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原文传递列车分布式吸能系统的波传播特性和优化设计

论文题名：	列车分布式吸能系统的波传播特性和优化设计
关键词：	列车;分布式吸能系统;优化设计;波传播特性
摘要：	随着高速列车和城市轨道交通的飞速发展，列车的安全性问题愈发受到关注。主动安全技术是避免发生列车事故的重要手段。然而，频繁的列车事故表明，主动安全技术依赖于设备可靠性和驾驶员的反应时间，并不能完全保证列车的安全性。因此，被动安全技术是列车安全的最后保障，亟需发展。本文关注列车的分布式吸能系统，着眼于其吸能响应和优化设计展开研究工作。　　考虑到列车是一个长尺寸、车厢相互连接的结构系统，当碰撞发生时，冲击载荷是以应力波的形式从列车的前端向后端传播，弹性波传过一个车厢大约需要5毫秒，所涉及的长度随着时间的推移而增加。因此，为了合理评估分布式吸能系统的性能，本文考虑了沿车厢传播的弹性波的影响。由于列车在碰撞过程中轴向作用对吸能部件的压溃破坏行为和碰撞载荷传递起决定性作用，本文中忽略复杂的三维结构和次要的切向响应对冲击载荷的传递和能量吸收的各种影响，仅考虑轴向效应，将列车退化为一维的、由代表列车车厢的弹性杆和代表能量吸收装置的塑性夹层构成的组合模型。通过对列车的简化理论模型进行组合并施加不同的冲击条件，模拟了三种碰撞情形，并基于一维应力波理论对系统的吸能响应进行了理论分析并得到了相应的控制方程。可以看到，即使简化模型只包含弹性杆和刚性-理想塑性吸能层，由于弹性波和塑性波的耦合作用，碰撞过程中吸能响应的理论分析依然是非常复杂的。然而，充分利用弹性波传播和叠加的特性，将分析过程分成了不同的阶段。在每一个阶段中，弹性杆中弹性波的传播都可以看成是右行波和左行波的叠加。各个阶段中相应界面的响应可以用弹性波的叠加进行分析求解，而吸能层中压溃波的传播情况可利用塑性波波阵面上的质量守恒和动量守恒条件分析。同时，吸能层的压溃部分和未变形部分都可以看作刚体，可以对其使用牛顿运动定律、动量定理来进行分析。这样，将一个需要求解偏微分方程组的弹性波与塑性波耦合的复杂问题，简化为只需要通过求解常微分方程组得到各个界面上的质点速度和应力的响应。该方法可推广到其他碰撞情形，可以得到任意组合的简化模型在各种冲击条件下吸能响应的控制方程，并逐步求解。　　运用四阶龙格-库塔法对设置的碰撞情景中各个阶段的控制方程进行求解，得到了碰撞过程中每个阶段整个系统的响应结果。观察到界面速度具有典型的阶段性、平台样的特征响应，并论述了界面处的应力条件和弹性波效应是该特征响应现象出现的原因，初步讨论了吸能层压溃停止的条件。建立了与情景1相对应的对照模型，对照模型中用刚性体代替弹性杆，分析过程不考虑弹性波效应。对对照模型进行了理论分析和求解，对比原模型和对照模型中两个吸能层的吸能响应，发现无论是变化趋势还是最终的吸能量都是有明显差异的。如果不考虑弹性波效应，会高估整个分布式吸能系统的能量吸收能力，同时对各个吸能层中所吸收能量的分配做出错误判断。得到结论，对于分布式吸能系统的分析而言，弹性波效应的引入是必要的。继而使用ABAQUS/显式有限元软件，运用数值模拟对理论分析结果进行了验证。通过对比界面速度、应力，弹性杆中特征位置的速度、应力，以及两个吸能层的吸能结果，发现有限元结果与理论分析结果吻合的很好，验证了理论分析和计算的合理性。　　着眼于分布式吸能系统能量吸收能力和优化设计，对影响吸能系统作用效果的关键控制参数进行了分析。对比分析了两个车厢中部吸能器的吸能响应结果，结果显示，对于列车的分布式吸能系统，相邻吸能器的平台应力应满足一定的协调关系，即前置吸能器的压垮强度应高于其相邻的后置吸能器，否则后置吸能器无法在前置吸能器完全压实以前有效吸能。围绕不同的平台应力条件进行了对照和参数分析。结果表明，对于给定的碰撞情形，前后吸能层的平台应力是决定吸能系统响应的主要控制参数，各吸能层以弹性波为纽带相互影响，各吸能层平台应力的设置和排布能够决定各吸能层的吸能时长和压溃波波速，进而决定各吸能层的吸能总量。通过参数分析，可以得到吸能层平台应力对应于指定设计标准的最优化设置和排布，是有效的优化设计方法。对本文算例中所研究的情况，得到了使总吸能量最大的优化设计参数。对吸能响应过程进行了简化分析，得到了关于界面速度、压溃波波波速、和吸能量的阶段式简化表达式，大大降低了问题求解的计算量，提高了分析效率。　　虽然本文的分析仅针对特定的碰撞情形，但该分析方法可以直接应用于各种不同的碰撞情况。按照总吸能量、吸能作用时间、车厢减速度要求等设计标准，可以通过改变吸能器的设置，得到相应的优化设计。本文的分析方法可以对列车分布式吸能系统的优化设计提供理论指导。
作者：	丁兆洋
专业：	工程力学
导师：	虞吉林
授予学位：	博士
授予学位单位：	中国科学技术大学
学位年度：	2018
正文语种：	中文