基于ASME标准车体准静态分析设计优化方法技术

一种基于ASME标准车体准静态分析设计优化方法，其特征在于包括下列步骤：建立车体有限元模型，设定单元类型、接触关系、材料属性，然后定义由基础试验数据得来的真实材料应力‑应变曲线、加载曲线、并定义输出信息；输出计算文件提交LS‑DYNA平台计算；读取LS‑DYNA计算结果，依据计算结果进行分析判断，如果满足设计要求，分析结束，如果无法满足设计要求返回第一步修改设计参数重新计算；本发明专利技术通过对新设计的车体三维模型进行有限元离散，再通过试验数据得来的真实材料力学特性进行输入，可以对新设计的车体进行结构优化，降低设计成本及设计周期；为轨道车辆的车体碰撞柱结构设计提供一套有效的理论分析过程，提高车体准静态试验的通过率。

【技术实现步骤摘要】
基于ASME标准车体准静态分析设计优化方法
本专利技术涉及轨道交通车辆车体强度技术安全领域，具体涉及到一种车体准静态分析设计优化方法。
技术介绍
随着中国城铁列车进入北美市场，中国轨道交通企业需要设计出符合美国标准的地铁车辆，以满足北美市场的技术要求。美国法规要求地铁车辆必须设计有足够保护司机室及客室区的车体碰撞柱等端部结构，防止由于爬车或线路冲撞等事故威胁到客室区的安全，最大限度保护乘客安全。波士顿地铁项目采用美国ASMERT-2-2014标准，标准中要求对车体单个碰撞柱施加足够大的纵向剪切载荷，加载处位于端梁上平面457mm处。当车体碰撞柱产生塑性变形之后，将载荷卸载时，碰撞柱中段截面的纵向变形至少要达到其纵向长度的三分之一。碰撞柱不得出现完全分离，并且与底架、车顶结构的连接都不得断开。国内地铁车辆的设计主要应用欧洲标准和日本标准。欧洲标准和日本标准都并未对车体碰撞柱提出设计要求，因而没有相应的设计分析指导。ASMERT-2-2014是美国最新发布的轨道车辆设计分析标准，波士顿项目也是最早执行该标准的项目。在上述背景下，本团队需要创造性地研发出一种基于ASMERT-2-2014标准的车体准静态分析设计优化方法，以满足车辆设计要求。
技术实现思路
本专利技术的目的是按照ASMERT-2-2014标准，为车体端部碰撞柱的设计和优化提供一套全新的方法。基于该方法，能够完成有限元分析和准静态试验，并对试验与分析之间的相关性进行对比验证，为车体端部碰撞柱结构设计提供可靠的理论支持及试验依据。为实现上述目的，本专利技术提供一种基于ASME标准车体准静态分析设计优化方法，其特征在于包括下列步骤：(101)利用HYPERMESH软件建立车体有限元模型，设定单元类型、接触关系、材料属性，然后定义由基础试验数据得来的真实材料应力-应变曲线、加载曲线、并定义输出信息；(102)输出计算文件提交LS-DYNA平台计算；(103)读取LS-DYNA计算结果，依据计算结果进行分析判断，如果满足设计要求，分析结束，如果无法满足设计要求返回(101)步修改设计参数重新计算；(104)车体准静态分析设计优化结束。本专利技术提出的车体准静态分析设计优化方法，其积极效果如下：(1)通过对新设计的车体三维模型进行有限元离散，再通过试验数据得来的真实材料力学特性进行输入，可以对新设计的车体进行结构优化，降低设计成本及设计周期；(2)为轨道车辆的车体碰撞柱结构设计提供一套有效的理论分析过程，提高车体准静态试验的通过率。附图说明图1车体准静态分析方法流程图；图2车体准静态分析载荷加载曲线；图3、图4、图5分别为准静态试验平台主视图、侧视图、俯视图；图6准静态试验平台加载块仿真分析力-行程曲线；图7准静态试验平台碰撞柱力-行程曲线的仿真分析与试验值对比图；图8准静态试验平台碰撞柱变形的仿真分析与试验值对比图。具体实施方式参照图1，本专利技术具体实施方式的设计优化方法如下：1)模型建立建立车体有限元模型，建模壳及实体、梁单元类型，以整车平均25mm的单元尺寸进行整车有限元模型划分，控制单元质量的雅克比大于0.6，最小单元尺寸大于2mm，长宽比小于5，翘曲度小于1度。对碰撞柱、角柱重要的传力结构用10mm单元尺寸进行局部模型细化，用梁单元模拟焊缝以连接整车各部件，整车建模单元数达到200万以上。整车重量34吨，定义加载曲线见图2，图中横坐标代表时间，单位为秒；纵坐标(左)代表位移，单位为毫米；图中a为加载块位移曲线；施加整车1g垂向加速度加载曲线。整车排除所有刚性元件外设定自接触，摩擦系数定义为0.15。定义轮轨间接触，摩擦系数设置为0.15。设置计算模型终止时间为0.35秒，碰撞动画输出时间步长0.005秒。打开各项输出信息开关，通过车辆上节点集合定义节点力输出信息，通过单元集合定义断面力-时间曲线、力-行程曲线，通过控制卡片定义各项能量输出。材料输入真实材料应力-应变曲线。完成上述步骤后，有限元模型建立完毕。2)输出计算文件设定完成有限元模型建立后，从Hypermesh文件输出LS-DYNA可用计算文件.k文件，提交LS-DYNA多核并行计算平台进行计算，求解器版本为R9716.1计算，得出计算结果。3)计算结果判断在LS-DYNA软件中读取Binout、D3plot文档的计算结果，依据标准ASMERT-2-2014对碰撞柱及角柱的位移及力变形曲线进行分析判断：在超出弹性的载荷后，结构位移及力变形曲线为可控有序变形曲线，并在载荷卸载完成并稳定后，整车端部的碰撞柱及角柱纵向变形量超过纵向深度的1/3，并仍与车体连接。满足以上标准，可判定该结构满足设计要求。如果无法满足上述标准要求，则需要将有限元模型变形不可控或不稳定的位置依据实际结构重新建模，重新进行计算，直到满足标准要求为止。试验例1、试验平台搭建根据车体准静态仿真分析加载及边界条件、计算结果进行准静态压缩试验平台的搭建。参照图3-图5，车体准静态试验平台由测力系统、数采系统和测试系统组成。其中测力系统由加载端2、纵向支撑端3、垂向荷重传感器6及横向荷重传感器4组成。车体结构由试验转向架结合空簧处垂向荷重传感器支撑在轨道上，纵向支撑端与车体端梁位置相接触，在一位端进行加载。纵向支撑端的固定结构通过与防爬齿以及碰撞柱接触，提供纵向支持。考虑到纵向力有可能会超过底架端梁中部的吸能蜂窝的触发平台力，因此固定结构与防爬齿的接触位置在底架端梁的两侧。为保证加载时车体不会发生横向扭转而出现意外，在车体长度方向布置有横向止挡结构5。碰撞柱加载端的载荷由固定在加载机构上的液压缸1提供。液压缸的位置可以全位置调整，以适应ASMERT-2-2014标准中规定的对不同位置进行不同加载位置的试验要求。其中，加载液压缸的推进速度为20mm/min。由于该整车试验的加载不在车体纵向中心线上，会产生一个横向弯矩，使车体发生横向扭转。因此，在车体两侧布置有横向止挡结构，以提供足够的支撑及防护。横向止挡结构用螺栓固定在整体固连框架上，每一侧4个，共计8个。其中，靠近加载端的2个止挡安装有力传感器，并且与底架端梁侧面保持接触，用以监测横向作用力。其余6个横向止挡距离车体最外沿保持10mm的间隙，仅起保护作用，正常情况下不与车体接触，从而不会传递横向作用力。该试验平台使用力传感器、位移计、应变片以及数采等主要设备，每种设备的具体安装方式和数量根据各不同车型试验工况的不同有所差异。并且该试验需使用至少两种数据采集系统，并需要保证所有数据采集系统之间时间同步，因此需要设计出同步信号触发器进行各数据采点归零。2、在试验中，应该保证试验加载条件与仿真分析所用的边界条件一致。在正式试验前对整车按实际运营条件进行配重，例如波士顿地铁车辆理论重量为34吨，在试验中实际配重为34.076吨。在加载端布置1台高清摄像机，进行记录碰撞柱变形。将被测验的碰撞柱及车体放置在试验转向架上，连接垂向荷重传感器。在二位端安装纵向支撑，一位端施加纵向载荷。连接纵向及横向荷重传感器，保证所有传感器清零。加载区域中心高度为端梁底架上表面457mm高度处，最小加载距离为100mm，加载端为边长为150mm的正方形区域。调整好位移计工装7，保证其仅与地面接触，调整相应数采。依据试本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于ASME标准车体准静态分析设计优化方法，其特征在于包括下列步骤：(101)利用HYPERMESH软件建立车体有限元模型，设定单元类型、接触关系、材料属性，然后定义由基础试验数据得来的真实材料应力‑应变曲线、加载曲线、并定义输出信息；(102)输出计算文件提交LS‑DYNA平台计算；(103)读取LS‑DYNA计算结果，依据计算结果进行分析判断，如果满足设计要求，分析结束，如果无法满足设计要求返回(101)步修改设计参数重新计算；(104)车体准静态分析设计优化结束。

【技术特征摘要】
1.一种基于ASME标准车体准静态分析设计优化方法，其特征在于包括下列步骤：(101)利用HYPERMESH软件建立车体有限元模型，设定单元类型、接触关系、材料属性，然后定义由基础试验数据得来的真实材料应力-应变曲线、加载曲线、并定义输出信息；(102)输出计算文件提交LS-DYNA平台计算；(103)读取LS-DYNA计算结果，依据计算结果进行分析判断，如果满足设计要求，分析结束，如果无法满足设计要求返回(101)步修改设计参数重新计算；(104)车体准静态分析设计优化结束。2.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：王科飞，张春玉，王璐，
申请(专利权)人：中车长春轨道客车股份有限公司，
类型：发明
国别省市：吉林,22