列車蜂窩式防爬器耐撞性仿真分析

(中車長春軌道客車股份有限公司 工程研究中心,長春 130062)

隨著軌道列車的發(fā)展,列車運行速度越來越快,發(fā)生碰撞事故后將導致嚴重后果,因此列車安全防護技術至關重要.列車安全防護技術包括主動安全防護及被動安全防護[1],被動安全防護是指在事故發(fā)生后保護乘員生命財產(chǎn)的技術及措施.碰撞過程中,沖擊能量轉化為被動防護裝置的塑性變形能,從而保護乘員區(qū)不發(fā)生大變形,最大限度降低事故損傷程度.

防爬器作為被動防護裝置的一種,用以防止碰撞過程中相鄰車廂發(fā)生攀爬.防爬器主要由防爬部及吸能部兩部分組成,其中吸能部又包括蜂窩式、刨削式、脹管式等[2].蜂窩式吸能器具有質量輕、強度高等優(yōu)點[3],受壓時將沖擊動能轉化為塑性變形能,從而起到緩沖吸能的作用.

本文根據(jù)某列車車端吸能需求,以蜂窩式吸能器為吸能元件對車端防爬器進行設計,并通過仿真分析的方法驗證了設計方案的合理性及正確性,最終通過臺車沖擊實驗研究了所設計防爬器的耐撞性.

根據(jù)軌道列車標準EN 15227—2010[4]《鐵路車輛車體的防撞性要求》規(guī)定,車輛在發(fā)生撞擊時沖擊點上的初始垂直位移最大允許達到近40 mm.因此，對防爬器的仿真分析及臺車碰撞實驗包括兩部分內(nèi)容,即單個防爬器耐撞性研究及兩個防爬器垂向錯位40 mm耐撞性研究.

1 防爬器結構設計

列車防爬器分為車端防爬器及車間防爬器,本文中防爬器為車端防爬器,其在車端的安裝如圖1所示.由圖可知,兩車發(fā)生碰撞時吸能部件被壓縮而發(fā)生塑性變形吸收能量,防爬齒相互嚙合防止列車發(fā)生攀爬.

圖1 防爬器安裝示意圖Fig.1 Installation instruction of anti-climber

碰撞過程中,防爬器需滿足表1中所示各參數(shù)要求.

表1 防爬器性能要求Tab.1 Performance requirements of anti-climber

在碰撞過程中,防爬器需承受較大垂向載荷,要求防爬器具有足夠抗彎剛度.蜂窩式吸能部件抗彎剛度極低,在承受偏載時極易發(fā)生失穩(wěn)而失去緩沖吸能功能.因此，在設計時考慮采用導向結構以增加防爬器抗彎剛度;同時，保證蜂窩能有序可控變形.防爬器結構如圖2所示.

圖2 防爬器結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of anti-climber

2 防爬器耐撞性仿真分析

碰撞是一個非常復雜的瞬態(tài)動力學過程,涉及大變形及大應變等幾何非線性、材料彈塑性變形的材料非線性以及以摩擦接觸為特征的接觸非線性[5],而LS-DYNA作為一款能很好地處理非線性問題的有限元分析軟件在此非常適用.

2.1 防爬器有限元模型

本文采用Workbench的顯示動力學模塊Explicit Dynamics(LS-DYNA Export)進行前處理.為節(jié)省計算時間,將蜂窩等效為多孔泡沫材料,選取63號材料(*MAT_CRUSHABLE_FOAM)作為其材料模型.該材料模型為各向同性材料,多用于泡沫鋁的等效仿真分析[6-7],而蜂窩為正交各向異性材料.因此，在蜂窩等效仿真分析方面應用較少.但當蜂窩只承受軸向壓縮載荷,且其他方向不受外部結構影響時,可采用此材料模型.圖3為蜂窩動態(tài)壓縮應力-應變曲線以及基于此曲線簡化得到的蜂窩等效應力-應變曲線.導向結構選用鋁合金6061,材料模型選用3號材料(*MAT_PLASTIC_KINEMATIC),其中彈性模量為69 GPa,泊松比為0.33,屈服強度為228 MPa,切線模量為0.69 GPa.

圖3 蜂窩應力-應變曲線Fig.3 Dynamic compressive stress-strain curve of honeycomb

將整個防爬器定義為自動單面接觸(*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE),所有接觸面的動、靜摩擦系數(shù)均設為0.1.設置防爬器安裝端為固定約束,一質量為15 t的剛性墻以4.2 m/s (15 km/h)的速度撞擊防爬器自由端,最終得出其變形形態(tài)、緩沖力-位移曲線及總吸能量.防爬器有限元模型如圖4所示.

圖4 防爬器有限元模型Fig.4 Finite element models of anti-climber

2.2 防爬器仿真結果分析

圖5和圖6分別為單個防爬器受撞擊時的變形過程及緩沖力-變形量曲線.由圖可知,防爬器變形穩(wěn)定,緩沖力較為平穩(wěn),峰值緩沖力為487 N,平均緩沖力約為463 kN,滿足設計要求.

圖5 單個防爬器碰撞變形過程(仿真)Fig.5 Deformation of single anti-climber collision (simulation)

圖6 單個防爬器碰撞緩沖力-位移曲線(仿真)Fig.6 Load-displacement curve of single anti-climber collision (simulation)

圖7和圖8分別為兩個防爬器垂向錯位40 mm對撞時的變形過程及緩沖力-位移曲線.由圖可知,防爬器在垂向方向上未發(fā)生較大彎曲變形,緩沖力較為平穩(wěn),峰值緩沖力為552 kN,平均緩沖力為401 kN,滿足設計要求.

圖7 兩個防爬器偏置對撞變形過程(仿真)Fig.7 Deformation of two anti-climbers offset collision (simulation)

3 防爬器耐撞性實驗驗證

3.1 防爬器臺車碰撞實驗

防爬器臺車碰撞實驗在中南大學軌道交通安全教育部重點實驗室進行.在單個防爬器耐撞性實驗中,將防爬器固定在質量為15 t的實驗臺車上以4.2 m/s(15 km/h)的速度撞擊固定剛性墻;在兩個防爬器垂向錯位40 mm對撞實驗中,將一防爬器固定在剛性墻上,另一防爬器固定在實驗臺車上,以4.2 m/s(15 km/h)的速度對撞.實驗過程中通過高速攝影、測力傳感器等設備采集碰撞過程中的速度、位移、緩沖力等數(shù)據(jù).實驗設備現(xiàn)場布置如圖9所示.

圖8 兩個防爬器偏置對撞緩沖力-位移曲線(仿真)Fig.8 Load-displacement curve of two anti-climbers offset collision (simulation)

圖9 臺車沖擊實驗設備布置示意圖Fig.9 Schematic diagram of sled impact test equipment

3.2 防爬器臺車碰撞實驗結果分析

每種實驗工況分別進行兩次重復性實驗.實驗得到緩沖力-位移曲線如圖10所示,與仿真結果對比如圖11所示.由圖可知:在兩種工況下,仿真分析中平均緩沖力仿真曲線均比實驗曲線平穩(wěn),這是因為仿真中所采用的蜂窩模型為理想型,緩沖力曲線的波動主要由導向結構間的摩擦及擠壓造成,因此波動較小;而實驗中緩沖力曲線的波動不僅與導向結構間的摩擦有關,還與蜂窩動態(tài)碰撞波動有關,因此波動較大.但總體來說,仿真結果與實驗結果吻合度較高,說明了仿真方法的正確性.實驗前后試驗件如圖12所示,實驗結果如表2所示.

圖10 防爬器碰撞緩沖力-位移曲線(實驗)Fig.10 Load-displacement curve of anti-climber collision (experiment)

圖11 仿真與實驗緩沖力-位移對比Fig.11 Comparison of simulation and experimental load-displacement curves

圖12 臺車碰撞實驗前后Fig.12 Anti-climbers before and after sled collision test

表2 實驗結果Tab.2 Experimental results

由表2可知,兩種工況下,除緩沖行程及總吸能量外,其他各項性能參數(shù)均滿足要求.但在實驗中為保護實驗裝置,所設置臺車沖擊動能小于防爬器所能吸收的能量,因此，蜂窩并未壓實,實驗所得緩沖行程及吸能量小于設計要求,但根據(jù)實驗得到力曲線及蜂窩剩余未壓縮量，可計算得到防爬器吸能量滿足設計要求.由圖10中曲線可知,偏置對撞工況下的峰值力大于單個防爬器碰撞的峰值力,這是由于在偏置對撞工況下垂向載荷較大,在碰撞開始的瞬間,導向結構之間相互擠壓,摩擦也隨之增大,導致峰值力較大.隨著沖擊過程的進行,導向結構間重疊區(qū)域增加,防爬器整體抗彎剛度增加,因此，由于垂向載荷引起的軸向緩沖力增加也開始降低,說明增加導向結構間重疊區(qū)域,即增加防爬器抗彎剛度,可有效降低峰值緩沖力.由圖11可知,臺車碰撞實驗后,防爬器導向結構未發(fā)生損壞、彎曲等較大變形,說明垂向抗彎能力較強.

4 結論

(1) 在蜂窩只承受軸向載荷,其他方向不受影響的情況下,采用63號材料(*MAT_CRUSHABLE_FOAM)進行蜂窩的仿真分析是可行的.

(2) 利用Workbench軟件及LS-DYNA軟件對所設計防爬器進行有限元仿真分析,得到單個防爬器碰撞及2個防爬器偏置對撞兩種工況下防爬器的峰值緩沖力、平均緩沖力、緩沖行程、總吸能量,各項性能參數(shù)均滿足技術要求.

(3) 針對兩種工況進行臺車沖擊實驗,實驗結果與仿真分析結果吻合度較高,證明將蜂窩材料等效為泡沫材料這一仿真分析方法的可靠性,為蜂窩材料的仿真研究提供指導.

(4) 在偏置對撞工況下,峰值緩沖力大小與防爬器整體抗彎剛度有關,增加抗彎剛度可有效降低峰值緩沖力.

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