上海地铁6-8号线吸能结构的抗撞性优化

陈秉智;车全伟;谢素明;兆文忠

【摘 要】以上海地铁6-8号线前端吸能结构为载体,应用碰撞仿真软件PAM-CRASH和多学科协同优化软件iSIGHT进行碰撞数值模拟分析和吸能结构优化,得到吸能结构在大变形碰撞时的变形模式及各碰撞参数,并对动车组的吸能结构进行评估及最优设计,实现车辆的被动安全保护和耐撞性优化设计,为吸能部件的再生产和研发提供必要的理论依据.%Taking Shanghai subway vehicle of line 6-8 as a carrier, PAM-CRASH crash simulation software and multi-disciplinary collaborative optimization software iSIGHT are used for crash simulation analysis and optimization of energy-absorbing structures to obtain the deformation mode of the vehicle and the collision impact parameter in the large deformation and energy-absorbing structure for the assessment and optimal design of achieving the passive safety protection and

crashworthiness optimization, which provides the necessary theoretical basis of energy-absorbing components for the reproduction and development

【期刊名称】《大连交通大学学报》 【年(卷),期】2011(032)004 【总页数】5页(P6-10)

【关键词】耐撞性;吸能结构;优化设计 【作 者】陈秉智;车全伟;谢素明;兆文忠

【作者单位】大连交通大学交通运输工程学院,辽宁 大连 116028;大连交通大学交通运输工程学院,辽宁 大连 116028;大连交通大学交通运输工程学院,辽宁 大连 116028;大连交通大学交通运输工程学院,辽宁 大连 116028 【正文语种】中 文 0 引言

提高列车安全保护，尽可能避免碰撞事故发生的同时，进一步改进车辆自身结构，使其在碰撞事故发生时造成的损失降到最小，对提高列车运营安全性具有重要意义.要实现车辆结构被动安全保护，对车体结构提出了“耐撞性”这一新的要求［1-3］.如何快速有效地进行机车车辆大变形碰撞仿真模拟是进行机车车辆耐撞性设计、提高机车车辆碰撞安全性的技术关键.国外对铁路及城市轨道车辆被动安全防护技术的研究已有了长足的进展，耐撞击结构设计思想已在新型车辆设计中得到了普遍采纳［4-7］.在国内，对铁路车辆头部耐碰撞设计的研究尚属起步阶段.本文结合实际的工程项目，以上海地铁6－8号线车体作为模型，在PAM-CARSH平台上对其车体进行被动安全性及耐撞性优化分析.本文在对上海地铁6－8号线车体碰撞仿真分析的基础上，用优化分析的方法和理论，利用多学科协同优化软件iSIGHT与碰撞仿真分析软件PAM-CRASH的集成，基于序列线性规划法SLP和混合整型法MOST两种优化算法，在尽可能降低车体质量并保证人员安全的前提下，对上海地铁6－8号线车体的吸能结构进行吸能优化，确定合理的吸能结构参数，以吸收足够的撞击能量，保证人员的安全，为企业提供了重要的理论依据，具有非常重要的现实意义和工程应用价值. 1 碰撞有限元仿真理论基础

机车车辆的结构碰撞是一个瞬态的复杂的物理过程.它包含以大位移、大转动和大

应变为特征的几何非线性，以材料弹塑性变形为特征的材料非线性和以接触摩擦为特性的边界非线性.正因为机车车辆碰撞涉及到结构大变形、大应变和材料的弹塑变形为特征的材料非线性和以接触摩擦为特征的状态非线性等因素，其求解过程非常复杂.尽管如此，任何结构的运动与变形是有一定的规律的，这碰撞过程中，任何结构都要满足质量守恒、能量守恒定律以及物体的运动方程.对此类问题的分析求解要求解一个给定初始条件和初始边界条件的偏微分方程.对于此类动态接触问题，目前，在国外广泛地用于大变形碰撞问题的主要应用软件，其算法都是基于以下方程:

式中，σij为柯西应力;fi为单位质量体积力;为加速度.

式中，γ为相对体积;ρ为当前质量密度;ρ0为初始质量密度.

式中，ij为应变率张量;q为体积粘性阻力;偏应力Sij= σij+(p+q)σij;压力p=－σkk/3－q，V为现时构形的体积.

车辆大变形碰撞问题是显式动力分析，最大的困难是耗费机时过多，显式积分的每一时步，单元计算的机时占总机时的主要部分.通常为提高计算效率而采用单点高斯积分进行单元计算，但是单点积分单元容易产生零能模式(采用缩减积分导致的使应变能为零、而自身有别于刚体运动的位移模式称为零能模式)，又称沙漏模式，它的存在将使解答失真，甚至求解无法进行，因此，在实际分析中必须防止沙漏模式的出现.

2 上海地铁车吸能结构的优化与分析 2.1 优化模型

在碰撞过程中，承载区的许多零件都参与碰撞变形，但是保证结构耐撞性的关键是

能够控制主要吸能件的变形.在不同的车型中，虽然主要吸能部件的几何形状有所不同，但是普遍认为薄壁构件的塑性屈曲变形，可以充分发挥材料的特性，耗散非常多的碰撞能量.因此现有对吸能的研究都从形状相对简单的薄壁管件开始. 本文主要是采用上海地铁车6－8号线车体的前端吸能结构进行优化.考虑到此次优化结构主要是车体前端吸能结构，同时为了减少计算时间，增加计算效率，因此在模型的建立过程中对上海地铁车体结构进行了主要的简化工作，车体结构主要以单元尺寸大小为300mm的六面体网格为主.车体前端吸能结构不进行任何简化，主要是采用单元尺寸为30mm的四边形单元.上海地铁的优化模型如图1所示. 图1 简化的计算模型模型

带有吸能结构的车体在碰撞过程中，其前端吸能部件作为主要的吸能结构是撞击过程中主要的吸能区域，同时车体前端地板也是主要吸能部件.

上海地铁的车体总重量为35.978 t，其中包括车体质量，设备质量及车内满员质量.在优化计算中，参考上海地铁6－8号线的模拟撞击速度，设定该车以15 km/h的运行速度撞击刚性墙，在地铁车撞击刚性墙前，车体的动能与车体的总能量是相等的，其值为312 809 J.

该简化模型在以15 km/h的速度撞击刚性墙时，位于车体前端的吸能结构是本次撞击过程的主要吸能部件，其次是车体前端地板区域.在本次优化计算中，以车体吸能结构至少吸收碰撞总能量的75%为依据［8］，通过对吸能结构各部分的板厚h进行调整优化，撞击结束后，在保证吸能结构吸收总能量的75%这个数值的前提下，以吸能结构各部分的筋板及薄壁厚度最薄，即得到的吸能结构质量最小作为本次优化的目标函数，从而实现吸能结构轻量化的目的.

考虑到在工程结构优化中常常使用到得两种常用优化算法:混合整型优化法MOST(Mixed Integer Optimization)和序列线性规划法SLP(Sequential Linear Programming)，故本文通过对比两种算法的计算结构来考察其对吸能结构轻量化

程度.

在简化的计算模型中，车体的端部吸能结构主要由6个PART组成，其中起到吸能作用的主要有3 个 PART，分别为 PART162，PART163，PART164，分别是车体的吸能结构的外部薄壁以及内部筋板部件，本次优化，主要考虑把这3个PART的厚度作为本次优化过程的设计变量，分别为A123456789，B123456789，C123456789，并赋予一定的初值进行计算.其中，H为三个变量总和: H=A123456789+B123456789+C123456789 在优化计算前，给定如下条件:

式中，E吸假定是车体前端吸能结构吸收的最小能量，为碰撞总能量的75%. 约束条件:E≥E吸 目标函数:H↓(最小)

本次上海地铁6－8号线车体端部优化的初始参数见表1所示.

表1 初始参数汇总表初始条件设计变量约束函数 目标函数A123456789=4mm B123456789=5mm C123456789=6mm H=A123456789+B

123456789+C123456789=15mm E吸 =E总 ×75%=234 606 J(吸能结构最少吸收的能量)H↓(最小)工况优化算法1 优化算法2 车体质量/t 运行速度/(km·h－1)混合整型优化法MOST(Mixed Integer Optimization)序列线性规划法SLP(Sequential Linear Programming)35.978 15 2.2 结构优化流程

图2是对车体吸能结构的优化流程图.主要过程是iSIGHT优化软件不断的调用PAMCRASH求解器，利用不同的优化方法，通过改变三个变量的数值来实现对车体吸能结构优化的过程.通过不用优化算法的结果数据与原始结果数据的比较，包括计算效率，轻量化，总吸能量等参考标准，来确定哪种方法更适宜对车体前端进

行优化.

由图2看出，优化流程需要四类文件，包括模型文件、后处理录像文件、输出文件以及批处理文件. 图2 iSIGHT优化流程图

*.pc与*.template是模型文件，文件中包含模型的节点，单元，载荷等全部信息，*.template文件是临时模型文件，在迭代过程中通过改变该文件中的变量值来达到继续进行计算的目的.

在变量设置界面中，主要包括设计变量，约束条件及目标函数三类参数的设置.在本次计算中，需对三个设计变量设定范围，同时提供约束条件，即吸能结构在撞击结束时吸收的能量不低于车体运行总能量的75%.最后对目标函数进行选定，从图3中可以看到，目标函数H↓. 图3 变量参数设置界面 2.3 优化分析结果

初 始 设 计 变 量 A123456789 =4mm，B123456789=5mm，

C123456789=6mm 时，在初始设计变量数值基础上，模型的总能量为312 808 J，吸能装置总吸能为261 011 J.

比较两种优化算法:混合整型优化法MOST与序列线性规划法SLP，设计变量随迭代次数的变化值如下，图4是序列线性规划法SLP优化变量图，图5是混合整型优化法MOST优化变量图，两种方法的目标函数迭代折线对比图如图6所示. 图4 设计变量迭代折线图(序列线性规划法) 图5 设计变量迭代折线图(混合整型法)

图6 序列规划法(左)与混合整型法(右)的目标函数迭代折线图对比图 具体的优化结果如表2所示.

表2 优化结果对比设计变量A/mm 设计变量B/mm 设计变量C/mm 目标函数

H/mm 总能量/J原始计算45615 312 808序列线性规划法 4.82 1.05 1.04 6.91 312 808混合整型法 1.63 2.67 3.65 7.95 312 808吸收能量/J 优化时间/h 轻量化/% Total runs Feasible runs原始计算261 011 0序列线性规划法 238 765 78.92 53.93 134 82混合整型法234 712 73.72 47 124 48

从以上的iSIGHT优化结果对比图可以看到，序列线性规划的值在后期迭代过程中，目标函数值与设计变量更加趋于稳定.从表2可以看出，计算模型在序列线性规划法下的目标函数值6.91，减轻了53.93%，该目标函数值比混合整型优化目标值小.同时，模型采用序列线性规划法计算的模型运行总时间为78.92 h，总循环次数为134次，其中有效循环次数为82，比采用混合整型法计算的模型的有效循环次数高.综上所述，线性规划法在解决此类问题时要好于混合整型法. 3 结论

本文在大变形碰撞数值仿真的基础上提出了吸能优化的数学模型，将上海地铁6-8号线车体模型简化，利用PAM-CRASH和iSIGHT的集成，采用序列线性规划法SLP和混合整型法MOST两种优化算法对吸能结构进行吸能单目标优化，以及考虑轻量化和吸能的多目标优化，为吸能部件的再生产和研发提供必要的理论依据. 参考文献:

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