基于改进BESO算法的带隔板薄壁方管耐撞性拓扑优化

为了提高带隔板薄壁方管的耐撞性能,实现吸能管轻量化的设计目标,采用改进的双向渐进结构优化法(BESO)对吸能管进行拓扑优化.针对传统BESO算法不能满足带隔板吸能管压溃过程中管壁与隔板的作用不同而导致的优化目标不同的问题,提出多设计域优化目标分离法;针对优化过程中的模型信息储存问题,提出克隆体法.代码采用Python编写,与ABAQUS无缝对接.研究结果表明:拓扑优化后的结构比之原始结构,质量下降了27.98％,比吸能提高了30.89％,验证了所提算法的有效性和可靠性.     

轻质镁合金鼓胀吸能结构吸能特性研究

为提高轨道车辆耐撞性,提出一种轻量化镁合金鼓胀吸能结构.该结构在保证吸能性能的基础上,能极大地降低自重.首先设计镁合金鼓胀管吸能结构几何模型,并加工与之对应的实物样机.随后通过准静态压缩试验手段,开展结构力学特性研究.在压缩过程中,管结构逐步发生径向扩张塑性变形,变形模式稳定可控.在此基础上研究锥头锥角、锥头外径、吸能管壁厚等几何参数对鼓胀管吸能性能影响,研究结果表明:随着锥头锥角、外径以及管壁厚度的增大,结构的最大峰值力、平均力、吸能量及比吸能均增加.分别对比镁合金、铝合金、碳钢吸能管的特性,得出比吸能分别为10,9.6和7.6 J/g,镁合金管具有较高的比吸能.     

一种双级式列车吸能防爬装置耐撞性分析

文章首先利用Hyper mesh软件建立了列车双级式吸能防爬装置的有限元模型,并基于该有限元模型对蜂窝结构强度对双级式吸能防爬装置耐撞性的影响进行了研究分析。结果表明,该吸能结构可以形成有序的变形模式。初始峰值力和平均撞击力随着蜂窝A强度或蜂窝B强度的增加而增加。该结构能量吸收量主要受蜂窝A强度影响,而蜂窝B强度则对初始峰值力有较大影响。     

城市轨道交通车辆用薄壁圆锥形构件轴向耐撞性能研究

针对城市轨道交通车辆压溃式吸能装置常用的Q345和5083H111材料,以数值仿真的方式研究冲击动态下壁厚、冲击速度、锥角对其轴向耐撞性能的影响,比选出总吸能一定时耐撞性能更优的设计方案。研究结果表明,薄壁圆锥形构件的比吸能和碰撞力随壁厚和冲击速度的增加而增加,随锥角的变化因材料而异,且Q345材料的比吸能和碰撞力均大于5083H111;在总吸能一定时,采用大锥角、增加壁厚的方案轴向耐撞性能更优,选用5083H111材料耐撞性能更优。     

某城轨车辆碰撞能量管理系统研究

为了改进某城市轨道车辆车体耐碰撞性能,根据美国AAR S-034标准要求,建立了一种基于蜂窝铝芯和锥形薄壁方管结构的碰撞能量管理(CEM)系统,利用LS-DYNA平台,对该CEM子系统的撞击性能进行了分析,并对比了安装CEM系统前后整车撞击刚性壁障的界面力-位移曲线和加速度-时间曲线。研究表明:"铝芯-薄壁管"组合式吸能结构可以使压溃变形过程有序进行,且具有较低的撞击力初始峰值;采用文中的CEM系统可显著提高车体端部结构的耐碰撞性能。     

一种新型切削式防爬器研究

为了达到高速列车碰撞过程中整车的均布吸能,实现列车各车辆同时参与碰撞吸能,提高车辆耐撞性的目的,针对现有切削式防爬器实际应用情况设计了一种切削厚度随切削行程渐变、切削行程可控的新型切削式防爬器;采用有限元软件LS-DYNA对防爬器切削吸能过程进行了数值仿真,研究了初始切削厚度对整个切削吸能过程的影响;开展了防爬器碰撞冲击试验,考察了防爬器的缓冲吸能特性,并与数值分析结果进行了对比。结果表明,当初始切削厚度较薄时,切屑呈螺旋状,卷曲曲率较小,初始峰值力较低,切削过程更稳定。由于切削行程和厚度的可调节,实现了在碰撞过程中界面力在一定范围内可控,有利于保护车体及乘员的安全。     

轴向冲击下薄壁方管屈曲模式及初始峰值力控制研究

基于冲击试验和仿真实验手段对带隔板方管吸能结构的碰撞力学响应特性进行分析,建立有限元模型,采用显式动力有限元ANSYS/LS-DYNA进行数值仿真,并与试验结果对比,误差基本稳定在5%以内,验证该数值仿真模型的有效性。研究结果表明:结构变形模式为稳定可靠的轴对称模式。研究隔板结构与诱导结构对吸能特性的影响,得出结构在隔板的约束下产生更多的屈曲褶皱,吸能量提高17%。诱导结构对结构整体吸能量影响不大,可以显著降低结构的初始撞击力峰值,降低百分比达到42.3%。     

基于Sobol’法的轨道车辆前端吸能结构灵敏度分析

将全局灵敏度分析方法应用到轨道列车耐撞性分析当中。以轨道车辆前端吸能结构参数作为设计变量,分别以总吸能量和接触力峰值作为目标响应,采用Sobol’分析法,通过构建Kriging代理模型,计算各参数的一阶主灵敏度值、总灵敏度值和二阶交互效应灵敏度值,并进行分析,辨别对吸能性能影响较大的参数,将简化后结构与原结构的优化结果进行比较。结果表明:Kriging代理模型具有较高的精度,能满足耐撞性分析的要求;Sobol’法能很好地评价该过程的灵敏度,为优化设计提供有力参考,简化优化模型。     

一种新型切削式防爬器研究北大核心

为了达到高速列车碰撞过程中整车的均布吸能,实现列车各车辆同时参与碰撞吸能,提高车辆耐撞性的目的,针对现有切削式防爬器实际应用情况设计了一种切削厚度随切削行程渐变、切削行程可控的新型切削式防爬器;采用有限元软件LS-DYNA对防爬器切削吸能过程进行了数值仿真,研究了初始切削厚度对整个切削吸能过程的影响;开展了防爬器碰撞冲击试验,考察了防爬器的缓冲吸能特性,并与数值分析结果进行了对比。结果表明,当初始切削厚度较薄时,切屑呈螺旋状,卷曲曲率较小,初始峰值力较低,切削过程更稳定。由于切削行程和厚度的可调节,实现了在碰撞过程中界面力在一定范围内可控,有利于保护车体及乘员的安全。     

结构参数对铝蜂窝防爬器吸能特性影响

为研究某型地铁车辆的铝蜂窝防爬器的吸能防爬特性，利用非线性有限元数值模拟方法，建立了可靠的等效铝蜂窝防爬器有限元模型。通过对不同结构参数铝蜂窝防爬器的吸能特性研究，对该防爬器进行了优化设计，并将优化后的防爬器用于整车，模拟了6编组地铁车辆在速度为25 km/h时的对撞工况。仿真结果表明，增加薄壁壳壁厚将使碰撞初始峰值力大幅度增加，碰撞力的波动也随之增大；在多个铝蜂窝块之间插入隔板串联组合使用，将极大地提高蜂窝块的吸能效果；在薄壁壳上开诱导孔是诱导防爬器稳定有序变形的手段之一，但是诱导孔数量过多反而对吸能造成不利影响。通过整车碰撞模拟，以欧洲铁路标准EN15227:2020的相关要求对其进行评判，证明了该防爬器具有良好的吸能和防爬性能，为铝蜂窝防爬器在地铁车辆上的应用提供了理论依据。     

铁道车辆承载吸能结构优化研究

为得到具有理想耐撞性能的铁道车辆承载吸能结构,分别基于多项式响应面法的二次响应面模型、四次响应面模型和Kriging法的响应面模型等3种代理模型,构造承载吸能结构的比吸能SEA及比吸能与撞击力峰值之比REAF关于设计参数的二次、四次和Kriging法响应曲面,结合遗传算法整体寻优分别得到这3种代理模型的SEA和REAF的最优值.对比分析结果表明:Kriging法响应面模型的拟合精度高于多项式的二次和四次响应面模型,四次响应面模型的拟合精度次之;但是Kriging法响应面模型拟合曲面没有多项式响应面模型的光滑,其原因是Kriging模型采用的局部插值方法虽能提高模型拟合精度、却不利于降低模型拟合过程中的数字噪声;整车车体碰撞仿真表明,承载吸能结构优化后的整车车体具有更好的耐撞性能.     

钢板拉伸-弯曲式大行程吸能装置研究及优化

提出一种新型大缓冲行程吸能装置,该结构利用金属吸能板在冲击作用下产生重复弯曲-拉伸塑性变形吸收冲击动能,具有远大于其自有长度的变形行程.首先开展吸能结构样机落锤冲击试验,研究在冲击载荷下的力学特性.结果表明,吸能结构整个冲击过程稳定可控,初始峰值力为21.88 kN,稳定变形力为10 kN.随后建立有限元模型,经比较仿真结果与试验误差在10％范围内,充分证明了有限元模型的有效性.通过有限元仿真分析吸能装置的变形特性,以及钢板厚度和宽度,导轮半径和导轮数量对其吸能特性的影响.最终得出随着结构的板厚,板宽度,导轮数量的增加以及导轮半径的减小,装置的撞击力和吸能量均呈增加趋势.     

不同诱导结构对折叠式压溃管动态吸能影响

建立带预压结构的折叠式压溃管有限元模型,得到其动态冲击下轴对称变形模式和撞击力-位移曲线,对折叠压溃管进行动态冲击实验,有限元仿真结果与实验结果的变形模式和撞击力-位移曲线吻合良好,验证了有限元模型的准确性。通过仿真分析发现预压缩能减小圆管在动态冲击下的第1个褶皱波长,但对整体变形模式和撞击平台力大小基本无影响。在此基础上,对无预压圆管开设4种不同的诱导结构:外表面开槽诱导和内外表面交替开槽诱导、外波纹诱导、内外表面波纹管诱导,分析发现内外表面交替开槽和内外波纹管诱导结构能控制圆管的变形模式,外表面开槽诱导对圆管的褶皱波瓣形状有一定影响,外表面波纹诱导会让圆管呈现一定的非对称变形。与初始圆管相比,4种诱导圆管中,只有外部开槽诱导下的圆管比吸能增大,同时载荷波动系数减小29.4%,撞击平台力与初始圆管基本相当。本文可为折叠式压溃管吸能特性优化提供参考。     

轨道车辆泡沫铝填充吸能元件的优化设计

通过仿真研究了填充泡沫铝对吸能元件性能的影响,然后针对轨道车辆吸能装置中填充泡沫铝圆管元件参数进行优化研究.研究以质量最小为优化目标,以薄壁厚度、圆管直径以及泡沫铝密度为优化设计参数,以刚度为约束,运用序列二次迭代(SQP)法进行优化.最后,运用非线性有限元分析软件MSC.DYTRAN进行碰撞分析并验证了优化结果.结果表明:泡沫铝填充材料对元件的比吸能以及其他耐撞击性能的改善起到较为重要的作用;针对不同的吸能要求,泡沫铝密度需合理选取;填充泡沫铝的薄壁圆管壁厚度不宜取太大;泡沫铝材料的密度的选取应随压溃力的提高而适当增大.     

恒定内压金属圆管受轴向冲击的吸能特性研究

为了研究承受内压预载金属圆管在轴向冲击载荷下的力学行为和吸能特性,基于Abaqus对承受恒定内压预载的R/t较小的金属圆管轴向冲击进行有限元分析,同时考虑到初始几何缺陷、预加载引起的初始几何形变等因素的影响,在有限元仿真时建立相应的对照组。仿真结果表明:随着内压载荷的增加,圆管轴向变形半波长和圆管变形的偏心率m都逐渐增加,褶皱的厚度越来越大;内压状态时,初始峰值力和平均轴向压缩力都有大幅度的降低,峰值力降低的数值比对平均峰值力降低的更大;存在内压预载的冲击模型对初始几何缺陷很不敏感。     

城轨车辆司机室端部主吸能结构优化设计

为了提高城轨车辆司机室端部主吸能结构的吸能性能,采用仿真分析的方法对底架端梁和吸能结构的板材厚度进行了优化设计。考虑优化部位对吸能量的影响,建立某城轨车辆司机室车与司机室车以相对速度25 km/h的正撞模型,通过碰撞分析计算得到了结构优化前后的吸能量及车体不发生压溃的最大撞击速度。研究结果表明:提高底架端梁结构的刚度,减小主吸能结构的板材厚度能够满足司机室端部吸能系统的顺序可控变形规律,其吸能性能也得到提升,为主吸能结构的优化设计提供了理论参考。     

耐碰撞车体吸能装置的薄壁结构研究

吸能装置是提高机车车体耐碰撞性能的关键部件。利用显式有限元模拟仿真了薄壁结构的横截面、壁厚和预变形等对其碰撞性能的影响，找出了薄壁结构的碰撞规律。对安装了由薄壁结构组成的吸能装置的某机车车体进行了碰撞仿真，结果表明该结构具有较好的吸能性能。     

基于显式有限元的高速列车吸能装置吸能原理研究

吸能装置是提高高速列车耐碰撞性能的关键部件。首先阐述了金属切削数值仿真的关键技术,包括材料的本构模型、切屑与工件的分离、切屑与刀具的接触和摩擦等。然后利用显式有限元仿真了薄壁结构被轴向切削时刀具的前角、切屑的厚度和宽度等对其吸能特性的影响。提出薄壁结构轴向切削吸能和轴向压缩吸能的组合作为吸能装置的吸能原理。分析结果表明,该吸能原理是一种非常理想的碰撞能量耗散模式。     

膨胀式防爬器吸能特性研究

为了研究膨胀式防爬器的吸能特性，对不同厚度膨胀管的材料性能进行分析，研究了不同约束方式对静压仿真稳定段均值力的影响。通过仿真与试验对比，得到2种轮廓加压锥与膨胀管配合关系下的摩擦因数；进行不同应变率下的材料试验，研究了不同硬化模型对膨胀管高速冲击稳定段均值力的影响，并基于SHS硬化模型对不同冲击速度下的稳定段均值力进行分析。研究结果表明：不同厚度的膨胀管材料性能差异明显，不同边界约束方式对静压仿真稳定段均值力改变明显；不同轮廓加压锥与膨胀管配合关系下的摩擦因数不同，稳定段均值力均与摩擦因数呈正相关；采用不同硬化模型仿真得到的高速冲击稳定段均值力基本相同；使用SHS硬化模型仿真得到的不同冲击速度下的稳定段均值力基本相同，仅在碰撞初始时表现出应变率效应；采用1/4简化模型能够在保证计算精度的同时显著提高计算效率。     

基于Hypermesh汽车吸能盒诱导槽优化设计

根据某汽车吸能盒的结构特点,采用增开双诱导槽的方式,对吸能盒进行优化设计。以双诱导槽的位置和深度为研究对象,采用响应面法和正交实验设计法,以吸能盒的吸能量与载荷峰值为指标,建立结构优化的数学模型。利用MATLAB优化工具求得模型的最优解,并采用Hypermesh建立优化后的有限元模型进行仿真验证。仿真结果表明:优化后的结构明显降低B柱加速度峰值,改善吸能效果,提高汽车的安全性。