基于ASME標(biāo)準(zhǔn)的地鐵車輛防撞柱彈塑性分析

劉洪濤,王科飛,駱起 ,趙國丹 ,張春玉 ,李曉峰

(1.中國中車集團(tuán) 長春軌道客車股份有限公司國家軌道客車工程研究中心，吉林 長春 130062；2.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

基于ASME標(biāo)準(zhǔn)的地鐵車輛防撞柱彈塑性分析

劉洪濤1,王科飛1,駱起1,趙國丹1,張春玉1,李曉峰2

(1.中國中車集團(tuán) 長春軌道客車股份有限公司國家軌道客車工程研究中心，吉林 長春 130062；2.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

基于最新美國地鐵車體設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)ASME RT-2:2014，研究車體前部防撞柱彈塑性變形的規(guī)律.首先，確定防撞柱承受載荷的條件，根據(jù)載荷條件歸納設(shè)計(jì)、計(jì)算和試驗(yàn)的基本技術(shù)路線；其次，建立防撞柱彈塑性計(jì)算的有限元模型，根據(jù)載荷要求與邊界條件，分析防撞柱彈塑性變形的力及位移的變化規(guī)律；最后，基于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性試驗(yàn)，對比試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算分析的一致性.采用ASME RT-2 2014標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和研究防撞柱彈塑性問題，可為同行學(xué)者進(jìn)一步進(jìn)行技術(shù)研究提供參考.

軌道車輛；防撞柱；彈塑性；計(jì)算分析；試驗(yàn)驗(yàn)證

0 引言

隨著國內(nèi)外關(guān)于地鐵輕軌車輛、磁懸浮車輛和高鐵路車輛碰撞標(biāo)準(zhǔn)體系的建立，車輛碰撞被動安全越來越受到運(yùn)營用戶、車輛制造廠和研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注，在國內(nèi)已經(jīng)形成相關(guān)的理論和試驗(yàn)研究體系，其方法和結(jié)論對車輛制造廠的項(xiàng)目研發(fā)提供了關(guān)鍵的技術(shù)指導(dǎo)[1-3]，特別是中國中車在美國市場執(zhí)行的地鐵項(xiàng)目，車輛不僅滿足各種靜強(qiáng)度和疲勞載荷的要求，還要滿足事故造成破壞時保護(hù)車輛及乘客不再受二次傷害的要求.

對于車輛在運(yùn)行事故時起到保護(hù)作用的關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)的開發(fā)已經(jīng)成為目前各國同行研究的重點(diǎn)，其中特別是對車體防撞柱的研究.防撞柱設(shè)計(jì)在車輛前部，起到保護(hù)車輛端部結(jié)構(gòu)和整車結(jié)構(gòu)安全的重要作用[4].在常規(guī)速度碰撞中發(fā)揮結(jié)構(gòu)支撐作用；在高速碰撞和更為特殊的情況下發(fā)揮防止車輛前部被擠壓和車輛爬車的重要作用.目前可查到的國外研究文獻(xiàn)大多集中在對美標(biāo)APTA S-034的研究[5]和承受載荷后的失效研究方面[6]，對于基于目前最新ASME RT-2:2014標(biāo)準(zhǔn)的防撞柱彈塑性分析和試驗(yàn)研究并不多見.

本文以某北美地鐵車輛為研究對象，基于最新車體設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)ASME RT-2:2014，研究車體前部防撞柱彈塑性變形的規(guī)律.首先，確定防撞柱承受載荷的條件，根據(jù)載荷條件制定設(shè)計(jì)、計(jì)算和試驗(yàn)的基本技術(shù)路線；其次，建立防撞柱彈塑性計(jì)算的有限元模型，根據(jù)載荷要求與邊界條件，分析得出了防撞柱彈塑性變形的力值及位移的變化規(guī)律；最后，基于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)車防撞柱的彈塑性試驗(yàn)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對比試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的一致性，證明防撞柱的結(jié)構(gòu)可以滿足ASME RT-2 2014標(biāo)準(zhǔn)要求，可以在批量化的實(shí)車生產(chǎn)中進(jìn)行推廣應(yīng)用.

1 防撞柱彈塑性載荷(E-P載荷)

美國標(biāo)準(zhǔn)ASME RT-2 2014[7]中對防撞柱的載荷要求分為彈性載荷和彈塑性載荷，對于彈性載荷屬于靜強(qiáng)度的研究范圍，對于彈塑性研究屬于結(jié)構(gòu)力學(xué)失效的研究范圍，具體表述見表1.

表1 防撞柱彈塑性E-P載荷

防撞柱深度尺寸D，載荷在890 kN (200，000 lb)×0.33基礎(chǔ)上逐步升高，使加載產(chǎn)生的塑性位移達(dá)到D/3，防撞柱本身和其與下部及上部的連接點(diǎn)不發(fā)生斷裂(如圖1所示).

圖1 防撞柱E-P載荷作用示意

2 防撞柱的彈塑性仿真計(jì)算

基于ASME RT-2 2014中載荷的施加方法，對某美國地鐵車輛擬采用的防撞柱進(jìn)行動態(tài)的彈塑性分析，模擬采用LS-DYNA軟件基于材料的非線性屬性的計(jì)算模擬方法進(jìn)行[8].

計(jì)算邊界條件設(shè)置為縱向的載荷施加和端部位移約束，載荷從基礎(chǔ)載荷逐步上升，以確保滿足防撞柱457 mm高度位置的縱向位移達(dá)到1/3深度，加載隨著力的增大位移逐漸增大，計(jì)算顯示，加載點(diǎn)位置的縱向位移達(dá)到202 mm，卸載的后半段位移顯示最終的塑性變形維持在141 mm， 大于1/3深度，可判定計(jì)算滿足最新標(biāo)準(zhǔn)的要求.

防撞柱經(jīng)歷了線彈性和塑性的變化過程， 在中部的位置應(yīng)力超過屈服點(diǎn)，并發(fā)生了塑性變形；在下部的各位置塑性位移在逐步減小；上部及下部的連接點(diǎn)沒有發(fā)生斷裂，結(jié)構(gòu)保持完整性，中部位置經(jīng)歷從線彈性到塑性的變形，狀態(tài)如圖2所示，變形符合預(yù)期設(shè)計(jì)，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求.

圖2 防撞柱彈塑性計(jì)算結(jié)果

圖3為變形的縱斷面圖，從圖可以看出變形趨勢與設(shè)計(jì)初期變形的預(yù)計(jì)(圖1)非常接近，變形最大位置出現(xiàn)在防撞柱的高度方向上的中間位置，變形尺寸為354 mm，加載點(diǎn)處變形位移為141mm.

圖3 防撞柱彈塑性計(jì)算變形數(shù)據(jù)

圖4為計(jì)算獲得的加載力和位移曲線，線彈性階段線性良好，說明加載處于材料的屈服前階段；超過屈服后結(jié)構(gòu)保持了在35 mm范圍內(nèi)近于線性變化，說明處于結(jié)構(gòu)線性變形階段；從位移40 mm至位移202 mm之間，整個結(jié)構(gòu)開始塑性變形；在卸載階段位移回彈，直至保持在141 mm的塑性位移.

圖4 防撞柱計(jì)算模擬力和位移曲線

通過圖4分析出，結(jié)構(gòu)的線性變形階段持續(xù)的位移遠(yuǎn)大于材料的線性屈服階段，說明對于防撞柱的設(shè)計(jì)應(yīng)最大程度的考慮結(jié)構(gòu)線性變形，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)趨于承受靜強(qiáng)度載荷的同時，彎曲剛度盡可能的減小，即結(jié)構(gòu)應(yīng)保持更好的彈性.以上計(jì)算按最新的ASME RT-2 2014標(biāo)準(zhǔn)對防撞柱進(jìn)行，基于計(jì)算數(shù)值作為后續(xù)實(shí)際塑性試驗(yàn)的基礎(chǔ).

3 彈塑性試驗(yàn)驗(yàn)證

在計(jì)算仿真的基礎(chǔ)上，進(jìn)行彈塑性的試驗(yàn)以確保設(shè)計(jì)完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求.一般加載方式分直接用加載車加載[9]和通過加載車上的作動器加載.本試驗(yàn)使用作動器加載，加載車進(jìn)行嚴(yán)格的縱向約束，車輛后端剛性墻約束，在剛性墻位置布置位移和載荷傳感器，車輛橫向在加載端和后端保護(hù)限位，具體的試驗(yàn)布局如下圖5所示.

圖5 車輛防撞柱彈塑性試驗(yàn)總體布局

對試驗(yàn)后防撞柱變形的狀態(tài)和數(shù)據(jù)比較是研究的關(guān)鍵，從圖6中可以看出，防撞柱塑性試驗(yàn)后的變形與計(jì)算模擬的變形吻合，說明結(jié)構(gòu)的彈塑性計(jì)算模型是合理有效的.

圖6 試驗(yàn)后狀態(tài)與計(jì)算模擬比較

圖7 中給出了防撞柱各位移計(jì)測點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)，經(jīng)過與計(jì)算數(shù)值的比較，計(jì)算數(shù)值的變形位移略大于實(shí)際試驗(yàn)的數(shù)值，誤差大致在13～37 mm，分布在從上至下的高度上，經(jīng)過分析認(rèn)為此為計(jì)算模擬不能完全建立各零部件之間的接觸約束關(guān)系，特別是在塑性變形階段，也會發(fā)生新的約束接觸關(guān)系，所以計(jì)算結(jié)果略大于試驗(yàn)值.

圖7 防撞柱各位移測點(diǎn)試驗(yàn)與計(jì)算比較

4 結(jié)論

根據(jù)ASME RT-2 2014標(biāo)準(zhǔn)中的載荷要求，分析得出了防撞柱彈塑性變形的力值及位移的變化規(guī)律，通過對防撞柱塑性變形的計(jì)算仿真和試驗(yàn)，表明計(jì)算出變形位置與試驗(yàn)的變形位移吻合，對比試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算分析的一致性，說明防撞柱的設(shè)計(jì)完全能夠滿足目前最新的標(biāo)準(zhǔn)ASME RT-2 2014的要求，可以在批量化的實(shí)車生產(chǎn)中進(jìn)行推廣應(yīng)用.

本文的研究路線可為同行學(xué)者進(jìn)一步技術(shù)研究的參考.

[1]陳秉智, 楊慧芳, 兆文忠.高速動車組碰撞仿真研究[J] .大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011,32(2):11-16.

[2]李曉峰，鄭喜斌.中低速磁浮車體前端結(jié)構(gòu)抗撞性優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2015,36(增1):38- 45.

[3]牛超， 邵微， 陳秉智.地鐵車輛耐撞性分析及多級能量吸收系統(tǒng)的驗(yàn)證[J].計(jì)算機(jī)輔助工程，2014(4):85-89.

[4]TYRELL D, JACOBSEN K, MARTINEZ E.A Train-to-Train Impact Test of Crash Energy Management Passenger Rail Equipment:Structural Results[J]. American Society of Mechanical Engineers,2006(11): 13597.

[5]MAYVILLE R, JOHNSON K, TYRELL D. Rail Vehicle Car Cab Collision and Corner Post Designs According to APTA S-034 Requirements[J]. American Society of Mechanical Engineers, 2003(11): 44114.

[6]STRING FELLOW R, PAETSCH C. Modeling Material Failure During Cab Car End Frame Impact[J]. American Society of Mechanical Engineers, 2009(3): 63054.

[7]US-ASME. ASME RT-2-2014 Safety Standard for Structural Requirements for Heavy Rail Transit Vehicles[S]. US:[s.n.], 2014.

[8]JOHN O. LS-DYNA Theory Manual [M]. US: Livermore Software Technology Corporation， 2016.

[9]PRIANTE M, LlANA P, JACOBSEN K, et al.A Dynamic Test of a Collision Post of a State-of-the Art End Frame Design[J]. American Society of Mechanical Engineers, 2008(9): 74020.

ResearchontheElastic-PlasticofCollisionPostforMetroVehiclesbasedonASMEStandard

LIU Hongtao1， WANG Kefei1， LUO Qi1， ZHAO Guodan1， ZHANG Chunyu1，LI Xiaofeng2

(1.CRRC Changchun Railway Vehicles Co. , Ltd，Changchun 130062， China；2.School of Traffic and Transportation Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China)

Research on the elastic-plastic deformation of collision post based on ASME RT-2:2014 standard of U.S about metro vehicle carbody design. First， according to the collision post loading conditions， determine the technical route for design， calculation and test; Secondly， the establishment of FEA calculation model of collision post， according to the load requirements and boundary conditions， study analysis of the deformation stress and displacement; Finally， based on design structure and FEA result start the elastic-plastic test， then the calculated data and the test data are compared and analyzed， a very uniformity consistent with the data. Using the latest standards for the design and research of collision post， it is the first time in the world that the research route of this paper can be used to study further.

track vehicle; collision post; elastic-plastic; calculation analysis; test verification

1673- 9590(2017)06- 0046- 04

2017- 05- 04

國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFB1200504-A-05)；中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015J007-H)

劉洪濤(1982-)，男，高級工程師，碩士，主要從事有軌車輛車體和總體技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用的研究

E-mailliuhongtao@cccar.com.cn.

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