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原文传递气囊弹射加速方法及在机车车辆碰撞测试中的应用研究

论文题名：	气囊弹射加速方法及在机车车辆碰撞测试中的应用研究
关键词：	机车车辆;碰撞试验;气囊弹射;被动安全性
摘要：	随着机车车辆运行速度的不断提高，研究高速情况下机车车辆碰撞的动态特征，对可能发生的碰撞事故进行预估，最大限度地减少乘员在机车车辆碰撞事故中的伤亡具有重要的意义。因此迫切需要从理论方法、仿真分析和试验验证等多方面对机车车辆的碰撞被动安全性进行评估。论文基于提高机车车辆被动安全性为目的，开发了一种机车车辆碰撞测试系统，重点研究测试系统中机车车辆的弹射装置。研究主要涉及气囊展开弹射理论、气囊展开弹射动力学、气囊构型及混合弹射、多维气囊弹射数值仿真研究、气囊弹射系统在机车车辆碰撞测试中的应用、气囊弹射实验等。　　1.在分析现有机车车辆碰撞实验方法及实验系统的基础上，论文提出通过气囊定向展开弹射的方法来解决机车车辆碰撞实验的能量问题，利用气囊动边界展开特性改变传统气缸压缩气体能量释放的边界条件，将刚性气缸对高压气体的约束拓展到动态可变边界约束。研究了柔性边界约束的均压控制模型、流固耦合模型和接触碰撞模型，在气囊弹射驱动原理基础上给出了弹射过程的恒质量、恒气压、恒流量三种模型及其控制方程，为气囊展开弹射在机车车辆碰撞实验系统中的应用奠定理论基础。　　2.研究了气囊结构特征与驱动能力的关系、多维气囊驱动的组织形式和气囊串联、并联结构对气囊弹射性能及引导方式的影响，得到了当弹射物体质量一定时，要达到预定的弹射速度可通过配置不同的气囊个数或不同的气囊串、并联组合。提出了基于气囊推动的混合弹射加速方法与系统，给出了一级气囊弹射和二级气囊、外气缸混合弹射的能量方程。结果表明:二级混合弹射所获得的能量较一级气囊弹射所获得的能量提升1.5倍以上，系统的弹射特征与容积膨胀因数关联性大，且容积膨胀因数越大，二级混合弹射的驱动能力越大。　　3.研究了气囊弹射加速的阶段特征和气囊次序展开弹射模型的数值解法，建立了单气囊受压充气弹射计算模型、气囊三维弹射仿真模型，并在此基础之上结合GF150/298-3气囊分析其弹射特性。通过算例分析得到气囊展开弹射过程中的速度、加速度、能量、位移、作用力与反作用力等特征量。结果表明:以气囊定向展开形成的可变边界能适应气体约束壁的自增长作用，实现高压气体在约束且不爆破情况下大距离弹射做功，解决了一般气缸压缩空气能量释放的刚性壁约束产生音爆的问题。在气囊充气展开过程中，气囊端部对物体的推动会产生波动，这种波动在气囊弹射的不同阶段具有差异性，可通过增加气囊与弹射物的接触面积或改变环形折叠气囊几何特征进行改善，从而提高系统的稳定性。被弹射物体能量获得的大小与诸多因素有关，其中作用距离、气囊充气压力、气囊推动面积是关键。采用环形折叠气囊作为弹射元件，折叠数越多其弹射能力及推动持续时间会更长，所产生的弹射能量上升明显。　　4.针对高速、重型机车车辆弹射技术要求，研究了机车车辆弹射碰撞实验系统的基本原理及组成，建立了其小型实验系统。结果表明:能量是机车车辆气囊弹射碰撞实验系统的重要指标，因而弹射碰撞小型实验系统完全能够代表大型系统的原理及其方法。按照GB/T7742.1-2005纺织品织物胀破性能的测试方法，利用MTS实验系统对气囊材料进行了受压实验，得出气囊织物所受失效压力为3MPa，工作压力可达到2MPa，能用于气囊弹射实验。对弹射车体限位与安全释放装置进行了分析，提出新型堵阀快开系统解决实车弹射的限位和气囊弹射的可靠控制问题。通过对气囊弹射系统的稳定性分析，得出:环形折叠气囊所形成的一维弹射系统，随着气囊级数的增加其端部摆动也随之增大，可通过控制气囊长径比来减少端部摆动量，并提出悬挂导向、支撑导向来增强气囊推动弹射方向的稳定性。分析和提出确保多维气囊弹射同步性主要方法和途径。　　5.研究了气囊碰撞实验台测试系统，将压力传感器、速度传感器、加速度传感器、电磁控制器、高速摄影仪、触发控制器集成为多路信号测控体系，实现信号采集与控制。通过多元回归分析和实验研究得出试验车辆速度与气压、气囊长度、车辆质量、作用面积的近似函数关系。基于GF150/298-3气囊和GF580/384-3气囊对其弹射能力进行了预测分析。根据EN15227标准要求碰撞测试要求，采用4个φ1000×2000规格气囊并联形成推动阵列在2MPa初始压力下可将60～70T的机车车辆加速至36km/h，满足单节全尺寸车体实现碰撞性能测试。　　综上所述，本文提出的气囊推动弹射加速方法适用于机车车辆被动安全性能测试实验系统，能有效促进我国机车车辆被动安全检测设备的国产化和碰撞试验技术的提升。论文研究方法、成果有利于对机车车辆被动安全性的深入研究，推进我国轨道交通的发展和提高机车车辆的被动安全性具有重要的理论和实际工程意义。
作者：	柳忠彬
专业：	车辆工程
导师：	罗世辉;肖守讷
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文