基于构型错位补偿理念的多管组合结构耐撞性设计

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中文摘要：目前铁道车辆吸能装置的研究大多从单管优化设计和多管组合应用两个方面开展。前者存在结构形式复杂、工艺流程繁杂、吸能量提升瓶颈等缺陷。相比较而言，多管组合应用是一种更为高效便捷的吸能量提升思路，但由于缺乏系统化的组合设计方法，各管相互重叠的载荷曲线易致使组合结构的初始峰值和后续载荷波动出现显著放大，无法实现碰撞动能的平稳耗散。为克服上述缺陷，探究了载荷曲线形成时序的影响规律，提出了可实现各管载荷曲线产生有效分离的控制手段，总结了适合多管组合结构的构型差异化设计方法，构建了可兼顾高吸能量、低初始峰值、小载荷波动等优异吸能特性的嵌套多管组合结构设计框架。首先，以典型薄壁吸能元件为研究对象，分析了宏观变形时序与载荷-位移曲线形成时序之间的演变规律，建立了面向载荷曲线形成时序的单元理论模型，揭示出塑性铰形成位置是影响褶皱变形时序的关键影响因素，进而确定了三种可用于控制载荷曲线形成时序的构型参数，并基于实验验证了有限元模型的准确性。其次，确定了单管结构中构型尺寸和数量的较优组合，构建了可服务后续多管协同设计的力学性能理论模型，分析了局部/全局高度差对载荷曲线形成时序的影响规律，量化了构型移动距离对载荷曲线形成时序的影响规律，进而提出了单管载荷-位移曲线形成时序的控制方法。然后，提出变构型分布设计在多管组合结构中的应用方法，量化了管件数量对变构型分布多管结构吸能特性的影响，通过引入局部高度差弥补了变构型分布设计的缺陷，并在此基础上总结了可指导多管协同设计的构型差异化设计方法。最后，基于嵌套组合的思路展开了高度差-变构型分布多管结构的吸能特性提升研究，确定了吸能特性最优且适合于多管协同设计的嵌套组合模式，并通过与典型吸能结构的对比分析和整车碰撞仿真分析进一步验证构型差异化多管组合结构的吸能优势和实际应用价值。结果表明，在相近宏观尺寸和吸能量下构型差异化嵌套多管结构的初始峰值和载荷波动会比多胞薄壁结构分别降低47.33％和22.31％。此外，在10m/s的整车碰撞工况下构型差异化多管结构的设置可以使初始峰值载荷和载荷波动分别降低56.74％和69.69％。综上，基于多管载荷-位移曲线错位补偿思路的构型差异化设计方法可以有效解决高吸能量、低初始峰值、小载荷波动等优异吸能特性难以兼容的技术瓶颈，能为多管组合式吸能装置在铁道车辆中的应用提供充足的数据及理论支撑。

作者：

冯哲骏

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关键词：

铁道车辆吸能装置多管组合结构构型差异化设计错位补偿

授予学位：

博士

学科专业：

交通运输工程；载运工具运用工程

导师：

谢素超

学位年度：

2023

学位授予单位：

中南大学

语种：

中文

中图分类号：