專利名稱：一種列車碰撞承載吸能部件碰撞閾值實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于列車的碰撞吸能安全保護(hù)技術(shù)，具體的涉及一種通過研究列車端部承 載吸能的列車結(jié)構(gòu)，建立的列車承載吸能結(jié)構(gòu)的閾值控制方法。
背景技術(shù)：
碰撞是列車面臨的主要事故風(fēng)險(xiǎn)之一。通過列車結(jié)構(gòu)產(chǎn)生碰撞塑性變形，吸收沖 擊能量，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)安全防護(hù)，保護(hù)旅客生命安全，降低事故損失，成為近年來的研究熱點(diǎn)。就列車碰撞問題而言，與汽車、飛機(jī)等運(yùn)載工具最大的不同就是，列車由多節(jié)車輛 編組而成，相鄰車輛間通過車鉤緩沖裝置連接。為實(shí)現(xiàn)列車的碰撞吸能安全保護(hù)，列車在 正常運(yùn)行時(shí)需要有足夠的強(qiáng)度和剛度傳遞縱向力，在發(fā)生碰撞時(shí)需要迅速產(chǎn)生可控塑性大 變形吸收能量，碰撞吸能列車需要同時(shí)滿足兩個(gè)條件。其一，在沒有發(fā)生碰撞事故的列車正 常運(yùn)行及制動(dòng)情況時(shí)，列車結(jié)構(gòu)需要有足夠的強(qiáng)度和剛度，滿足相應(yīng)規(guī)范規(guī)定要求，不允許 發(fā)生塑性變形及破壞，并具有良好的傳遞縱向力性能，保證列車運(yùn)行安全。其二，在較高速 下發(fā)生碰撞事故時(shí)，列車結(jié)構(gòu)需要在預(yù)定區(qū)域發(fā)生破壞，產(chǎn)生塑性大變形，吸收足夠沖擊動(dòng) 能，保護(hù)乘客安全。這就需要研究列車發(fā)生破壞的條件，也就是列車碰撞塑性變形破壞閾 值。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種列車碰撞承載吸能部件碰撞閾值實(shí)現(xiàn)方法，其通過吸能部件的 結(jié)構(gòu)改進(jìn)實(shí)現(xiàn)了列車碰撞時(shí)吸能部件碰撞閾值的量化控制。通過對(duì)吸能部件的結(jié)構(gòu)改變控 制，實(shí)現(xiàn)破壞閾值以及結(jié)構(gòu)閾值的可控性，該實(shí)現(xiàn)方法設(shè)計(jì)合理，效果明顯，能夠用于車體 端部承載吸能部件的設(shè)計(jì)與安裝，有效保證列車碰撞的安全吸能保護(hù)。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下一種列車碰撞承載吸能部件碰撞閾值實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述實(shí)現(xiàn)方法包括在列車車體的端部設(shè)置承載吸能結(jié)構(gòu)；對(duì)列車車體端部的承載吸能結(jié)構(gòu)上設(shè)置結(jié)構(gòu)開孔，利用該結(jié)構(gòu)開孔來實(shí)現(xiàn)碰撞閾值。
具體實(shí)施方式
中，所述實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)一步包括根據(jù)軸向壓縮下應(yīng)力集中系數(shù)與開孔的長(zhǎng)徑比、孔徑與板寬比關(guān)系，控制所述結(jié) 構(gòu)開孔的數(shù)量、孔徑、長(zhǎng)度以及承載吸能結(jié)構(gòu)的厚度的板厚，控制碰撞閾值。一實(shí)施方式中，所述實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)一步包括將結(jié)構(gòu)開孔與車體端部的專用吸能部件組合使用，實(shí)現(xiàn)碰撞閾值。另一實(shí)施方式中，所述組合使用包括結(jié)構(gòu)開孔設(shè)置在開孔箱型結(jié)構(gòu)上形成開孔縱向吸能結(jié)構(gòu)，該開孔縱向吸能結(jié)構(gòu)布 置在緩沖梁與底架端梁之間，所述專用吸能部件為六方格蜂窩狀吸能結(jié)構(gòu)，該六方格蜂窩 狀吸能結(jié)構(gòu)的一端固結(jié)在底架端梁上，另一端與緩沖梁間隙設(shè)置。
該列車碰撞承載吸能部件碰撞閾值實(shí)現(xiàn)方法通過吸能部件的結(jié)構(gòu)改進(jìn)實(shí)現(xiàn)了列 車碰撞時(shí)吸能部件碰撞閾值的量化控制。通過對(duì)吸能部件的結(jié)構(gòu)改變控制，實(shí)現(xiàn)破壞閾值 以及結(jié)構(gòu)閾值的可控性，該實(shí)現(xiàn)方法設(shè)計(jì)合理，效果明顯，能夠用于車體端部承載吸能部件 的設(shè)計(jì)與安裝，有效保證列車碰撞的安全吸能保護(hù)。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的闡述。
圖IA是本發(fā)明具體實(shí)施方式
中列車車體端部的部分結(jié)構(gòu)示意圖；圖IB是圖1中I部位承載吸能部件的部分結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明具體實(shí)施方式
中一吸能部件開孔箱型梁的開孔結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是圖1的應(yīng)力集中系數(shù)與開孔結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)關(guān)系圖；圖4A、圖4B和圖4C是圖1中的開孔箱型梁結(jié)構(gòu)的撞擊序列變形圖；圖4E為開孔 箱型結(jié)構(gòu)的撞擊力-時(shí)間曲線，圖4F為六方格蜂窩狀與開孔箱型結(jié)構(gòu)組合撞擊力-時(shí)間曲 線.
一入 ，
具體實(shí)施例方式該列車碰撞承載吸能部件碰撞閾值實(shí)現(xiàn)方法可用于現(xiàn)有高速列車的車輛碰撞防 護(hù)組件的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，該實(shí)現(xiàn)方法包括在列車車體的端部設(shè)置承載吸能結(jié)構(gòu)；對(duì)列車車 體端部的承載吸能結(jié)構(gòu)上設(shè)置結(jié)構(gòu)開孔，利用該結(jié)構(gòu)開孔來實(shí)現(xiàn)碰撞閾值。如圖1所示和 圖2所示，在列車正常運(yùn)行條件下，承載吸能結(jié)構(gòu)I作為結(jié)構(gòu)承載用，具有良好的傳遞縱向 力性能；在發(fā)生撞擊事故時(shí)，產(chǎn)生塑性大變形吸收能量。可以根據(jù)軸向壓縮下應(yīng)力集中系數(shù) 與開孔的長(zhǎng)徑比、孔徑與板寬比關(guān)系，控制所述結(jié)構(gòu)開孔的數(shù)量、孔徑、長(zhǎng)度以及承載吸能 結(jié)構(gòu)的厚度的板厚，控制碰撞閾值。該在承載吸能結(jié)構(gòu)主要是利用撞擊發(fā)生時(shí)截面突變導(dǎo)致的局部應(yīng)力集中效應(yīng)，在 縱向力的作用下開孔周圍區(qū)域的應(yīng)力急劇增加、首先發(fā)生局部屈曲失穩(wěn)的原理，誘導(dǎo)結(jié)構(gòu) 在開孔處產(chǎn)生塑性大變形。如圖2所示，以寬度為2B的薄板，中心開設(shè)一直徑為2r，長(zhǎng)度為加的長(zhǎng)形孔為例， 在軸向壓縮時(shí)，其應(yīng)力集中系數(shù)與孔的長(zhǎng)徑比a/r、孔徑與板寬比r/B有關(guān)。從圖3中可以 看出，當(dāng)長(zhǎng)徑比a/r在1-4的范圍內(nèi)變化時(shí)，隨著長(zhǎng)徑比的增加，應(yīng)力集中系數(shù)減小，當(dāng)長(zhǎng)徑 比大于4之后，應(yīng)力集中系數(shù)基本保持恒定；隨著徑寬比r/B的增加，應(yīng)力集中系數(shù)也在減 小，但徑寬比r/B越大，意味著薄板的開孔面積越大，對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的名義應(yīng)力也越大。圖4A、 圖4B和圖4C是開孔箱型梁結(jié)構(gòu)的撞擊序列變形圖。由此可見，通過控制孔徑、孔的長(zhǎng)度、 板厚，即可實(shí)現(xiàn)其碰撞閾值。在撞擊初期，由于孔對(duì)結(jié)構(gòu)縱向剛度的削弱效應(yīng)，在兩個(gè)開孔徑最大的截面位置， 箱形結(jié)構(gòu)的兩側(cè)壁對(duì)稱地向外側(cè)發(fā)生了輕微程度的折曲，形成了兩個(gè)塑性鉸，隨著碰撞的 進(jìn)行，靠近沖擊端的第一個(gè)開孔位置的結(jié)構(gòu)圍繞第一個(gè)塑性鉸發(fā)生了劇烈的縱向壓縮變 形，此時(shí)第二個(gè)開孔位置的變形基本保持穩(wěn)定，在第一個(gè)開孔位置被充分壓縮之后，第二個(gè) 開孔位置開始產(chǎn)生縱向壓潰變形。由于開孔結(jié)構(gòu)是一種缺陷結(jié)構(gòu)，對(duì)于結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度和沖擊動(dòng)強(qiáng)度都有削弱效應(yīng)，相比于結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)的沖擊動(dòng)強(qiáng)度更為敏感。但是在對(duì)承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行開孔設(shè)計(jì)時(shí)必 須充分考慮到結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度的承載要求。從圖4E的開孔結(jié)構(gòu)的撞擊力-時(shí)間曲線上可以看到，由于上下蓋板的面內(nèi)開孔， 大大削弱了結(jié)構(gòu)的初始縱向剛度，初始撞擊力峰值僅為400. 74KN,當(dāng)開孔位置側(cè)壁發(fā)生屈 曲后，結(jié)構(gòu)撞擊力迅速降低，直至該孔被充分壓縮后阻抗才會(huì)略微增加。雖然大變形力學(xué)性能不太理想，但是該結(jié)構(gòu)有如下兩個(gè)非常鮮明的功能(a)結(jié)構(gòu)大變形模式可控，壓縮行程也比較大(近乎于開孔孔徑)；(b)可以明確控制產(chǎn)生大變形的部位。實(shí)際應(yīng)用中，可將結(jié)構(gòu)開孔與車體端部的專用吸能部件組合使用，實(shí)現(xiàn)碰撞閾值。 例如，將六方格蜂窩狀吸能結(jié)構(gòu)與開孔箱型結(jié)構(gòu)組合，將開孔縱向吸能結(jié)構(gòu)布置在緩沖梁 與底架端梁之間，六方格蜂窩狀吸能結(jié)構(gòu)一端用螺栓固結(jié)在底架端梁上，另一端與緩沖梁 留有一定間隙。在正常運(yùn)行情況下，蜂窩狀結(jié)構(gòu)不承受縱向力；在高速撞擊情況下，首先是 開孔結(jié)構(gòu)梁受到縱向擠壓，在開孔處產(chǎn)生屈曲，結(jié)構(gòu)撞擊力下降，此時(shí)蜂窩狀結(jié)構(gòu)與緩沖梁 接觸，專用吸能結(jié)構(gòu)與縱向吸能梁一起產(chǎn)生皺褶變形，在碰撞過程中，一方面利用縱向吸能 梁來控制變形的順序和部位，另一方面利用六方格蜂窩狀吸能結(jié)構(gòu)接近定常的力學(xué)性能來 充分吸收沖擊動(dòng)能。圖4F為開孔結(jié)構(gòu)與六方格鋁蜂窩材料進(jìn)行組合以后的撞擊力-時(shí)間曲線，隨著六 方格鋁蜂窩材料的壓縮，撞擊力緩慢上升，可以看到結(jié)構(gòu)比吸能大幅提高，載荷效率達(dá)到了 67. 46%，是非常理想的吸能結(jié)構(gòu)。如下表1為開孔結(jié)構(gòu)和開孔組合結(jié)構(gòu)的吸能特性參數(shù)對(duì) 照表。表1開孔結(jié)構(gòu)和開孔組合結(jié)構(gòu)的吸能特性參數(shù)
權(quán)利要求
1.一種列車碰撞承載吸能部件碰撞閾值實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述實(shí)現(xiàn)方法包括在列車車體的端部設(shè)置承載吸能結(jié)構(gòu)；對(duì)列車車體端部的承載吸能結(jié)構(gòu)上設(shè)置結(jié)構(gòu)開孔，利用該結(jié)構(gòu)開孔來實(shí)現(xiàn)碰撞閾值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的列車碰撞吸能部件碰撞閾值實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述實(shí)現(xiàn) 方法進(jìn)一步包括根據(jù)軸向壓縮下應(yīng)力集中系數(shù)與開孔的長(zhǎng)徑比、孔徑與板寬比關(guān)系，控制所述結(jié)構(gòu)開 孔的數(shù)量、孔徑、長(zhǎng)度以及承載吸能結(jié)構(gòu)的厚度的板厚，控制碰撞閾值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的列車碰撞吸能部件碰撞閾值實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述實(shí)現(xiàn) 方法進(jìn)一步包括將結(jié)構(gòu)開孔與車體端部的專用吸能部件組合使用，實(shí)現(xiàn)碰撞閾值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的列車碰撞吸能部件碰撞閾值實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述組合 使用包括結(jié)構(gòu)開孔設(shè)置在開孔箱型結(jié)構(gòu)上形成開孔縱向吸能結(jié)構(gòu)，該開孔縱向吸能結(jié)構(gòu)布置在 緩沖梁與底架端梁之間，所述專用吸能部件為六方格蜂窩狀吸能結(jié)構(gòu)，該六方格蜂窩狀吸 能結(jié)構(gòu)的一端固結(jié)在底架端梁上，另一端與緩沖梁間隙設(shè)置。
全文摘要
一種列車碰撞承載吸能部件碰撞閾值實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述實(shí)現(xiàn)方法包括在列車車體的端部設(shè)置承載吸能結(jié)構(gòu)；對(duì)列車車體端部的承載吸能結(jié)構(gòu)上設(shè)置結(jié)構(gòu)開孔，利用該結(jié)構(gòu)開孔來實(shí)現(xiàn)碰撞閾值。該列車碰撞承載吸能部件碰撞閾值實(shí)現(xiàn)方法通過吸能部件的結(jié)構(gòu)改進(jìn)實(shí)現(xiàn)了列車碰撞時(shí)吸能部件碰撞閾值的量化控制。通過對(duì)吸能部件的結(jié)構(gòu)改變控制，實(shí)現(xiàn)破壞閾值以及結(jié)構(gòu)閾值的可控性，該實(shí)現(xiàn)方法設(shè)計(jì)合理，效果明顯，能夠用于車體端部承載吸能部件的設(shè)計(jì)與安裝，有效保證列車碰撞的安全吸能保護(hù)。
文檔編號(hào)B61F19/04GK102145701SQ201110078069
公開日2011年8月10日 申請(qǐng)日期2011年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月30日
發(fā)明者姚松, 楊明智, 田紅旗, 許平, 謝素超, 高廣軍, 魯寨軍 申請(qǐng)人:中南大學(xué)