專利名稱：一種軸對稱變形矩形管狀吸能裝置的設計方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種吸能裝置的設計方法，尤其涉及一種軸對稱變形矩形管狀吸能裝置的設計方法，主要用于軌道車輛的吸能防爬器。
背景技術：
薄壁方管的大變形和吸能分析是從車輛耐撞性實驗研究和抗爆結構設計等工程實際中提出來的。大量實驗研究表明，設計合理的吸能系統(tǒng)不僅能有效吸收碰撞或爆炸產(chǎn)生的動能，而且能根據(jù)設計要求控制傳遞的載荷，確保結構的安全可靠。
近10多年來抗撞擊車輛的設計研究己成為許多國家在鐵路機車車輛、城市軌道車輛(地鐵、輕軌車輛)的結構設計中的重要課題之一，通過提高客室的抗撞擊性，在車體的特定部位設置碰撞能量吸收裝置和防爬裝置，達到發(fā)生意外碰撞時能吸收大部分碰撞動能和防止車輛交疊的目的，從而最大限度地減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。吸能防爬器作為吸能和防爬裝置，由于車體結構制造和焊接特點，其上的吸能元件主要有薄壁方管組成。矩形方管受軸向撞擊時，在開始階段所受到的沖擊載荷要遠遠大于圓管，但隨后，其所受的軸向沖擊載荷便降低很多，其平均值要小于圓管的，因此，從沖擊力的角度來看，作為能量吸收裝置矩形方管要比圓形方管差一些，但是薄壁矩形梁受沖載荷在第一個峰值過后，波動便較小，吸能性能穩(wěn)定、易于約束、失效模式重復性好及加工方便等優(yōu)點，現(xiàn)已被廣泛的應用于耐碰撞地鐵車體結構設計中。
以目前地鐵上常用的從孟買引進的吸能防爬器為例，如

圖1所示，其前端是防爬結構，中間是導向結構，其后端是吸能元件。當車體端部吸能防爬器接觸，兩對防爬器上齒形槽交疊而相互嚙合在一起，從而使防爬結構后面的吸能元件僅受到縱向沖擊而發(fā)生有序疊縮的塑性變形吸收沖擊能量，如圖2所示。吸能元件由2個88mmX96mmX355mm的薄壁方管組成，壁厚4mm，共由5塊薄板焊接而成，中間板上有兩個誘導孔(靠近沖擊端)，研究發(fā)現(xiàn)該吸能元件撞擊力較小，沖程較短，需要改進。同時，各車廂之間能量吸收裝置具有吸能能力， 和能量吸收裝置在整車碰撞中實際發(fā)揮多大的吸能能力是兩碼事，當頭車和第二節(jié)車廂之間的能量吸收裝置達到最大安全壓潰沖程，后面車傳給頭車的沖擊最小，各車廂能量吸收裝置將發(fā)揮最大功效。也就是說，為了充分發(fā)揮后面車能量吸收裝置的功效，頭車能量吸收裝置剛度應高于后面車的能量吸收裝置剛度，頭車和后面車的吸能防爬器上吸能元件應設計成不同。也就是說，我們需要的是根據(jù)整車碰撞要求和車鉤緩沖裝置而做出相應調(diào)整的頭車和后面車具有不同吸能能力的吸能防爬器的設計方法。
此外，薄壁方管作為一種耐撞吸能結構，其本質是一類可壓縮結構?？蓧嚎s結構是利用自身的不可逆破壞有效地耗散沖擊能量的耐撞吸能結構的總稱?？蓧嚎s結構緩沖技術已在航空航天工程中被普遍采用。在國防建設中，針對現(xiàn)代迅速發(fā)展的高強度、大當量爆炸產(chǎn)生的爆炸沖擊載荷，采用過去的高強度、高剛度的純剛性設計概念進行防護工程結構件設計，難以滿足某些機動性和安全性同時達到技術指標的要求。一種引入緩沖、吸能機理的半剛性設計概念出現(xiàn)在現(xiàn)代防護工程設計中。在這一新概念的引導下，基于鋼管在高速動力載荷下的流動性(屈曲發(fā)展)和吸能特性，針對爆炸載荷的爆炸效應，鋼管開始被應用于軍事防護工程設施。
遺憾地是，目前尚未有人提出完整準確的吸能防爬器使用的矩形管狀吸能裝置的機理模型，其設計大量依賴于實驗，時間、人力、物力的耗費巨大。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種軸對稱變形矩形管狀吸能裝置的設計方法，該方法所依據(jù)的數(shù)學模型綜合考慮了非線性瞬態(tài)動力學、結構動力學、材料力學和塑性應力波等方面，能有效降低矩形管狀吸能裝置設計對實驗的依賴性，節(jié)省時間、人力及物力。
本發(fā)明具體通過以下技術方案解決上述技術問題一種軸對稱變形矩形管狀吸能裝置的設計方法，所述矩形管狀吸能裝置的材料及幾何尺寸根據(jù)以下數(shù)學模型確定，
權利要求
1.一種軸對稱變形矩形管狀吸能裝置的設計方法，其特征在于，所述矩形管狀吸能裝置的材料及幾何尺寸根據(jù)以下數(shù)學模型確定，
2.如權利要求1所述軸對稱變形矩形管狀吸能裝置的設計方法，其特征在于，該方法還包括利用下述三種方法中的至少一種對所述矩形管狀吸能裝置的彎曲剛度進行增強1)減小所述矩形管狀吸能裝置的管長；2)在所述矩形管狀吸能裝置軸向上增設活動支承；3)在所述矩形管狀吸能裝置徑向增設加強筋。
3.如權利要求2所述軸對稱變形矩形管狀吸能裝置的設計方法，其特征在于，所述在矩形管狀吸能裝置軸向上增設活動支承，具體是指在矩形管狀吸能裝置軸向上增設至少一個與其串聯(lián)的矩形管狀吸能裝置。
4.如權利要求2所述軸對稱變形矩形管狀吸能裝置的設計方法，其特征在于，所述在矩形管狀吸能裝置徑向增設加強筋，具體是指在所述矩形管狀吸能裝置的管壁屈曲半波長處增加T形截面的筋板。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種軸對稱變形矩形管狀吸能裝置的設計方法，主要用于軌道車輛的吸能防爬器吸能元件設計。本發(fā)明通過對薄壁方管軸向動力屈曲的作用機理進行研究，從塑性應力波的傳播速度和薄壁方管全長的彎曲剛度的角度解釋了軸對稱變形方管較圓管易于設計的原因，建立了塑性橫、縱波傳播速度和平均撞擊力的數(shù)學模型，揭示了薄壁方管軸對稱動力屈曲的動載荷特點，用來對矩形管狀吸能裝置的設計進行指導。相比現(xiàn)有技術，本發(fā)明所建立的數(shù)學模型能夠對矩形管狀吸能裝置軸向動力屈曲的作用機理進行科學地闡釋，并指導矩形管狀吸能裝置的設計，可節(jié)省大量的時間、人力及物力，對于工程實踐具有重要指導意義。
文檔編號G06F17/50GK102521449SQ201110410060
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月12日 優(yōu)先權日2011年12月12日
發(fā)明者晉萍, 聶宏 申請人:南京航空航天大學