一种基于参数化设计的整车碰撞仿真方法

摘要

本发明涉及一种基于参数化设计的整车碰撞仿真方法，属于非线性有限元和非线性多体动力学领域。本方法用非线性有限元软件算出各吸能元件的撞击力-冲程，根据吸能元件串/并联吸能特性确定各车厢之间能量吸收装置的等效总刚度，然后建立了基于参数化设计的整车碰撞动态性能分析模型，结合约束条件得到吸能元件吸能特性的最佳组合，从而得到整车碰撞中各车厢的运动和纵向载荷的最佳值。本方法将非线性有限元和非线性多体动力学两者结合起来进行整车碰撞仿真研究，建立的模型模拟了材料的非线性和弹塑性变形，同时将头车的碰撞仿真分析扩展到整车。

主权项

1.一种基于参数化设计的整车碰撞仿真方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1，确定整车各吸能元件的撞击力-冲程图，确定各车厢之间能量吸收装置的等效总刚度，所述能量吸收装置包括多个吸能元件，具体步骤如下：步骤1-1，采用非线性有限元分析方法进行数值仿真求解或者实验得到吸能元件的撞击力--冲程图；步骤1-2，确定能量吸收装置的等效总刚度：当吸能元件并联时，且各吸能元件的变形不耦合，并联后的刚度大小为各吸能元件原有撞击力相加，冲程不变；当吸能元件串联时，串联后的刚度大小为各吸能元件原有冲程相加，撞击力不变；步骤2，定义整车碰撞力学模型，用u₁,…,u_N的N个坐标来描述车厢m₁,…,m_N从静平衡位置算起的位移,f₁,…,f_N是作用在车体m₁,…,m_N上的摩擦力,N为总车厢数，F₁(u)，…,F_N(u)是头车和其它车的能量吸收装置的等效作用力,按Newton第二定律写出N节车厢的运动微分方程：$m_1{\stackrel{··}{u}}_1=F_2(u_2-u_1)-F_1\left(u_1\right)+f_1$$m_2{\stackrel{··}{u}}_2=F_2(u_3-u_2)-F_2(u_2-u_1)+f_2$$\begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}$$m_{N-1}{\stackrel{··}{u}}_{N-1}=F_2(u_N-u_{N-1})-F_2(u_{N-1}-u_{N-2})+f_{N-1}$$m_N{\stackrel{··}{u}}_N=-F_2(u_N-u_{N-1})+f_N$其中，u₁(0)=u₁₀,…,u_N(0)=u_N0，u₁(0),…,u_N(0)、分别为系统中各车厢的初始位移和初始速度；步骤3，利用多体动力学软件对步骤2得到的整车碰撞力学模型进行基于参数化设计的数值仿真求解，具体步骤如下：步骤3-1，引入设计变量表示各吸能元件的撞击力和冲程，建立头车与其它车能量吸收装置刚度的STEP运行过程函数；所述头车的STEP运行过程函数为：step(-TL,0,0,2*DV_2/DV_1,DV_2)+step(-TL,2*DV_2/DV_1+2*DV_3,0,2*DV_2/DV_1+2*DV_3+0.0001,2*DV_4-DV_2)；所述其它车的STEP运行过程函数为：step(-HL,0,0,2*DV_6/DV_5,DV_6)+step(-HL,2*DV_6/DV_5+2*DV_9,0,2*DV_6/DV_5+2*DV_9+0.0001,DV_8)+step(-HL,2*DV_6/DV_5+2*DV_7,0,2*DV_6/DV_5+2*DV_7+0.0001,-DV_6)；其中，TL为头车能量吸收装置压溃距离,HL为其它车能量吸收装置压溃距离，DV_1为头车缓冲器刚度，DV_2为头车压溃管撞击力，DV_3为头车压溃管冲程，DV_4为头车吸能元件撞击力，DV_5为其它车缓冲器刚度，DV_6为其它车压溃管撞击力，DV_7为其它车压溃管冲程，DV_8为其它车吸能元件撞击力，DV_9为其它车压溃管并联吸能元件的冲程；步骤3-2，设车厢之间能量吸收装置的单作用力函数为IF(相对速度+0.001：STEP运行过程函数，STEP运行过程函数，STEP(相对速度，-0.001，STEP运行过程函数，0，0))，该表达式即为F₁(Δu)、F₂(Δu)的力学机理表达式，头车和其它车运行过程函数不同，建立步骤2所述运动微分方程的仿真模型，其中：F₁(Δu)、F₂(Δu)表示头车和其它车的能量吸收装置的等效作用力；步骤3-3，分别对步骤3-1所述的各设计变量在其取值范围内取若干数值进行仿真分析，获得各车厢能量吸收装置压溃冲程的变化对吸能元件撞击力、冲程等参数变化的敏感程度；步骤3-4，结合列车车体的承载能力以及优化条件，对敏感程度大的设计变量做参数优化分析，设定设计变量的变化范围以及整车碰撞力学模型的约束条件，求解步骤2建立的微分方程组，得到满足约束条件的吸能元件撞击力和冲程最佳值；所述参数优化分析的优化目标为第二节车厢的能量吸收装置压溃冲程的模值最大；所述约束条件指头车和第二节车厢能量吸收装置压溃冲程的模值小于头车和第二节车厢能量吸收装置的最大安全压溃冲程的模值。