列車碰撞動(dòng)力學(xué)關(guān)鍵問題研究.pdf

1、為了解決列車碰撞過程中的非線性問題，本文構(gòu)建了列車碰撞動(dòng)力學(xué)理論框架，深入地研究了車體材料非線性問題、非線性振動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間積分算法和列車碰撞動(dòng)力學(xué)建模等方面的內(nèi)容。
　　首先，闡述了列車碰撞動(dòng)力學(xué)理論的框架，指出了列車碰撞動(dòng)力學(xué)的研究范圍、研究內(nèi)容和研究方法。歸納了列車碰撞動(dòng)力學(xué)中可采用的車輛模型和軌道模型，根據(jù)運(yùn)動(dòng)方程的形式總結(jié)了方程的各種解法。
　　其次，針對(duì)車體材料的非線性問題，通過材料沖擊試驗(yàn)得到了車體材料的動(dòng)態(tài)應(yīng)力

2、應(yīng)變曲線。基于Cowper-Symonds模型和Johnson-Cook模型，獲得了5083H111鋁合金、Q235鋼、Q345鋼和HC340/590DP雙相鋼的動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型參數(shù)。研究了車體材料的應(yīng)變率效應(yīng)，分析了鋁合金應(yīng)變率效應(yīng)對(duì)吸能裝置的吸能影響。結(jié)果表明:5083H111鋁合金在低應(yīng)變率時(shí)存在應(yīng)變率弱化效應(yīng)，在中低應(yīng)變率范圍內(nèi)存在先弱化再強(qiáng)化的特性;Q235鋼、Q345鋼和HC340/590DP雙相鋼在應(yīng)變率增大時(shí)都表現(xiàn)出了明顯的

3、應(yīng)變率敏感性;采用5083H111鋁合金制作的吸能結(jié)構(gòu)實(shí)際吸收能量比按照準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線設(shè)計(jì)的吸能結(jié)構(gòu)的吸能量小，應(yīng)變率效應(yīng)不可忽略。
　　然后，基于加速度假設(shè)和泰勒展開公式，提出了最高具有二階精度的修正雙步長顯式法和加速度顯式法。通過歸納法，進(jìn)一步提出了具有三階甚至更高階精度的廣義多步顯式法。對(duì)提出的時(shí)間積分算法進(jìn)行了穩(wěn)定性、數(shù)值耗散、數(shù)值色散和精度分析。結(jié)果表明:修正雙步長顯式法和加速度顯式法(α=1，β=γ)在無阻尼系統(tǒng)中

4、的穩(wěn)定區(qū)間為△t∈(0，2/ω)，具有臨界穩(wěn)定特性;穩(wěn)定區(qū)間隨著阻尼比的增大而減小，廣義多步顯式法也具有相似的穩(wěn)定性;提出的算法在無阻尼系統(tǒng)中具有相同的數(shù)值耗散和數(shù)值色散特性，即數(shù)值耗散為0，數(shù)值色散特性都與中心差分法相同;相比于其它算法，本文算法在非線性系統(tǒng)中的穩(wěn)定性更好，精度適中，而且計(jì)算速度和計(jì)算效率最高。
　　最后，建立了縱平面車輛-隨動(dòng)軌道模型和三維車輛-隨動(dòng)軌道模型，進(jìn)一步地，通過鉤緩裝置模型和吸能防爬裝置模型的連接，

5、建立了完整的列車碰撞動(dòng)力學(xué)模型。利用非線性車輛振動(dòng)系統(tǒng)和車輛軌道模型，比較了不同算法對(duì)非線性振動(dòng)響應(yīng)的影響，研究了不同車輛模型和軌道模型對(duì)車輛碰撞響應(yīng)的影響。通過列車碰撞動(dòng)力學(xué)模型，深入研究了列車碰撞爬車現(xiàn)象、爬車臨界速度和影響爬車的車輛參數(shù)。研究結(jié)果表明:精細(xì)積分法和標(biāo)準(zhǔn)Runge-Kutta法(RK4)適用于自由度少且精度要求高的非線性車輛振動(dòng)系統(tǒng);翟方法和修正雙步長顯式法適用于自由度數(shù)目龐大、要求計(jì)算效率高且精度適中的非線性車輛振

6、動(dòng)系統(tǒng);當(dāng)僅考慮車輛的縱向碰撞時(shí)，縱平面車輛-隨動(dòng)軌道模型和三維車輛-隨動(dòng)軌道模型在縱平面內(nèi)的響應(yīng)完全相同;車輪抬升量與速度的關(guān)系是非線性的，當(dāng)碰撞速度遠(yuǎn)低于爬車臨界速度時(shí)，車輪抬升量非常小，當(dāng)碰撞速度接近爬車臨界速度時(shí)，車輪抬升量出現(xiàn)指數(shù)級(jí)增大;車輪抬升量分別隨著碰撞速度、碰撞質(zhì)量和車體質(zhì)心高度的增大而增大，隨著二系垂向剛度的增大而減小;碰撞速度對(duì)車輪抬升量的影響最大，碰撞質(zhì)量和車體質(zhì)心高度次之;列車碰撞過程中，主、被動(dòng)列車的車體和鉤