guò)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(kāi)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(kāi)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(wàn)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。

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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(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(méi)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(guò)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(guò)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(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(guò)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(guò)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。

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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(lái)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(guò)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。

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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)

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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(guò)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(guò)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(méi)有超標(biāo)。相對(duì)來(lái)說(shuō),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(shuō)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(lái)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(lái)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(lái)說(shuō)比較均勻的子區(qū)域,程序能自動(dòng)地使用不同的 CPU 來(lái)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(lái)說(shuō),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(guò)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(guò)程中出現(xiàn)了彎曲失效,可以通過(guò)加強(qiáng)其失效部位的剛度來(lái)提高其吸能性。

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