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【往年优秀论文赏析】机载设备随机振动疲劳寿命分析
本文TAG:ANSYS      2016/7/19
作者:曹立帅  出处:ANSYS  阅读:1145  推荐:0
摘 要:针对轨道卧铺客车包厢结构复杂,乘员二次碰撞具有多样化,且国内少有相关研究文献的现状,率先以某200km/h 卧铺客车为基体,定义6 个典型碰撞工况验证其耐撞性的同时研究乘员二次碰撞安全性。利用“一次碰撞响应可被重复使用”、“乘员二次碰撞可与车辆一次碰撞剥离”等重要结论,通过详细建立卧铺车厢结构,将客车一次碰撞“加速度—时间”响应曲线作为输入,借鉴汽车乘员安全标准FMVSS 208,对不同位置、不同姿态、不同性别乘员的二次碰撞安全性进行研究,结果表明坐姿乘员相比于躺姿乘员处于更为危险的位置,背对客车运行方向的躺姿乘员受到的伤害相对较小,下铺躺姿乘员头部可能与餐桌发生多次碰撞而产生更大的损害,中铺、上铺乘员与护栏碰撞导致身体翻转,有从床铺上坠落的危险。论文打破了国内卧铺乘员二次碰撞安全性研究的空白,为体现以人为本思想的卧铺车厢结构设计及改进提供了理论依据。
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摘 要:针对轨道卧铺客车包厢结构复杂,乘员二次碰撞具有多样化,且国内少有相关研究文献的现状,率先以某200km/h 卧铺客车为基体,定义6 个典型碰撞工况验证其耐撞性的同时研究乘员二次碰撞安全性。利用“一次碰撞响应可被重复使用”、“乘员二次碰撞可与车辆一次碰撞剥离”等重要结论,通过详细建立卧铺车厢结构,将客车一次碰撞“加速度—时间”响应曲线作为输入,借鉴汽车乘员安全标准FMVSS 208,对不同位置、不同姿态、不同性别乘员的二次碰撞安全性进行研究,结果表明坐姿乘员相比于躺姿乘员处于更为危险的位置,背对客车运行方向的躺姿乘员受到的伤害相对较小,下铺躺姿乘员头部可能与餐桌发生多次碰撞而产生更大的损害,中铺、上铺乘员与护栏碰撞导致身体翻转,有从床铺上坠落的危险。论文打破了国内卧铺乘员二次碰撞安全性研究的空白,为体现以人为本思想的卧铺车厢结构设计及改进提供了理论依据。


铁路运输具有速度高、造价低、运能大以及环保等优点,在我国交通运输中扮演了重要角色。主要干线铁路经过6 次大提速后,已经达到既有线上世纪最后运营速度250km/h;近年来,不断建成的高铁客运专线,更大拉开了我国高速列车发展的序幕,最高运行速度已达380km/h。然而,随着运行速度的提高,列车所携带的动能也达到了前所未有的高度,而铁路运输系统的复杂性又决定列车碰撞事故是不可完全避免的。轨道车辆载客量大,一旦碰撞事故发生势必会造成严重的人员伤亡和财产损失,而且随着运行速度的提高,碰撞后果将更是不堪设想。因此,轨道车辆设计时,在提高舒适性及可靠性的同时,需要考虑被动安全防护性能。一方面,车体在设计时需要体现耐撞性思想以保证乘客生存空间的完整性;另一方面,通过合理的车内设计,在新车设计阶段就对乘员安全性做出评估则显得更加尤为重要,因为,对于耐碰撞车辆而言,客室结构产生大变形而导致乘员伤亡的可能性较小,而乘员与客室内部设施的二次碰撞则是导致乘员大量伤亡的主要原因。


国外机车车辆工业发达的国家,自上世纪80 年代开始,利用试验及数值仿真的方法相继对轨道车辆内部乘员与客室结构的二次碰撞进行了大量研究,且有相关标准的颁布,例如英国的车辆内饰结构耐撞性标准《ATOCAV/ST9001》以及美国的旅客列车设备安全规范《49 Codeof Federal Regulations(CFR)》

[5] 。国内对轨道车辆被动安全的研究则大多集中在对结构耐撞性验证及优化等方面。近年来,随着仿真技术的成熟,也有乘员二次碰撞研究相关文献的出现,但大多以硬座车厢坐姿乘员为基体,从头部、胸部伤害两个方面对乘员二次碰撞进行研究,乘员姿态较为单一,伤害评价指标也不够全面。其实,相对于硬座车厢,卧铺车厢内部设施结构更为复杂,乘员也可具有不同姿态、不同位置,而且国内对卧铺车厢乘员二次碰撞及减少伤害相关措施的研究基本上为空白,因此,从这方面来说,对卧铺车厢乘员的二次碰撞安全性研究更具有现实意义。


本文正是基于国内外乘员二次碰撞研究的现状,借鉴汽车领域内使用广泛的安全评价标准,在卧铺客车典型碰撞工况的基础上,通过建立卧铺车厢结构详细的局部有限元模型,采用ANSYS/LS-DYNA 软件对卧铺车厢乘员进行多工况、多指标的碰撞安全性评价,重点讨论比较了不同姿态、不同位置、不同性别乘员的受伤情况。


1 轨道车辆乘员二次碰撞安全性研究方法


轨道车辆乘员二次碰撞技术基本思想是在有限元模型中引入仿生学的假人模型,计算在被评估工况下假人的伤害指标,通过与人体能够承受的对应极限指标相比较来评估乘员的伤害程度。目前,通过数值仿真研究乘员二次碰撞安全性主要有以下两种方法:


(1)建立车体结构、客室内部设施结构的详细有限元模型,将符合仿生学设计的假人模型引入到有限元模型中,在典型工况下一起进行碰撞计算。这种方法将一次碰撞和二次碰撞同时进行研究,直观性好,易于数据管理。但是,这种方法也存在着致命的缺点:假人模型结构非常复杂,对假人姿态的调整及标定也非常繁琐;轨道车辆乘员数量众多,如果直接将假人模型加到车体结构模型中,势必会导致单元数量剧增、计算模型庞大,计算时间冗长,且不能重复利用,不适用车体结构需要改动时的反复计算。

(2)建立假人与车厢内部设施的局部有限元模型,通过施加典型工况下一次碰撞响应,来研究乘员二次碰撞。这种方法使得二次碰撞与一次碰撞相剥离,在已知一次碰撞响应已知的情况下可被重复利用,且单元数目相对较少,仿真时间较短,是一种省时省力的研究方法。鉴于这两种方法的优缺点,本文采用第二种方法来模拟乘员二次碰撞。建立卧铺车厢的详细有限元模型,引入不同姿态、不同位置、不同性别的假人模型,施加车辆在典型碰撞工况下的“减速度—时间”曲线,研究乘员二次碰撞响应。

2 轨道车辆乘员二次碰撞损伤判据

碰撞事故中乘员损伤程度评价标准在汽车领域较为成熟,最具有代表性的有美国联邦机动车安全法规FMVSS(Federal Motor Vehicle Safety Standard)和欧洲经济委员会制定的汽车正碰乘员保护标准ECE。轨道车辆领域内虽然也有相关标准,如英国标准《ATOC AV/ST9001》及美国公共交通委员会颁布的通勤列车座椅标准《Standard forRow-to-Row Seating in Commuter Rail Cars》,但这些标准对乘员安全性判据的规定也是通过借鉴汽车领域的研究成果得出的。因此,本文主要参照汽车领域权威的安全标准FMVSS 208[17]对卧铺客车乘员的二次碰撞安全性进行研究,其对Hybrid III 5 百分位、50百分位的假人模型模拟的乘员类型安全性提供以下判据。

(1)头部损伤判据

头部损伤判据为36 HIC / 15 HIC , 36 HIC 主要是针对50 百分位的成年男性假人模型, 15 HIC 主要是针对5 百分位的成年女性假人模型。在碰撞过程中从任意一个时间点t1到时间点t2 (t1 < t2 ) 相隔不超过30/15 毫秒的时间历程内,乘员的头部损伤判据36 HIC / 15 HIC 应通过假人头部重心位置的合成加速度r a 计算得到,该合成加速度表达为重力加速度g 的倍数,碰撞过程中36 HIC 的值不得超过1000, 15 HIC 的值不得超过700,其计算表达式为:

(2)胸部损伤判据

胸部合成加速度持续时间大于3 毫秒的部分不应超过60g,这对5 百分位的成年女性假人模型及50 百分位的成年男性假人模型是一样的;胸骨相对脊柱的压缩变形对于50 百分位的成年男性假人模型不应超过76mm,而对于5百分位的成年女性假人模型则不应该超过52mm。该加速度指标在本文中记作“3ms acc ”,压缩变形记作“deflection”。


(3)下肢损伤判据

该标准规定碰撞过程中,经过大腿骨传递的轴向力对于50 百分位的成年男性假人模型不得超过10008N,而对于5 百分位的成年女性假人模型则不得超过6805N。本文中该指标记作“leg force”。


(4)颈部损伤判据

碰撞过程中,颈部上端承力位置即枕髁处的变形按照其剪切力x F ,轴向力z F 和弯矩oyc M 的作用可分为四种可能出现的组合情形:拉伸并向后延长弯曲、拉伸和向前弯曲、压缩和向后延长弯曲以及压缩和向前弯曲等。事故任意确定时刻只可能出现上述某一种情况,每一时刻颈部损伤判据ij N 可通过下式计算得到:



3 卧铺车厢乘员二次碰撞有限元模型的建立


为了准确模拟乘员的二次碰撞,需要详细建立卧铺车厢的有限元模型,查阅相关资料,得到我国现行轨道卧铺客车车厢出尺寸数据,见表1。

卧铺车厢结构有限元模型如图1 所示,其中床铺、枕头用体单元进行模拟,其余结构全部用壳单元进行模拟。通过选用ANSYS/LS-DYNA中57#材料并配有合适的应力应变曲线(见图2),可以准确得模拟床铺、枕头的刚度特

性。在汽车碰撞仿真中,模拟乘员的假人模型一般为坐姿和站姿,但在研究卧铺车厢乘员二次碰撞时,乘员可能处于坐姿,也可能处于躺姿。为此,本文通过将坐姿假人模型旋转,且调节上肢、下肢关节使之变为侧躺假人模型;

通过将站姿假人模型旋转,且调节颈部、下肢关节使之变为平躺假人模型。假人模型定义示意图如图3 所示,图中1 号假人用于模拟在下铺上处于坐姿的乘员女性乘员;2号假人为50 百分位的男性假人模型,主要用于模拟在下铺上坐姿乘员与餐桌的二次碰撞;3 号假人用于模拟在下铺上侧躺的男性乘员;4 号假人用于模拟在中铺上侧躺的女性乘员;5 号假人用于模拟在上铺平躺的男性乘员。

4 典型工况乘员二次碰撞安全性评估


4.1 计算模型及工况说明

在ANSYS/LS-DYNA 中,对某200km/h 卧铺客车进行有限元建模,车体大部分结构采用壳单元进行模拟,减震器、抗侧滚扭杆座采用体单元进行模拟,点焊及螺栓通过梁单元进行模拟,车钩缓冲器、空气弹簧采用离散梁单元来模拟,设备质量用质量单元来模拟且通过RBE2、RBE3 连接到其质心位置上,剩余其他质量则均布在底架地板上。

4.2 结果分析

计算结果表明,6 个碰撞工况下,200km/h 卧铺客车仅车端弱刚度区域产生塑性变形,客室保持刚体运动,结构完整,客车车体纵向刚度分布较为合理,乘员生存空间可以得到保证;在碰撞工况5、6 下,各车辆没有发生脱轨、横向折曲、爬车等现象。计算得到各工况下200km/h 卧铺客车客室纵向冲击加速度—时间历程曲线如图7~12 所示。

由图可知,工况1、2,工况3、4,工况5、6 虽然边界条件完全一样,但由于客车车体一、二位端不完全对称,碰撞历程时间及加速度—时间变化曲线有所差别。得到的“加速度—时间”历程曲线可以直接用于乘员二次碰撞安全性研究的输入曲线。


4.3 乘员安全性评估

工况1 下乘员在卧铺车厢中的二次碰撞及运动情况如图13 所示。该工况下,1 号假人飞离其原始位置且膝盖与对面下铺床棱相撞,然后整个身体绕膝盖旋转,头部可能最后与床铺或隔墙发生碰撞;2 号假人向后倾,头部、背部与隔墙发生撞击后又弹开,双脚与对面下铺发生碰撞;3 号假人背对列车行驶方向,背部紧贴着隔墙;4 号假人同样飞离其床铺,左腿与护栏相撞,身体翻转可能从床铺上坠下;5 号假人首先与隔墙相撞,然后身体翻转面向隔墙。工况1 下各位置假人伤害指标如表2 所示,由表可知,该工况下1 号、2 号假人各有3个指标严重超标,1 号假人因膝盖与床铺棱角相撞,左、右腿轴向力严重超标,胸部合成加速度也大于规定的60g,2 号假人头部与隔墙相撞,头部损伤标准远远大于规定的1000,左、右腿轴向力也有所超标;相比于1、2号假人,3、4、5 号假人各损伤指标相对较小,均在标准规定的范围内,但因4 号假人可能从床铺上坠下,最后其受到的损伤可能会更大。

工况2 下乘员二次碰撞及在车厢内的运动情况如图14 所示,工况2 与工况1 客车行驶方向正好相反。该工况下,1 号假人向后倾,头部、背部与隔墙相撞,双腿向上抬升;2 号假人飞离其位置,胸部与餐桌相撞挤压,小腿与对面下铺棱边相撞后弹开,上身绕胸部旋转;3号假人同样飞离其位置,首先头部与餐桌相撞,然后身体失去平衡,横跨在两下铺之间;4 号假人背对客车行驶方向,背部紧贴着隔墙;5 号假人首先与护栏相撞,然后身体翻转,有从上铺坠下的危险。

由表2 可知,工况2 下各假人伤害指标都有超标,相对来说,4 号假人相对较好,只有胸部合成加速度稍微超标;2 号假人损伤最为严重,有4 个指标严重超标,胸部、双腿受到严重伤害。此外,1 号假人头部伤害指标严重超标,5 号假人左腿指标有所超标,其他伤害指标相对较好,但因其可能从上铺坠下,最终受到的伤害可能会更大。


图15、图16 分别给出了工况3、工况4 下乘员二次碰撞及在车厢内的运动情况,工况3、4 客车行驶方向正好相反。由图不难看出,工况3、4 下乘员在车厢内运动轨迹基本上和工况1、2 一致,只有由于仿真时间不同,各位置假人最后姿态不一样。表3 分别给出了这两个工况下各位置假人的伤害指标,工况3 下1、2 号假人受到伤害较为严重,与工况1 极为类似,但相比于工况1,1号假人头部损伤严重超标,2 号假人胸部合成加速度严重超标,而双腿轴向力由于仿真时间变短而下降到标准规定的范围内;此外,工况3 中5 号假人双腿轴向力有所超标。工况4 各假人伤害指标与工况2 类似,但总体来说假人伤害指标相比于工况2 来说有所下降,而且5号假人各伤害指标均在标准规定范围之内。综合工况1、2、3、4 可知,在卧铺车厢内,坐姿乘员相比于躺姿乘员受到的伤害更为严重,背对车辆行驶方向侧躺乘员相对处于较为安全的位置。



工况5 乘员580ms、1000ms 在车厢内运动及二次碰撞情况如图17~18 所示,工况6 乘员330ms、1000ms在车厢内运动及二次碰撞情况如图19~20,两工况下各位置乘员伤害指标见表4。工况5 类似与工况1、3,工况6 则类似与工况2、4,但相比于后者,工况5、6 仿真时间较长,乘员发生二次碰撞次数及最后的姿态、位置不尽相同。例如工况5 下2 号假人在该工况下首先向后倾与隔墙相撞,然后弹开向前又与餐桌发生碰撞;工况6 下1 号假人首先向后倾与隔墙相撞,然后弹开导致假人向前运动,膝盖又与对面下铺棱边相撞,身体翻转,最终头部、胸部可能与床铺碰撞。综合来看工况5、工况6 各位置假人伤害指标,同样发现相比于坐姿乘员,躺姿乘员相对处于较为安全位置,工况5 躺姿假人伤害指标均在标准规定范围之内,1 号假人胸部、双腿受到严重伤害,2 号假人头部伤害指标严重超标;工况6 中4、5 号假人伤害指标满足标准,1 号假人胸部、双腿受到严重伤害,2 号假人双腿轴向力及3 号假人头部伤害指标都严重超标。


5 结论

论文参照标准EN15227 及其他相关文献,定义了6个典型碰撞工况对某200km/h 卧铺客车进行耐撞性验证,在此基础上对卧铺车厢乘员在6 个工况下的安全性进行了评估。利用“一次碰撞响应可被重复使用”、“乘员二次碰撞可与车辆一次碰撞剥离”等重要结论,通过详细建立卧铺车厢结构,将客车一次碰撞“加速度—时间”响应曲线作为输入,借鉴汽车乘员安全标准FMVSS 208[17],单独对乘员二次碰撞进行研究,重点讨论比较了不同位置、不同姿态及不同性别乘员的损伤情况,得到如下主要结论:(1)在6 个典型碰撞工况下,200km/h 卧铺客车车体纵向刚度分布合理,车端弱刚度区产生塑性变形,客室保持刚体运动,客室加速度—时间历程曲线可直接作为研究乘员二次碰撞输入曲线。(2)6 个碰撞工况下,坐姿乘相比于躺姿乘员处于更为危险的位置;背对客车运行方向的躺姿乘员受到的伤害相对较小;下铺躺姿乘员头部可能与餐桌发生多次碰撞而产生更大的伤害;中铺、上铺乘员则与护栏碰撞导致身体翻转,有从床铺上坠落的危险。(3)针对卧铺车厢结构复杂,乘员二次碰撞具有多样化,且少有相关文献研究卧铺车厢乘员二次碰撞的现状,本文率先在这方面进行了有益的尝试,为体现以人为本思想的卧铺车厢结构设计及改进提供了理论依据。

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