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原文传递城轨列车前端吸能器储能结构设计与数值模拟研究

论文题名：	城轨列车前端吸能器储能结构设计与数值模拟研究
关键词：	城轨列车;前端吸能器;储能结构;数值模拟
摘要：	伴随着城市的突飞猛进地发展，人口数量不断庞大，对于出行的需求愈发来得巨大，由此城市轨道交通的负荷考验也越来越巨大，需要更新地越来越快。城市轨道交通的承载量和行驶速度在不断提高的同时，研究人员对其安全问题的考虑也变得更加慎重，尤其是城轨列车发生碰撞时列车的安全保护技术。目前一般是在列车上安装特制的吸能器来耗散碰撞的能量，降低碰撞带来的结构破坏和冲击，从而保护生命财产安全。　　本文基于金属被挤压过程中的能量吸收原理，设计了一种新型的能量吸收结构－小球式挤压吸能器，可以提高城轨列车的碰撞吸能性能。该吸能器由固体吸能管，特殊材质硬球，防爬板，安装板组成。考虑到碰撞吸能过程中，材料发生的应变强化，高应变率，热软化效应，普通的刚塑性有限元模型无法完全表述，故采用了Johnson-Cook模型。在非线性动力学仿真理论和有限元软件ABAQUS的显式算法的基础上，建立了小球式挤压吸能器的有限元模型，并对碰撞吸能过程进行了仿真。研究分析了挤压厚度、小球个数、吸能管的摩擦系数等设计参数对能量吸收过程的影响，还有摩擦生热的情况下的温度耦合情况。发现该吸能器在碰撞过程中具有良好的能量吸收效果和稳定性。　　（1）本文研究提出了一种新型设计下的挤压式吸能结构，用小球式挤压改进以往刀具式的切削，在有限元软件ABAQUS基础上建立了小球式挤压吸能器的有限元模型。同时引用了Johnson-Cook模型，通过对模拟得出的数据的分析，比较了小球式挤压吸能器与刀具式切削吸能器、小球式挤压空心管吸能器的优缺点，进而奠定小球式挤压吸能器的优势。然后分析不同参数下吸能器结构的挤压力，吸收能量的不同，以及波动的平稳性。　　（2）小球式挤压吸能器的特点具有吸收碰撞能量较强、峰值挤压力易控制、吸能过程可控等优势。小球式挤压吸能装置的结构参数对吸能效率都有较大的影响，可以通过改善其结构参数，来实现碰撞吸能性能的可控性，从而提高吸能效率。本文研究了小球个数和挤压厚度，吸能管的摩擦系数三个参数。结果表明小球个数和挤压厚度并不是越大越好，而摩擦系数对吸能影响效果并不是很大。4个小球时最为平稳，4mm和6mm的最为平稳。　　（3）分析了小球式挤压吸能器的切屑流动情况，这与吸能过程有着直接的联系。切屑的增多表明完全失效的材料单元变少，会导致挤压力的下降，吸收的能量吸收减少，但是吸能波动程度会降低，使吸能过程更加平稳。　　（4）进行了耦合温度的模拟，发现摩擦的热量产生是相当大的一部分，但是热软化效应的存在降低了吸能器变形的应力和吸收的能量。对小球式挤压吸能器进行了实验验证，证实设计的可行性和与模拟的吻合性。
作者：	郭立明
专业：	材料加工工程
导师：	胡志清
授予学位：	硕士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2021