姜士鴻，閆凱波，陸思思，張芳瑤，許平

高速列車碰撞緩沖吸能平臺(tái)力設(shè)計(jì)研究

姜士鴻1，閆凱波2，陸思思2，張芳瑤2，許平2

(1. 中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130062；2. 中南大學(xué) 軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

為研究高速列車吸能元件平臺(tái)力的不同配置對(duì)碰撞響應(yīng)的影響，建立8編組列車一維碰撞動(dòng)力學(xué)模型。對(duì)列車吸能元件的平臺(tái)力進(jìn)行配置，分別為所有列車吸能元件平臺(tái)力均相等，列車吸能元件平臺(tái)力從車頭向車尾呈指數(shù)減小，列車吸能元件平臺(tái)力從車頭向車尾呈指數(shù)增大。對(duì)具有不同吸能元件平臺(tái)力配置的列車碰撞進(jìn)行仿真分析，研究不同配置的列車吸能元件平臺(tái)力對(duì)列車碰撞動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的影響。研究結(jié)果表明：列車中間車吸能元件平臺(tái)力小于或等于頭車吸能元件平臺(tái)力時(shí)易導(dǎo)致剛性碰撞，列車中間車吸能元件平臺(tái)力大于頭車吸能元件平臺(tái)力時(shí)可避免車輛間的剛性碰撞，在不發(fā)生剛性碰撞的前提下，中間車吸能元件平臺(tái)力與頭車吸能元件平臺(tái)力相差較小時(shí)，吸能效率較高，反之則吸能效率較低。

高速列車；車體耐撞性；吸能元件；平臺(tái)力配置

高速列車以其準(zhǔn)時(shí)、快速、便捷的優(yōu)點(diǎn)，在交通領(lǐng)域扮演重要角色。安全性是交通領(lǐng)域時(shí)談時(shí)新的重要主題，軌道交通的安全性主要由2方面保證：主動(dòng)安全防護(hù)及被動(dòng)安全防護(hù)。主動(dòng)安全防護(hù)系統(tǒng)是指利用一系列主動(dòng)防護(hù)措施避免事故發(fā)生，保證車輛正常運(yùn)行時(shí)的安全；被動(dòng)安全防護(hù)系統(tǒng)則是指在發(fā)生碰撞事故時(shí)，將碰撞能量以穩(wěn)定、可控的方式轉(zhuǎn)化為吸能元件的變形能而耗散掉，最大限度地降低碰撞事故的損害程度，保證乘員安全和車輛載客區(qū)結(jié)構(gòu)完整性。高速列車質(zhì)量較大，運(yùn)行速度較快，在碰撞過程中會(huì)產(chǎn)生巨大的能量，因此亟待開展高速列車耐撞性研究。目前的研究方法主要包括整車碰撞試驗(yàn)及數(shù)值仿真。由于整車碰撞試驗(yàn)費(fèi)用昂貴，姚曙光等[1?4]建立了列車碰撞小尺度等效模型，并開展了列車小尺度等效模型碰撞試驗(yàn)，研究表明通常頭車吸能元件吸能量最大，后續(xù)各碰撞界面吸能量逐級(jí)遞減。對(duì)列車被動(dòng)防護(hù)方面的數(shù)值仿真研究主要依賴于有限元仿真分析及基于多體動(dòng)力學(xué)的仿真分析[5?6]。與有限元仿真分析相比，基于多體動(dòng)力學(xué)的仿真分析將大大降低計(jì)算資源及時(shí)間，在列車耐撞性研究中廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過建立列車碰撞的動(dòng)力學(xué)模型研究了車體所能承受的撞擊力及車體端部結(jié)構(gòu)變形[7?8]。20世紀(jì)80年代，英國(guó)最早提出了采用車輛端部設(shè)置變形吸能結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)耐碰撞車體的設(shè)計(jì)思想，變形吸能結(jié)構(gòu)必須具有大變形可控、碰撞力穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。20世紀(jì)90年代，英國(guó)和法國(guó)通過耐碰撞機(jī)車車輛的設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)，分別證明了采用多級(jí)能量吸收系統(tǒng)能夠明顯提高列車碰撞事故中車體結(jié)構(gòu)的安全性。20世紀(jì)末至本世紀(jì)初，在美國(guó)聯(lián)邦鐵路管理局(FRA)主導(dǎo)的碰撞研究中，碰撞動(dòng)力學(xué)模型一直被應(yīng)用。LU[9]通過開展線性和非線性的多體動(dòng)力學(xué)仿真得出列車碰撞時(shí)頭車吸能量最大，次節(jié)車吸能量少于頭車吸能量的45%。王寶金等[10]利用MADYMO軟件對(duì)列車碰撞過程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析，田紅旗等[11?13]將車體設(shè)計(jì)為不同的縱向剛度，采用多體動(dòng)力學(xué)理論進(jìn)行研究，對(duì)列車撞擊障礙物的過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。列車碰撞能量管理的核心思想是將車體的縱向剛度梯度化，增加乘員區(qū)剛度，降低非乘員區(qū)剛度，使車體的變形發(fā)生在非乘員區(qū)，從而保護(hù)乘員區(qū)的完整性，目前的研究中，車體各界面吸能元件均采用相同的平臺(tái)力配置，研究表明列車碰撞能量主要集中于頭車及機(jī)次位，后續(xù)各碰撞界面吸能量逐級(jí)遞減，這就會(huì)導(dǎo)致后續(xù)各界面設(shè)計(jì)吸能量的冗余，造成資源浪費(fèi)。為實(shí)現(xiàn)高速列車吸能元件的合理配置，本文基于多體動(dòng)力學(xué)理論，以8編組高速列車為研究對(duì)象，研究列車在碰撞標(biāo)準(zhǔn)EN15227規(guī)定的碰撞場(chǎng)景下吸能元件不同平臺(tái)力配置對(duì)列車碰撞動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的影響，為高速列車被動(dòng)防護(hù)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 高速列車碰撞動(dòng)力學(xué)模型

1.1 列車彈簧?質(zhì)點(diǎn)模型

高速列車編組如圖1所示，共8輛，車端配置有頭車車鉤及頭車吸能元件，中間車界面處配置有中間車車鉤及中間車吸能元件。將車鉤及吸能元件等效為非線性彈簧單元，將車體等效為質(zhì)點(diǎn)單元，如圖2所示。根據(jù)碰撞標(biāo)準(zhǔn)EN15227中對(duì)仿真計(jì)算場(chǎng)景的要求，2列相同編組列車碰撞時(shí)，撞擊時(shí)速應(yīng)為36 km/h，碰撞質(zhì)量為車體質(zhì)量與50%定員質(zhì)量之和，高速列車碰撞質(zhì)量如表1所示。車端緩沖吸能裝置包括三級(jí)防護(hù)裝置，具有逐漸增大的平臺(tái)力，如圖3所示。在碰撞發(fā)生時(shí)首先緩沖器被壓縮，碰撞載荷逐漸增大，直至緩沖器脫落。之后緩沖器后的壓潰管開始發(fā)生塑性變形吸收能量，若此時(shí)碰撞動(dòng)能依然未被完全吸收，則吸能元件被壓潰而繼續(xù)吸收能量。通過車端三級(jí)緩沖吸能裝置的作用，碰撞動(dòng)能逐漸被耗散，以保證乘客區(qū)及司機(jī)室的生存空間完整。

1.2 動(dòng)力學(xué)求解方程

按照列車縱向動(dòng)力學(xué)理論，將組成列車的各節(jié)車輛簡(jiǎn)化為單一質(zhì)點(diǎn)，將連接相鄰車輛的緩沖吸能裝置等效為非線性彈簧單元。非線性彈簧單元同時(shí)考慮車鉤緩沖器的加載、卸載特性、車鉤壓潰管及吸能元件的塑變特性。將緩沖吸能裝置的載荷?位移特性曲線作為輸入賦予各車輛間的非線性彈簧單元。

1—頭車車鉤；2—頭車吸能元件；3—中間車吸能元件；4—帶壓潰管中間車鉤；5—帶氣液緩沖器中間車鉤。

圖2 列車等效彈簧質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)

圖3 列車多級(jí)吸能裝置

表1 列車質(zhì)量分布

該模型考慮車體的縱向運(yùn)動(dòng)及變形，每個(gè)車體質(zhì)點(diǎn)所受到的力包括與軌面的摩擦力以及相鄰車體間的非線性彈簧力。根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律，每個(gè)車體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程如式(1)所示。

式中：m為第個(gè)車體質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量；x為第個(gè)車體質(zhì)點(diǎn)的位移；fric為第個(gè)車體質(zhì)點(diǎn)與軌面之間的摩擦力；lspring為第個(gè)車體質(zhì)點(diǎn)左端所受到的非線性彈簧力；rspring為第個(gè)車體質(zhì)點(diǎn)右端所受到的非線性彈簧力。

對(duì)所有車體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程采用擴(kuò)維降階的處理方法，得到一階、常微分和非線性方程組：

對(duì)于這樣的方程組求解，可以使用在工程上廣泛運(yùn)用的4階Runge-Kutta法進(jìn)行求解。求解后可以直接得到不同編組位置的車輛速度、加速度、位移的時(shí)程曲線，車鉤以及吸能結(jié)構(gòu)的變形行程等。然后，通過分步積分法可以得到不同編組位置的車輛摩擦力所消耗的動(dòng)能和車鉤、吸能結(jié)構(gòu)變形所吸收的沖擊動(dòng)能。

2 吸能元件平臺(tái)力設(shè)計(jì)

2.1 車鉤及吸能元件吸能特性

為了分析不同平臺(tái)力的吸能元件對(duì)列車縱向碰撞響應(yīng)的影響，對(duì)各個(gè)界面吸能元件的平臺(tái)力進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)GM/RT2100標(biāo)準(zhǔn)[14]規(guī)定，每個(gè)碰撞界面的平臺(tái)力不超過3 000 kN。為分析吸能元件不同平臺(tái)力配置對(duì)列車碰撞動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的影響，始終保持車鉤緩沖器及壓潰管的觸發(fā)力不變。

車鉤緩沖器采用氣液緩沖器，頭車車鉤緩沖器觸發(fā)力為1 000 kN，最大壓縮行程為100 mm，最大拉伸行程為30 mm，壓潰管平臺(tái)力為1 800 kN，最大壓縮行程為600 mm；中間車車鉤緩沖器觸發(fā)力為800 kN，最大壓縮行程為62 mm，最大拉伸行程為30 mm，壓潰管平臺(tái)力為1 800 kN，最大壓縮行程為450 mm。圖4為頭車及中間車車鉤緩沖器載荷?位移特性曲線。

(a) 頭車車鉤；(b) 中間車車鉤

2.2 平臺(tái)力設(shè)計(jì)

本文將吸能元件的平臺(tái)力按照指數(shù)形式進(jìn)行分布設(shè)計(jì)，最大值應(yīng)小于每個(gè)碰撞界面能夠承受的最大撞擊力，設(shè)為2 800 kN，最小值應(yīng)大于中間車壓潰管的平臺(tái)力，設(shè)為1 800 kN，中間值平臺(tái)力根據(jù)式(3)及式(4)設(shè)計(jì)。由于列車的對(duì)稱性，僅需對(duì)頭車車端及界面1~界面4的吸能元件平臺(tái)力進(jìn)行定義。式(3)表示從頭車車端至界面4吸能元件平臺(tái)力逐漸增大，式(4)表示從頭車車端至界面4吸能元件平臺(tái)力逐漸減小。當(dāng)取不同值時(shí)，中間車各界面吸能元件平臺(tái)力如表2所示，變化趨勢(shì)如圖5所示。為滿足列車運(yùn)行過程中通過彎道的要求，相鄰2車間距較小，而且風(fēng)擋等列車元件也會(huì)占較大空間，因此中間車吸能元件的最大吸能行程設(shè)為250 mm。為便于對(duì)比，在此基礎(chǔ)上增加一種平臺(tái)力配置情況，即所有吸能單元的平臺(tái)力是一樣的，平臺(tái)力均為2 300 kN。

式中：()為第個(gè)界面吸能元件平臺(tái)力，=1, 2, 3, 4, 5；max為最大平臺(tái)力，為2 800 kN；min為最小平臺(tái)力，為1 800 kN；為冪指數(shù)，不同值對(duì)應(yīng)不同的剛度梯度差。

表2 頭車及各界面吸能元件平臺(tái)力

圖5 n取不同值時(shí)各界面吸能元件平臺(tái)力

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 力?位移響應(yīng)分析

對(duì)列車碰撞過程進(jìn)行模擬，分析不同組合界面平臺(tái)力下列車的碰撞動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，包括界面力、界面吸能量、總吸能效率等。圖6所示為不同組合界面平臺(tái)力下列車碰撞過程中各界面的界面力?位移曲線。圖6中碰撞界面8的吸能元件行程較大，這是因?yàn)榻缑?位于運(yùn)動(dòng)車及靜止車的碰撞界面，所以碰撞界面8吸能元件的行程是運(yùn)動(dòng)車及靜止車吸能元件行程之和。對(duì)于組合1及組合5~7，界面1撞擊力均發(fā)生突然增大的現(xiàn)象，這是因?yàn)樵谶@些組合中頭車吸能元件平臺(tái)力大于或等于中間車吸能元件平臺(tái)力，導(dǎo)致碰撞中產(chǎn)生的巨大沖擊力迅速向后傳播，其中組合5及組合7界面2撞擊力突然增大，組合7最大界面力甚至超過了9 000 kN，說明列車中間車吸能元件平臺(tái)力小于或等于頭車吸能元件平臺(tái)力時(shí)易導(dǎo)致剛性碰撞；對(duì)于組合2~4，各界面力相對(duì)比較穩(wěn)定，列車各吸能元件以穩(wěn)定、可控的方式吸收碰撞能量，是一種理想的吸能過程，同時(shí)說明列車中間車吸能元件平臺(tái)力大于頭車吸能元件平臺(tái)力時(shí)可避免車輛間的剛性碰撞。

3.2 吸能效率分析

組合2、組合3及組合4均未發(fā)生剛性碰撞，在此對(duì)3種組合的吸能效率進(jìn)行對(duì)比分析。吸能效率為碰撞結(jié)束后車鉤及吸能元件所吸收能量的總和與未發(fā)生碰撞時(shí)列車所配置吸能量總和之比，吸能效率越低，說明列車能量配置越冗余；相反，吸能效率越高，說明列車能量配置越合理。圖7所示為3種組合下各界面的吸能量曲線，表3所示為3種組合下的總吸能量及吸能效率。由表可知，組合3吸能效率最高，組合2次之，組合4吸能效率最低，說明中間車吸能元件平臺(tái)力與頭車吸能元件平臺(tái)力相差較小時(shí)，吸能效率較高，反之則吸能效率較低。

(a) 組合1；(b) 組合2；(c) 組合3；(d) 組合4；(e) 組合5；(f) 組合6；(g) 組合7

表3 3種組合下的總吸能量及吸能效率

(a) 組合2；(b) 組合3；(c) 組合4

4 結(jié)論

1) 列車中間車吸能元件平臺(tái)力小于或等于頭車吸能元件平臺(tái)力時(shí)易導(dǎo)致剛性碰撞，界面力會(huì)突然增大，列車車體及乘員區(qū)會(huì)受損，這種剛性碰撞應(yīng)該避免。

2) 列車中間車吸能元件平臺(tái)力大于頭車吸能元件平臺(tái)力時(shí)可避免車輛間的剛性碰撞，列車各吸能元件以穩(wěn)定、可控的方式吸收碰撞能量。

3) 在不發(fā)生剛性碰撞的前提下，中間車吸能元件平臺(tái)力與頭車吸能元件平臺(tái)力相差較小時(shí)，吸能效率較高，反之則吸能效率較低。

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Research on energy absorption elements platform force design of high speed train collision

JIANG Shihong1, YAN Kaibo2, LU Sisi2, ZHANG Fangyao2, XU Ping2

(1. CRRC Changchun Railway Vehicles Co., Ltd, Changchun 130062, China; 2. Key Laboratory for Track Traffic Safety of Ministry of Education, Central South University, Changsha 410075, China)

In order to study the influence of different configurations of the platform forces of high-speed train energy absorbing elements on the impact response, a one-dimensional train collision dynamics model composed of 8 vehicles was established. The platform forces of the high-speed train energy absorbing elements were configured, the platform forces of all energy absorbing elements were equal, the platform forces of high-speed train energy absorbing elements decreased exponentially from the head car, and the platform forces of high-speed train energy absorbing elements increased exponentially from the head car. Train collision with different energy absorbing elements was simulated and analyzed, and the impact response of high-speed train energy absorbing element's platform force was studied. The results show that rigid collision was easily caused when the platform force for the energy absorbing element of the middle car is less than or equal to the platform force for the energy absorbing element of the head car. When the platform force for the energy absorbing element of the middle car is greater than that of the head car, the rigid collision between the vehicles can be avoided. In the case of no rigid collision, when the platform force for the energy absorbing element of the middle car is close to the platform force for the energy absorbing element of the head car, the energy absorption efficiency is relatively high.

high speed train; car body crashworthiness; energy absorbing element; platform force configuration

U270.2

A

1672 ? 7029(2019)06? 1384 ? 07

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.06.004

2018?07?28

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51675537)；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFB1200505-016)

許平(1971?)，男，湖南婁底人，教授，博士，從事軌道車輛耐撞性研究；E?mail：xuping@csu.edu.cn

(編輯 涂鵬)