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切削式吸能过程仿真研究

作　者: 常宁
导　师: 刘国伟
学　校: 中南大学
专　业: 载运工具运用工程
关键词: 轨道车辆切削式吸能结构显式有限元仿真
分类号: U270.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 48次
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内容摘要

在当今世界上,各种车辆、船舶、飞行器的数量越来越多,速度越来越快,碰撞事故也随之日益增加,每年都要造成严重的生命和财产损失。能量吸收装置可在碰撞发生时吸收大部分动能,最大限度地减少人员伤亡和财产损失。对能量吸收装置进行深入研究,减少由此产生的社会经济损失有着非常重要的意义。本文以轨道车辆为研究对象,利用金属切削过程可吸收能量的原理,在金属切削研究和轨道车辆吸能研究的交叉领域内,提出一种利用切屑生成过程进行吸能、用于轨道车辆被动安全的新型装置——切削式吸能装置。利用显式有限元软件ANSYS/LS-DYNA,对切削式吸能过程进行了三维仿真,得到了切削式吸能过程中能量和切削力的时程曲线。与压溃型吸能元件相比,在撞击条件完全相同的情况下,两种吸能元件在撞击过程中吸收的能量随时间的变化趋势均是一致的；切削式吸能过程可以在更短的时间内吸收更多的能量；切削式吸能过程具有更强的降低撞击力峰值的能力；对撞击力峰值出现时刻的调控能力更强。详细分析了切削深度、切削初速度、刀具前角、刀具宽度、刀具材料、工件材料六个参数对吸能过程吸能能力的影响,得到了各个参数对吸能过程影响的规律。利用回归分析的方法,建立切削式吸能过程的切削力、能量预测模型,并对该模型的回归方程和系数进行了显著性检验,分析了切削深度、切削初速度、刀具前角、刀具宽度四个因素对吸能过程影响程度的大小。本文的研究结果对切削式吸能过程的进一步深入研究,切削式吸能装置的工程设计将有较好的指导作用。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-20
  1.1 本课题背景与意义  10-13
    1.1.1 研究背景  10-12
    1.1.2 研究意义  12-13
  1.2 国内外研究现状  13-16
    1.2.1 国内外轨道车辆吸能装置研究现状  13-15
    1.2.2 金属切削过程研究现状  15-16
  1.3 本文研究内容、研究方法和技术路线  16-20
    1.3.1 研究内容  16-17
    1.3.2 研究方法  17-18
      1.3.2.1 试验研究  17-18
      1.3.2.2 数值模拟  18
    1.3.3 技术路线  18-20
第二章轨道车辆吸能装置  20-26
  2.1 典型能量吸收装置  20-24
    2.1.1 承载吸能结构  20-23
    2.1.2 专用吸能元件  23-24
  2.2 切削式吸能装置  24-25
  2.3 本章小结  25-26
第三章切削式吸能过程有限元仿真  26-48
  3.1 吸能过程仿真的显式非线性有限元理论  26-35
    3.1.1 控制方程  26-28
      3.1.1.1 运动方程  26-27
      3.1.1.2 边界条件  27-28
      3.1.1.3 本构方程  28
    3.1.2 显式积分算法  28-29
    3.1.3 时间步长的控制  29-31
    3.1.4 接触碰撞算法  31-32
    3.1.5 材料本构关系模型  32-34
    3.1.6 沙漏模式及控制途径  34-35
  3.2 切削式吸能过程仿真的有限元软件  35-36
  3.3 切削式吸能过程仿真模型的建立  36-42
    3.3.1 几何模型简化  36-37
    3.3.2 材料模型的选择  37-38
    3.3.3 单元类型的选择  38-39
    3.3.4 网格划分  39-41
    3.3.5 接触类型的选择  41
    3.3.6 边界条件及载荷的确定  41
    3.3.7 切屑分离准则  41-42
  3.4 切削式吸能过程仿真结果分析  42-47
    3.4.1 能量耗散分析  43-44
    3.4.2 速度,切削力变化分析  44-45
    3.4.3 切削式吸能与压溃型吸能的吸能效果对比  45-47
  3.5 本章小结  47-48
第四章影响切削式吸能过程的因素分析  48-62
  4.1 切削深度对切削式吸能过程的影响  48-50
    4.1.1 仿真条件的设定  48
    4.1.2 仿真结果与分析  48-50
  4.2 切削初速度对切削式吸能过程的影响  50-52
    4.2.1 仿真条件的设定  50
    4.2.2 仿真结果与分析  50-52
  4.3 刀具前角对切削式吸能过程的影响  52-54
    4.3.1 仿真条件的设定  52-53
    4.3.2 仿真结果与分析  53-54
  4.4 刀具宽度对切削式吸能过程的影响  54-56
    4.4.1 仿真条件的设定  54-55
    4.4.2 仿真结果与分析  55-56
  4.5 刀具材料对切削式吸能过程的影响  56-58
    4.5.1 仿真条件的设定  56-57
    4.5.2 仿真结果与分析  57-58
  4.6 工件材料对切削式吸能过程的影响  58-60
    4.6.1 仿真条件的设定  58-59
    4.6.2 仿真结果与分析  59-60
  4.7 本章小结  60-62
第五章切削式吸能过程能量和切削力的预测模型  62-75
  5.1 正交方案的设计  62-63
  5.2 直观分析  63-68
    5.2.1 切削式吸能过程模拟结果的正交表  63-64
    5.2.2 正交实验的直观分析  64-68
  5.3 多元线性回归数学模型  68-69
  5.4 参数的最小二乘估计  69-70
  5.5 预测模型的显著性检验  70-72
  5.6 回归系数的显著性检验  72-73
  5.7 本章小结  73-75
第六章总结  75-78
  6.1 本文的研究工作总结  75-76
  6.2 建议和展望  76-78
参考文献  78-84
致谢  84-85
硕士研究生期间参加的科研项目及发表的论文情况  85

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