高速列车吸能结构开孔设计及结构优化

分类：电子论文 时间：2022-01-17 热度：392

　　摘要：通过在高速度列车端部的多胞吸能结构中加入纵向开孔方案，来提高结构的耐撞性能。研究通过有限元软件 LSDYNA 建立开孔结构的有限元模型，并通过动态冲击试验验证该模型的准确性。在此基础上，提出使用径向基函数代理模型(Radial Basis Function，RBF)和深度信念网络(Deep Belief Network，DBN)结合构建吸能结构的混合代理模型。采用多目标遗传算法对开孔的位置、大小以及结构的厚度进行参数优化设计，以峰值力(Peak Crash Force， PCF)和比吸能(Specific Energy Absorption， SEA)为优化目标，寻找最佳的开孔参数。研究结果表明：在多胞结构中进行纵向开孔设计能够有效提高结构耐撞性能，尤其在结构的峰值力和比吸能上有着较好的效果。此外，对比 RBF 代理模型和混合代理模型的耐撞性指标的拟合精度，RBF 代理模型在经过 DBN 优化后，吸能量(Energy Absorption，EA)代理模型的最大相对误差和平均相对误差分别从 12%和 8%降低到 4%和 2%。比吸能代理模型的最大相对误差和平均相对误差分别从 9%和 5%降低到 5%和 2%，说明混合代理模型能够进一步提高 RBF 代理模型的精度。和初始开孔设计相比较，优化后的开孔方案在保持原有吸能量的基础上，使结构的比吸能从提高 2%到提高 6%，峰值力从降低 3%到降低 7%，优化后的开孔参数更为合理。

　　关键词：开孔结构;耐撞性优化;混合代理模型;多胞结构;冲击试验

　　吸能结构在列车被动安全保护领域中有着重要的作用，其中薄壁吸能结构以其质量轻、吸能效率高而被广泛应用于吸能结构的设计中。研究人员和工程师们通过改变结构横截面形状、在结构中进行填充设计形成复合结构、在结构中使用诱导设计等多种方式来提升吸能结构性能[1]。在薄壁结构中引入开孔属于诱导设计中的一种方式，其特点是在吸能结构长度较长时，能够有助于避免结构的整体弯曲，同时在降低结构的初始冲击力上有着明显的效果[2]。许多学者对于开孔结构的力学特性进行了深入的研究， SONG 等[3-4]研究了不同大小的方形开孔结构对于方管的吸能特性影响，研究结果显示，在轴向和斜向冲击工况下，孔的大小主要影响结构的初始峰值力，同时，引入开孔设计能够改变结构的变形模式。TRAN 等[5]在结构的端部添加了多个圆形孔结构，降低了吸能结构的峰值力。NIKKHAH 等[6-7]对结构的水平方向开孔数量和纵向的开孔数量进行研究，结果显示，增加水平方向开孔数量有利于降低峰值力，而纵向上的开孔数量则关系到结构吸能量和变形模式。通过以上文献研究发现，对于开孔设计的研究在开孔形状上更为细致，在对于纵向开孔位置的研究中，学者们大部分采用的方法是，先确定开孔数量，纵向孔与孔之间采用固定距离或者平均分布于结构上，对于合理的开孔距离没有做出更进一步的研究，本文尝试研究通过改变纵向孔之间距离和孔的大小来提高结构的耐撞性能。开孔结构依托于某型号高速动车组前端多胞吸能结构，使用多目标优化设计方法以及代理模型方法对多胞吸能结构的开孔方案进行多目标优化设计，得到合理的纵向开孔分布。在多目标优化设计过程中，引入混合深度代理模型[8]对开孔结构进行多目标优化设计。

　　1 开孔结构的几何结构和有限元模型

　　1.1 几何结构说明

　　如图 1 [9]所示，本文以某高速列车的多胞吸能结构作为研究对象，由四个边长为 56mm 的正六边形组合而成，4 条棱将六边形连接起来，组成一个五胞结构。在六边形和棱连接角度成 120°的边上进行圆形开孔设计，图 2 显示了初始多胞结构开孔位置的说明，在结构折叠处进行开孔，端部距离第一个开孔位置有半个折叠波长，随后在每一个同侧折叠位置增加一个开孔。本文的研究对象为孔与孔之间的距离，折叠过程中，每个折叠的波长相差不大，因此，将折叠的半波长用为变量 d 表示，第一个孔的位置由一个半波长确定，孔与孔之间的距离则由两个半波长确定。根据试验过程中多胞结构的折叠结果，结构平均折叠波长约为 80mm，因此第一个孔放置在距端部位置 40mm 处，随后在下一个同侧折叠位置放置第二个圆形孔，依此类推，两个孔之间的距离为 80mm，初始孔半径设置为 r = 15mm。整个结构长度为 550mm，结构厚度为 5mm，由于高速列车吸能结构要求较高的吸能量[10]，在水平方向上的孔设置为 2 个，在纵向方向上设置 6 个圆形孔。

　　1.2 有限元模型

　　本文主要研究开孔多胞结构的冲击行为，使用非线性有限元分析软件 LS-DYNA 进行数值模拟计算，有限元模型主要有 4 个部分组成(图 3)：多胞开孔吸能结构(图 4)、碰撞试验小车、标准轨道和固定刚性墙。吸能结构为 6008 铝合金材料，为了精确模拟吸能结构的变形，采用了 5 mm×5 mm[11]的 Beltschko-Tsay 四边形壳单元对多单元吸能结构进行了建模，多胞结构的前后端板采用实体单元进行建模。同时，为了减小计算量，对模型中的试验小车和轨道分别采用 30mm×30mm 和 40mm×40mm 的单元尺寸。吸能结构的接触采用“AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE”方法，吸能结构与试验小车、轨道的接触采用“AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE”方法，静态摩擦系数定义为 0.3，动态摩擦系数定义为 0.1[12]，轨道使用全约束，重力加速度设定为 9.8N/kg，试验小车质量为 2 吨，以指定速度撞击刚性墙。多胞结构的材料参数设置参照论文[9]中的材料参数设置，使用 LS_DYNA 中的 MAT_24 来定义多胞能量吸收结构的材料，其中密度

文章名称：高速列车吸能结构开孔设计及结构优化

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