一种列车耐撞性车体设计方法与流程

本申请涉及轨道列车设备领域，尤其涉及一种列车耐撞性车体设计方法。

背景技术：

轨道列车设计阶段需要考虑众多因素，其中车体安全优化设计中车体的耐撞性是需要考虑的重要因素之一。

现有的设计方法通常将整个列车视为一个整体进行刚度分析，刚度分析的前提是假设列车车体在碰撞事故中各部分均匀变形，或者将列车分割为多个梁单元与质量单元，从而缩短计算时间，或者建立刚性模型模拟分析的方法。

但是现有设计方法的通常思路都是在满足静载强度下对列车整体强度进行设计，而如何保证轨道列车车体各部位变形合理的同时，进一步使得轨道列车车体各部位具有充分的吸能效果，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

技术实现要素：

基于此，本申请提供了一种列车耐撞性车体设计方法，以便提供具有更加合理构造的轨道列车，使其能够具有较强的安全性能。

为解决上述技术问题，本申请提供如下技术方案：

一种列车耐撞性车体设计方法，包括如下步骤：

建立列车车体模型；

对列车车体模型沿竖直方向分段；

分析列车车体各分段部分的刚度k和阻尼c；

建立列车单车模型；

建立两列列车对撞模型；

进行一列列车模型撞击另一列列车模型的碰撞计算，获得各分段部分的加速度和变形量；

将获得的各分段部分的加速度和变形量与预设的阈值进行比较，如果一致则输出该列车模型，否则调整列车车体模型，直至符合预设阈值。

如上所述的列车耐撞性车体设计方法，其中，优选的是，对列车车体模型沿竖直方向分段，包括如下子步骤：

根据预设规则对列车车体模型进行分段标注；

为每段赋予唯一编码；

调整因分段带来的部件冲突；

输出分段后的列车车体模型。

如上所述的列车耐撞性车体设计方法，其中，优选的是，分析列车车体各分段部分的刚度k和阻尼c包括如下子步骤：

对列车车体模型各分段部分分别加载变化的外力f；

随外力f的变化获得列车车体模型各分段部分变化的位移d；

根据外力f和位移d计算各分段部分的刚度k和阻尼c；

其中使用如下公式计算刚度k：

k＝f/d(公式一)

其中k为分段刚度，f是施加于该分段部分的力，d为施加力f之后该分段部分产生的位移；

使用如下公式二计算阻尼c：

c＝(βf)/d(公式二)

其中β为阻尼系数，由于各个分段部分所使用材料的材质不同而不同，f是施加于该分段部分的f，d是该分段部分在施加于其上的力f的作用下所产生的位移。

如上所述的列车耐撞性车体设计方法，其中，优选的是，进行一列列车模型撞击另一列列车模型的碰撞计算，获得各分段部分的变形量包括如下子步骤：

建立质点坐标系；

确定列车模型各个质点或者其中部分选定质点碰撞前位置的坐标；

确定列车模型各个质点或者其中部分选定质点在碰撞过程中位置的坐标；

确定列车模型各个质点或者其中部分选定质点在碰撞后位置的坐标；

确定列车模型同一质点碰撞前和碰撞过程中和/或碰撞后位置坐标关系。

如上所述的列车耐撞性车体设计方法，其中，优选的是，进行一列列车模型撞击另一列列车模型的碰撞计算，获得各分段部分的加速度包括如下子步骤

在列车车体模型各分段部分设置加速度传感器模型；

获取加速度传感器模型检测的加速度；

建立加速度与时间的坐标关系。

如上所述的列车耐撞性车体设计方法，其中，优选的是，根据功能和/或结构对列车车体模型沿竖直方向分段。

如上所述的列车耐撞性车体设计方法，其中，优选的是，对列车车体模型的调整包括对各分段部分所使用材料的调整。

如上所述的列车耐撞性车体设计方法，其中，优选的是，对列车车体模型的调整包括对各分段部分所处位置的调整。

如上所述的列车耐撞性车体设计方法，其中，优选的是，其中两列列车对撞，碰撞形式可以是两列列车模型相向碰撞，也可以是追尾碰撞。

如上所述的列车耐撞性车体设计方法，其中，优选的是，建立列车车体模型包括如下子步骤：

根据列车车体几何形状，建立列车车体模型；

对列车车体模型进行网格划分；

为划分后的网格赋予属性值；

连接模型中的各部件；

对模型设置边界条件；

对模型进行常规调整；

输出列车车体模型。

相对于背景技术，本申请提供的列车耐撞性车体设计方法由于列车车体空间按功能和/或结构区分有不同的区域，而日常运营和碰撞事故中，各区域的刚度要求也并不一致，因此本发明实施例对列车车体模型进行了分段，对于列车车体模型分段部分的刚度进行了设计，满足了弹性变形范围内的常规工况要求下，实现碰撞过程中能量在列车车体上分级、分段吸收散失，提高了列车的安全性，也就在保证乘客安全(保证列车车体各分段部位变形合理)的同时，还能利用列车车体空间功能和/或结构不同保证了列车车体各分段部位可以具有充分的吸能效果，也就是说本申请所提供的列车耐撞性车体设计方法可以提供具有更加合理构造的轨道列车，并且还使其能够具有较强的安全性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请的一种列车耐撞性车体设计方法流程图；

图2是本申请建立列车车体模型的方法流程图；

图3是本申请建立的列车车体模型示意图；

图4是本申请建立列车车体模型分段的方法流程图；

图5是本申请建立的分段后的列车车体模型示意图一；

图6是本申请建立的分段后的列车车体模型示意图二；

图7是本申请分析列车车体各分段部分的刚度k和阻尼c的方法流程图；

图8是本申请建立列车单车模型的方法流程图；

图9是本申请建立的列车单车模型示意图；

图10是本申请建立两列列车对撞模型的方法流程图；

图11是本申请建立的两列列车对撞模型示意图；

图12是本申请变形量计算方法流程图；

图13是本申请加速度计算方法流程图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。

列车耐撞性设计的一般要求包括以下几个方面：一、降低防爬的风险；二、以受控的方式吸收撞击能量；三、保证生存空间和乘客区域的结构完整性；四、限制减速度(也就是速度降低时的加速度)；五、减少脱轨的风险并限制撞上轨道障碍物的后果。一般要求实际上是涉及到列车单元碰撞事故的几种典型失效模式：列车防爬失效、列车车体结构失效、列车翻转失效、列车“v”型脱轨失效以及超过人体加速度限制。

本申请的目的是设计列车车体，以保证轨道列车车体各部位变形合理的同时，还保证了轨道列车车体各部位具有充分的吸能效果。

如图1所示，本申请提供了一种列车耐撞性车体设计方法，包括如下步骤：

步骤s1、建立列车车体模型。

具体可包括如下子步骤，参见图2：

步骤s11、根据列车车体几何形状，建立列车车体模型；

由于列车碰撞实验是一种破坏性的实验，因此在前期设计阶段采用建立列车车体模型的方式，对于研究设计新型列车车体时，可以根据研究设计的方案建立列车车体模型，对于现有列车车体进行优化实验时，可以根据现有车体的几何形状建立实验的列车车体模型，当然还可以是其他的形式，只要能满足本发明所要达到的技术效果即可。其中可使用本领域公知的软件建立列车几何模型，例如cad软件、有限元软件等。

步骤s12、对列车车体模型进行网格划分；

对部件，例如车身和底座进行网格划分,也就是对列车车体模型进行离散化处理，离散化是在不改变数据相对大小的条件下，对数据进行相应的缩小，具体可以选用壳单元、实体单元、弹簧-阻尼梁单元对列车车体模型不同结构部件进行离散化处理，在上述基础上建立列车车体模型不同材料的弹-塑性材料模型。

步骤s13、为划分后的网格赋予属性值；

属性值可根据本领域技术人员的经验值预先给出，也可以由系统直接指定，属性值可包括例如材料的类型，厚度，材料特性等。

步骤s14、连接模型中的各部件；

对于模型中的各个部件使用连接部件进行连接，例如使用焊点、万向节等作为连接部件。

步骤s15、对模型设置边界条件；

可对获得的模型设置边界条件，比如壁厚，列车的初速度等值。

步骤s16、对模型进行常规调整；

包括增加列车内外饰，并在网格上增加内外饰的重量，对发生设计冲突的部件进行调整等。

步骤s17、输出列车车体模型。获得的列车车体模型如图3所示。

进一步参看图1，还包括：

步骤s2、对列车车体模型沿竖直方向分段；如图4所示，包括如下子步骤：

步骤s21、根据预设规则对列车车体模型进行分段标注；

根据不同的车型、设计的结构和/或各个部分的功能将列车车体模型沿竖直方向分段，分段规则可预先设定，或由用户手工输入，例如根据生存空间和乘客区域与设备空间等非人员生存空间之间进行人为分段分析。进一步地，可根据功能和/或结构对列车车体模型沿竖直方向分段为：如图5和图6所示，其中图5示出了列车车体模型具体的分段情况及各分段部分的刚度和阻尼，图6示出了列车车体模型具体的分段情况及各分段部分的位移，车头吸能区501、司机驾驶区502、观光浏览区503、前车门区504、设备区505、商务坐区a506、商务坐区b507、一等坐区a508、一等坐区b509、一等坐区c510、厕所511、后车门区512，当然也可以分成其他的形式，或者在本申请发明实施例的基础上分段更加细化，只要能够满足本申请发明实施例所要达到的技术效果即可。

步骤s22、为每段赋予唯一编码；

为划分出的每一段赋予唯一的编码，该编码在列车车体模型中是唯一的，可使用该编码在后续的步骤中查找、调整分段部件。通过为这些分段部件指定系统唯一的编码，从而简化了对部件的查找和处理步骤。

步骤s23、调整因分段带来的部件冲突；

在分段时，经常由于划分角度的问题而带来分段部件之间的冲突，例如本来是用连接部件连接的两个分段部件各自拥有该连接部件的一部分，对于此种冲突需要进行调整，例如通过重构部件等形式使得部件冲突获得解决。

步骤s24、输出分段后的列车车体模型，如图5和图6所示，其中示例性的使用501-512对各个分段部件进行了标识。

步骤s3、分析列车车体各分段部分的刚度k和阻尼c，其子步骤如图7所示，包括：

步骤s31、对列车车体模型各分段部分分别加载变化的外力f；

外力f例如可以由0kn至1500kn逐渐增加,当然也可以是其他大小的力，只要能满足本申请实施例的要求即可；

步骤s32、随外力f的变化获得列车车体模型各分段部分变化的位移d；

步骤s33、根据外力f和位移d计算各分段部分的刚度k和阻尼c。

其中使用如下公式计算刚度k：

k＝f/d(公式一)

其中k为分段刚度，f是施加于该分段部分的力，d为施加力f之后该分段部分产生的位移。

本申请中的刚度是指列车分段在受力时抵抗弹性变形的能力，是列车分段的材料或结构本身的属性。

使用如下公式二计算阻尼c：

c＝(βf)/d(公式二)

其中β为阻尼系数，由于各个分段部分所使用材料的材质不同而不同，f是施加于该分段部分的f，d是该分段部分在施加于其上的力f的作用下所产生的位移。

继续回到图1，步骤s4、建立列车单车模型，其具体子步骤如图8所示，包括：

步骤s41、建立列车附件的模型；

包括例如车钩、转向轮、车轮和轨道等附件的模型，还可以建立防爬器等装置的模型，为了达到更加真实的效果，需要将对列车设计的所有部件、装置均添加至列车单车模型中。

步骤s42、对列车附件模型进行网格划分；

对新添加的列车附件模型进行网格划分。

步骤s43、为划分后的网格赋予属性值；

属性值可根据本领域技术人员的经验值预先给出，也可以由系统直接指定，属性值可包括例如材料的类型，厚度，材料特性等。

步骤s44、将列车附件模型连接到列车车体模型上；

对于模型中的各个部件使用连接部件进行连接，例如可添加焊点、万向节等作为连接部件。

步骤s45、对列车车体模型和附件模型进行常规调整；

对发生设计冲突的部件进行调整。

步骤s46、输出列车单车模型。获得的列车单车模型如图9所示，其中车钩701、轨道702、车轮703、转向轮704。

步骤s5、建立两列列车对撞模型，其具体子步骤如图10所示，包括：

步骤s51、建立两列列车模型；

建立两列列车对撞模型可以是每列列车模型包括四辆列车单车模型，当然也可以是其他形式，例如每列列车模型包括六辆列车单车模型，还可以是其他形式，只要能满足本发明实施例所要达到的技术效果即可。列车车体模型和列车单车模型的构建过程如上述步骤s11-s17以及s41-s46所示。

步骤s52、设置一列列车模型的匀速速度，使得该列列车以设置的匀速速度撞击另一列列车模型。

具体例如一列列车模型以匀速速度7.5m/s或10m/s撞击另一列列车模型，对于碰撞形式可以是两列列车模型相向碰撞，也可以是追尾碰撞，满足可以发生的不同碰撞。

步骤s53、输出两列列车对撞模型。获得的两列列车对撞模型如图11所示。

继续参阅图1，步骤s6、进行一列列车模型撞击另一列列车模型的碰撞计算，获得各分段部分的加速度和变形量，如图12所示；

由于物体是由无数个质点构成的，因此物体变形后的形状及变形量可以用质点的相对位置来描述。对于变形量的计算具体可以包括如下子步骤：

步骤s611、建立质点坐标系；

步骤s612、确定列车模型各个质点或者其中部分选定质点碰撞前位置的坐标x0；

步骤s613、确定列车模型各个质点或者其中部分选定质点在碰撞过程中位置的坐标xt＝(x0，t)，即质点碰撞过程中位置的坐标xt是质点碰撞前位置的坐标x0关于时间的函数；

步骤s614、确定列车模型各个质点或者其中部分选定质点在碰撞后位置的坐标，质点碰撞后位置的坐标xt也是质点碰撞前位置的坐标x0关于时间的函数；

步骤s615、确定列车模型同一质点碰撞前和碰撞过程中和/或碰撞后位置坐标关系，具体是求解质点位置坐标及位置坐标的关系，即可得到同一质点任何时刻的位置坐标，也就能够得到质点任何时刻的变形量。

对于观测质点的选择，本申请中优选将观测质点选择为列车车体模型各分段部分边界地板的中心位置，如对于列车车体模型中的司机驾驶区502、商务坐区a506、商务坐区b507、一等坐区a508、一等坐区b509、一等坐区c510要求整个碰撞过程基本没有相对位移，以保障人员不受到挤压伤害；前车门区504、厕所511、后车门区512要求相对位移小于10％，以有限的变形吸收部分撞击能量，同时保障人员的逃生通道畅通；车头吸能区501、观光浏览区503、设备区505要求相对位移尽可能大，以吸收撞击能量保障其他区域的安全。

在计算变形量时，同时可以计算加速度，加速度的计算具体可以包括如下子步骤，如图13所示：

步骤s621、在列车车体模型各分段部分设置加速度传感器模型；

加速度传感器模型具体可以设置于不同分段部分，优选将加速度传感器模型设置于司机驾驶区502司机的座椅下方，商务坐区a506、商务坐区b507、一等坐区a508、一等坐区b509、一等坐区c510乘客座椅的下方，在碰撞过程中就能较精确的检测到列车车体模型传递给司机和乘客的加速度，通过加速度的大小能有效判断列车车体模型是否为司机和乘客提供有效的保护。

步骤s622、获取加速度传感器模型检测的加速度；

步骤s623、建立加速度与时间的坐标关系。

步骤s7、将获得的加速度和变形量与预设的阈值进行比较，如果一致则输出该列车模型，否则调整列车车体模型，直至符合预设阈值。

对于阈值的设定可根据设计要求制定，要保证列车车体以受控的方式吸收撞击能量；保证生存空间和乘客区域的结构完整性；限制减速度等，也就是保证不发生列车车体结构失效和超过人体加速度限制的情况。具体可以是保证构成生存空间的结构应保持完好并能抵抗能量吸收元件压溃期间受到的最大外力，也就是乘客生存空间长度的减少为每5m不大于50mm或者生存空间结构的塑性应变不大于10％；生存空间内的平均纵向减速根据不同的工况有所差别，一般为5g至7.5g之间，也就是碰撞后列车车体模型各分段部分的加速度和变形量满足上述要求。

对车体模型的调整可包括对各部分所使用材料的调整，各部分所处位置的调整等，直至满足预设阈值条件。

由于列车车体空间按功能和/或结构区分有不同的区域，而日常运营和碰撞事故中，各区域的刚度要求也并不一致，因此本发明实施例对列车车体模型进行了分段，对于列车车体模型分段部分的刚度进行了设计，满足了弹性变形范围内的常规工况要求下，实现碰撞过程中能量在列车车体上分级、分段吸收散失，提高了列车的安全性，也就在保证乘客安全(保证列车车体各分段部位变形合理)的同时，还能利用列车车体空间功能和/或结构不同保证了列车车体各分段部位可以具有充分的吸能效果，也就是说本申请所提供的列车耐撞性车体设计方法可以提供具有更加合理构造的轨道列车，并且还使其能够具有较强的安全性能。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。