張琪 葉浩航 唐文語

摘要：隨著軌道列車速度的不斷提升，列車的被動安全性日益受到重視。以某型城際動車組作為研究對象，使用Hypermesh和Ls-Dyna有限元仿真軟件對車輛不同的碰撞場景進行了較為詳細的仿真模擬分析，獲得了車輛在碰撞過程中的速度、變形以及能量變化等關(guān)鍵參數(shù)。從乘客生存空間、縱向平均減速度、車輪抬升等方面驗證了車輛的防碰撞性能，可為今后類似列車防碰撞設(shè)計提供案例參考和理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：城際動車組?防碰撞?有限元仿真?被動安全

Analysis?and?Research?on?the?Crashworthiness?of?Intercity?Electric?Multiple?Units

ZHANG?Qi1??YE?Haohang2??TANG?Wenyin2*

（1.?CRRC?Qingdao?Sifang?Co.，?Ltd.，?Qingdao，?Shandong?Province，?266111?China;?2.?Southwest?Jiaotong?University，?Chengdu，?Sichuan?Province，?611731?China）

Abstract：?With?the?increasing?speed?of?rail?trains，?the?passive?safety?of?trains?is?increasingly?emphasized.?Taking?a?certain?type?of?intercity?electric?multiple?unit?as?the?research?object，?this?paper?carries?out?a?detailed?simulation?analysis?of?the?different?collision?scenarios?of?the?train?by?using?Hypermesh?and?Ls-Dyna?finite?element?simulation?software，?obtains?key?parameters?such?as?the?speed，?deformation?and?energy?change?of?the?train?during?collision，?and?verifies?the?crashworthiness?of?the?train?from?the?aspects?of?passenger?living?space，?longitudinal?average?deceleration，?wheel?lifting，?etc.，?which?can?provide?case?references?and?theoretical?basis?for?the?anti-collision?design?of?similar?trains?in?the?future.

Key?Words：?Intercity?electric?multiple?units;?Anti-collision;?Finite?element?simulation;?Passive?safety

近十年，我國高速鐵路迅速發(fā)展，鐵路交通逐漸成為人們中短途出行的主要選擇[1]。然而隨著軌道車輛的速度提高和載重增加，碰撞事故的嚴重程度也明顯上升[2-3]。在此背景下，車輛的被動安全性顯得尤為重要，其核心在于通過列車車體設(shè)計以及吸能裝置的應用，在鐵路交通事故發(fā)生時最大限度地減輕碰撞造成的影響，以保障乘客和工作人員的人身安全。大量的學者和設(shè)計人員對車體防撞性進行了研究，旨在驗證車輛防碰撞設(shè)計的安全性與可靠性，并得到了許多具有指導意義的結(jié)論。魏虹等人[4]從能量吸收、乘客生存空間、平均加速度和車輪抬升等方面對36km/h兩車對撞場景進行了列車耐撞性的分析與評估。于德壯等人[5]基于Ls-Dyna對動力集中動車組司機室進行了結(jié)構(gòu)強度與碰撞吸能性分析，驗證了司機室防碰撞性能可以滿足相關(guān)標準要求。侯本虎等人[6]和梁朝緯等人[7]均對不同編組狀態(tài)下的列車碰撞情況進行了研究。張澤云等人[8]通過列車碰撞仿真結(jié)果驗證了防爬吸能裝置在車輛碰撞過程中具有良好的防爬性和吸能性。隨著鐵路車輛朝著高速化和輕量化的方向不斷演進，有必要對其車體碰撞響應進行系統(tǒng)研究，這對于提升鐵路運輸?shù)恼w安全性具有重要意義。

1?仿真計算模型

本文計算所用的模型為C-Ⅰ類別車輛，車體結(jié)構(gòu)由車頂、底架、側(cè)墻、端墻和司機室等大部件組成。動車組車輛碰撞仿真采用3節(jié)編組方案，如圖1所示。其中，CM為司機室動車；RI為拖車。

1.1?車輛防碰撞設(shè)計

車輛撞擊是一個瞬態(tài)物理過程，伴隨著巨大能量的快速傳遞[9]，導致車輛和人員受傷。因此，車輛必須具備一定的能量吸收和儲備能力。為了保障車輛在碰撞時的被動安全性能，綜合有效的保護司乘人員的安全，由前端全自動車鉤緩沖裝置、防爬吸能裝置、排障裝置等部件組成了該列車車輛的被動安全防護系統(tǒng)。如圖2所示，頭車車體前端底架兩側(cè)各安裝一個防爬吸能裝置，主要起吸收能量和防止車輛爬車的作用。該吸能裝置采用鋁蜂窩填充結(jié)構(gòu)。頭車自動鉤緩裝置位于列車編組的頭尾端，緩沖系統(tǒng)由彈性變形吸收能量的氣液緩沖器和不可恢復變形吸收能量的壓潰管兩部分組成。

1.2?車體有限元模型

通過有限元軟件Hypermesh對三維幾何模型進行幾何清理和網(wǎng)格劃分，整個有限元模型主要由四邊形單元組成。兩列車在碰撞發(fā)生時，頭車前端車鉤緩沖裝置首先將耦合并壓縮吸能，起到初始的防爬和吸能作用。車鉤緩沖裝置壓縮完所有行程并發(fā)生剪切失效后，前端防爬吸能裝置的防爬齒將嚙合，其吸能裝置和端部吸能區(qū)其他結(jié)構(gòu)將陸續(xù)變形吸能，隨后頭車車體端部結(jié)構(gòu)也開始發(fā)生接觸。所以頭車前端防爬吸能裝置及車體其他端部結(jié)構(gòu)都是可能發(fā)生結(jié)構(gòu)大變形的區(qū)域，而頭車的中后部變形一般較小。因此，在建立有限元模型時，進行如下調(diào)整以平衡計算精度和效率：前端防爬吸能裝置網(wǎng)格尺寸為10?mm，頭車車體其他端部結(jié)構(gòu)網(wǎng)格為25?mm，其他部位單元尺寸為80?mm。劃分完畢后，CM車共有280.87萬個離散單元，237.75萬個節(jié)點；RI車共有264.31萬個離散單元，219.44萬個節(jié)點，CM車有限元模型如圖3所示。

2?碰撞仿真結(jié)果與分析

2.1?碰撞工況說明

標準EN?15227：?2008[10]對C-Ⅰ類車輛設(shè)定了以下4種碰撞場景。場景1：列車以36?km/h初速度與靜止無制動狀態(tài)的相同編組列車碰撞。場景2：列車以36?km/h初速度與一輛處于靜止狀態(tài)的80?t貨車碰撞。場景3：列車以7?0km/h的初始速度與一個15?t的可變形障礙物相撞。場景4：列車前排排障器與一個低矮障礙物相撞。由于場景4主要考核排障器的靜強度，故本文不作詳細介紹，主要對前3種碰撞場景進行仿真模擬分析。

2.2?評估標準

根據(jù)標準EN?15227：?2008，上述碰撞場景需滿足以下要求。

（1）生存空間要求。在鄰近司機座椅位置上應保障有長寬至少0.75?m且地板到車頂高度不低于原始尺寸的80%。乘客生存空間長度的減小應滿足每5?m不超過50?mm或者塑性應變限制到10%。

（2）減速度極限。在生存空間中的平均縱向減速度應限制到5?g。

（3）爬車（抬升量）要求。碰撞模擬過程中，應當保證每個轉(zhuǎn)向架至少有一個輪對與軌道有效接觸，即需保證轉(zhuǎn)向架中至少有一個輪對與軌面的垂向位移不超過其名義輪緣高度的75%。如果上述要求不能達到，那么需要滿足在防爬裝置使撞擊車輛之間具有穩(wěn)定聯(lián)鎖前提下，車輪脫離軌道最大高度不得超過100?mm。

2.3?碰撞仿真結(jié)果與分析

2.3.1?工況1碰撞分析

主動車以36?km/h的初始速度與靜止無制動的同類型列車（以下簡稱被動車，車輛編號分別為B1，B2，B3）發(fā)生碰撞，碰撞仿真時間為850?ms。碰撞發(fā)生后，主動車輛從36?km/h的初始速度開始逐漸減速，而被動車則從靜止狀態(tài)開始逐漸加速，而后各節(jié)車輛的速度趨于相同。當主被動車速度相同且碰撞界面力降為零時，即認為碰撞結(jié)束。碰撞過程中，兩車瞬時減速度隨時間變化曲線如圖4所示。計算得出時間段內(nèi)A1、B1車輛最大平均減速度分別2.94?g和3.40?g，均小于EN?15227標準中5?g的要求。

碰撞發(fā)生后，兩頭車自動鉤緩裝置發(fā)生剪斷，隨后端部防爬吸能裝置間發(fā)生接觸碰撞。防爬吸能裝置壓縮一定行程后，列車車體端部結(jié)構(gòu)之間開始接觸碰撞。兩列車在碰撞過程中的端部結(jié)構(gòu)變形如圖5所示?？梢钥闯?，碰撞結(jié)束后，前車的防爬吸能裝置和端部吸能區(qū)結(jié)構(gòu)有明顯的塑性變形來吸收碰撞能量，司機室和客室結(jié)構(gòu)無明顯變形，確保了司乘人員的生存空間。中間車的車端防爬結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞接觸，但乘客車廂結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)明顯變形，生存空間可以得到保證，兩列車之間無爬車現(xiàn)象。

圖6顯示了兩列車頭車乘客生存空間縱向長度隨時間變化曲線，兩車碰撞過程中，乘客生存空間縱向長度變化量的最大值分別為15.6?mm和16.0?mm，符合EN?15227的要求，即“乘客生存空間中任意5?m長度內(nèi)的縮小值不能超過5?0mm”，乘客生存空間可得到保證。

圖7為兩列車司機室鄰近主駕駛位置處地板和車頂間高度隨時間變化曲線。碰撞過程中，A1車和B1車司機室主駕駛位置附近的地板和車頂之間的最大高度彈性變化量分別為7.3?mm和28?mm，均小于各自初始高度（約2?353?mm）的20%（470?mm），符合標準EN?15227的要求，司機室生存空間可得到有效保障。

如圖8所示，各節(jié)車車輪最大抬升量約為29.99?mm，滿足標準EN?15227中在防爬裝置使撞擊車輛之間具有穩(wěn)定聯(lián)鎖前提下，車輪脫離軌道最大高度不得超過100?mm的規(guī)定。

2.3.2?工況2碰撞分析

如圖9所示，碰撞結(jié)束后，只有列車防爬吸能裝置和端部吸能區(qū)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了明顯的塑性變形以吸收能量，而司機室和客室結(jié)構(gòu)無明顯變形，生存空間得以保證；中間車車端的防爬結(jié)構(gòu)碰撞接觸，客艙結(jié)構(gòu)無明顯變形，確保了乘客的生存空間，并且兩列車間沒有出現(xiàn)爬車現(xiàn)象。

圖10顯示了列車乘客生存空間縱向長度、鄰近司機室主駕駛位置的地板和車頂間的高度隨時間變化曲線。從圖中可以看出，在整個碰撞過程中，列車乘客生存空間縱向長度的最大彈性變形量僅為21.0?mm，符合標準EN?15227“乘客生存空間中任意5?m長度內(nèi)縮小值都不能超過50?mm”的要求。此外，碰撞期間，鄰近列車司機室主駕駛位置的地板和車頂之間的最大高度彈性變化量分別為6.1?mm，小于初始高度（約2?353?mm）的20%（470?mm）。因此，司機室的生存空間符合標準EN?15227的規(guī)定。

列車以36?km/h的初始速度與一輛處于靜止狀態(tài)的80?t貨車發(fā)生碰撞，仿真模擬時間為480?ms。碰撞過程中，列車由36?km/h初速度逐漸減速，在354?ms時列車速度降為零。車輛碰撞過程中減速度的變化情況如圖11所示，由圖可計算得出列車的最大平均減速度值為3.28?g，其余兩節(jié)車輛的最大平均減速度分別為1.12?g、0.87?g，均小于5?g，滿足標準要求。

列車碰撞開始到結(jié)束的能量變化曲線如圖12所示。由圖可知，碰撞過程中總能量保持基本恒定，動能逐漸減少，內(nèi)能逐漸增加，在這個過程中，損失的動能逐漸轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。碰撞動能由初始7.36?MJ到碰撞結(jié)束后剩余的動能為4.83?MJ，占初始動能的65.60%。整個碰撞過程中共吸收能量2.50?MJ，占初始動能的33.99%，主要由各防爬吸能裝置和車體端部其他吸能結(jié)構(gòu)所吸收，分別為817?kJ和390?kJ。此外，滑移能為21.52?kJ，占初始動能的0.29%；沙漏能為6.12?kJ，僅占初始動能的0.08%，能夠滿足計算精確度需求。

2.3.3?工況3碰撞分析

列車頭車端部結(jié)構(gòu)與15?t可變形障礙物發(fā)生碰撞后的變形情況如圖13所示?？梢钥闯?，碰撞結(jié)束后，司機室、防爬吸能裝置及15?t障礙物均發(fā)生了明顯的塑性變形吸能；各個中間車的端部結(jié)構(gòu)均無碰撞接觸，客室結(jié)構(gòu)無明顯變形，可保證乘客的生存空間，并且兩列車之間無爬車現(xiàn)象。

圖14顯示了各節(jié)車乘客生存空間縱向長度隨時間變化曲線。從圖中可以看出，A1和A2車輛在整個碰撞過程中乘客生存空間的最大縱向長度變化量分別為13.8?mm和5.0?mm，兩者均符合標準EN?15227“乘客生存空間中任意5?m長度內(nèi)縮小值都不能超過50?mm”的要求。此外，A1車司機室鄰近主駕駛位置處地板和車頂間的最大高度變化量為7.0?mm，不大于變形前各自高度（約2?353?mm）的20%即470?mm。

列車以70?km/h的初始速度與15?t可變形障礙物發(fā)生碰撞，碰撞仿真時間為480?ms。碰撞開始，列車由70?km/h初速度逐步減速，在231?ms時列車速度降為零。碰撞過程中各節(jié)車輛瞬間減速度隨時間變化情況如圖15所示。由圖可計算出A1車輛最大平均減速度為2.29?g，A2車輛最大平均減速度為0.89?g，均小于5?g，滿足標準要求。

碰撞過程中，列車撞擊能量隨時間變化曲線如圖16所示。從圖中可以看出，碰撞過程中總能量基本保持恒定。隨著列車與障礙物發(fā)生碰撞后減速且頭車端部結(jié)構(gòu)持續(xù)變形，動能逐漸減少，內(nèi)能逐漸增加，在這個過程中，損失的動能逐漸轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，在大約178?ms后，兩條曲線均基本保持水平狀態(tài)，表明碰撞過程的主要階段結(jié)束。碰撞動能從初始的27.78?MJ到碰撞結(jié)束后剩余的25.28?MJ，占初始動能的91.01%；碰撞過程中共吸收能量2.35?MJ，占初始動能的8.45%，主要由各防爬吸能裝置及可變形障礙物、車體端部其他吸能結(jié)構(gòu)所吸收，分別為1?105?kJ和801?kJ；滑移能為108.5?kJ，占初始動能的0.39%；沙漏能為40.2?kJ，僅占初始動能的0.14%。

3?結(jié)語

本文以某型城際動車組為例，通過對三種不同碰撞工況的仿真分析得到了車輛碰撞區(qū)域變形、能量和速度等參數(shù)的變化情況，并從生存空間、減速度、車輪抬升等方面驗證了車輛的耐碰撞性能。仿真結(jié)果表明，該城際動車組列車滿足防撞設(shè)計要求，具備一定的防撞性能，其車體結(jié)構(gòu)和吸能裝置設(shè)計可有效減輕碰撞危害，保障司乘人員的人身安全。

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