地鐵工程車碰撞仿真中鉤緩及防爬器模擬方法*

金希紅， 曾燕軍， 張 海， 肖毅華

(1 大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車系統(tǒng)集成國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南株洲 412001； 2 華東交通大學(xué) 載運(yùn)工具與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南昌 330013)

軌道機(jī)車車輛防碰撞技術(shù)包括主動(dòng)安全防護(hù)技術(shù)和被動(dòng)安全防護(hù)技術(shù)兩大類，其中主動(dòng)安全防護(hù)技術(shù)是指通過對車輛的科學(xué)管理，定期保養(yǎng)，高素質(zhì)的操作人員等措施防止碰撞事故的發(fā)生；被動(dòng)安全防護(hù)技術(shù)指的是通過對機(jī)車車輛自身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)其耐碰撞性能以及設(shè)置特定的能量吸收耦合器來減輕碰撞事故對車輛的破壞程度，保護(hù)司機(jī)室和客車的生存空間[1-2]。機(jī)車車輛耐碰撞技術(shù)研究指的是當(dāng)發(fā)生碰撞事故時(shí)，列車的結(jié)構(gòu)變形能力，自身結(jié)構(gòu)承載能力，以及吸收撞擊能量能力等方面的綜合表現(xiàn)性能[3]。目前列車碰撞相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究僅局限于一些吸能部件，對整車或列車的耐撞性研究則采用計(jì)算機(jī)仿真方法。大型通用非線性有限元仿真具有方便、快捷的優(yōu)點(diǎn)，目前已在汽車、航空航天等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用， 也是當(dāng)前對軌道車輛碰撞研究的主要方法[4]。

車輛碰撞吸能裝置是指安裝在車輛上但不屬于車輛部件的裝置，用于發(fā)生可控變形并吸收能量，如車輛防爬器、車鉤緩沖裝置等能量吸收耦合器，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究一直被國內(nèi)外研究者關(guān)注[5]。同時(shí)在碰撞計(jì)算中，過度簡化的車輛防爬器、車鉤緩沖裝置模型對仿真結(jié)果也有直接的影響[4-6]，因此如何真實(shí)、高效地模擬鉤緩裝置模型也成為列車被動(dòng)安全性研究需要重點(diǎn)考慮的因素之一。

筆者在進(jìn)行某型號(hào)地鐵工程車碰撞分析時(shí)，提出了一種基于LS-DYNA非彈性壓縮彈簧模擬鉤緩特性以及防爬器吸能特性的仿真方法，以兩相同列車以相對速度25 km/h相撞為例，對碰撞過程進(jìn)行模擬，并計(jì)算鉤緩裝置以及防爬器對列車碰撞工況能量吸收的貢獻(xiàn)程度。此方法使得鉤緩和防爬器模型貼近實(shí)際工作狀態(tài)，能保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確、有效。

1 碰撞標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)及計(jì)算工況描述

碰撞計(jì)算參照標(biāo)準(zhǔn)EN 15227—2008[7]中規(guī)定，列車的耐撞性設(shè)計(jì)需滿足EN 15227標(biāo)準(zhǔn)中的以下要求:

(1) 防爬裝置發(fā)生作用，不發(fā)生爬車現(xiàn)象；

(2) 生存空間內(nèi)的平均縱向減速度不超過5g。

(3) 當(dāng)車組發(fā)生模擬的碰撞工況時(shí)，車上人員的生存空間范圍不能被侵占。

(4) 碰撞工況中要確保每個(gè)轉(zhuǎn)向架至少有一個(gè)輪對不脫離鋼軌，保持與鋼軌接觸。

碰撞工況為：兩相同列車以相對速度25 km/h相撞，其中每一列車由一節(jié)工程車連掛一節(jié)參考車(80 t)組成，如圖1所示。

m1-待評(píng)定工程車的質(zhì)量；m2-參考車質(zhì)量，假定為剛性。圖1 碰撞列車模型

2 鉤緩及防爬器單元與材料的設(shè)置

2.1 車鉤緩沖器、防爬器接觸面定義

工程車前端的車鉤緩沖器、防爬器均采用彈簧單元(Spring)模擬，而它們通過*CONTACT_AUTOMAT-IC_ SURFACE_TO_SURFACE分別定義自動(dòng)面面接觸。該接觸方式為自動(dòng)接觸，在殼單元的兩側(cè)都發(fā)生接觸，默認(rèn)考慮厚度偏置；接觸對象為雙面接觸，由于為完全對稱，主從面的選擇是任意的。同時(shí)，考慮碰撞過程中可能出現(xiàn)車鉤失效、防爬器被壓潰到一定程度后兩工程車車體前端發(fā)生接觸，故兩車車體間也定義了自動(dòng)面面接觸。碰撞過程中兩工程車車體的各部分會(huì)發(fā)生變形，變形后車體內(nèi)部的各部件間可能發(fā)生接觸。因此，針對兩工程車各定義了一個(gè)自動(dòng)單面接觸(*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE _SURFACE)。如圖2所示，該接觸方式為自動(dòng)接觸；接觸對象為單面接觸，僅定義從面，主面無需定義。

圖2 接觸定義

2.2 車鉤緩沖器、防爬器材料模型和參數(shù)

工程車前端車鉤緩沖器和工程車后端與參考車的連接裝置的彈簧單元均考慮為非彈性壓縮彈簧，其材料特性采用*MAT_SPRING_INELASTIC模擬，此材料特性能模擬非彈性拉、壓的移動(dòng)或扭轉(zhuǎn)彈簧，用戶可以自定義加載和卸載剛度。兩種彈簧的力—位移特性曲線分別如圖3和圖4所示。

圖3 工程車前端車鉤緩沖器彈簧單元的力—位移特性曲線

圖4 工程車后端與參考車連接裝置的彈簧單元的力—位移特性曲線

工程車前端防爬器的彈簧單元考慮為非線彈性彈簧單元，其材料特性采用*MAT_SPRING_NONLIN-EAR_ELASTIC模擬，此材料特性能模擬非線性的彈性移動(dòng)或扭轉(zhuǎn)彈簧，當(dāng)連接兩個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)只有一個(gè)自由度連接。該彈簧的力—位移特性曲線如圖5所示。

圖5 工程車前端防爬器彈簧單元的力—位移特性曲線

2.3 模擬方法注意事項(xiàng)

在實(shí)際計(jì)算中，非線性彈性彈簧單元的使用應(yīng)注意以下一些問題：

(1) 在設(shè)置力—特性曲線時(shí)，應(yīng)注意按照車鉤緩沖器及防爬器工作行程來設(shè)置，保證在不同的位移下準(zhǔn)確的力輸出；

(2) 模擬車鉤緩沖器及防爬器的彈簧單元通過剛性節(jié)點(diǎn)與2.1節(jié)中設(shè)定的接觸面連接，同時(shí)要對剛性節(jié)點(diǎn)進(jìn)行約束，保證彈簧單元不會(huì)出現(xiàn)彎曲而出現(xiàn)計(jì)算錯(cuò)誤；

(3) 通過移動(dòng)彈簧單元安裝節(jié)點(diǎn)位置實(shí)現(xiàn)兩列車初始有40 mm的垂向高差。

3 列車有限元模型設(shè)置

3.1 建模分析總體流程

碰撞列車使用HYPERMESH和LS-DYNA進(jìn)行建模、求解和后處理。首先在HYPERMESH中建立列車的有限元網(wǎng)格模型，并定義材料屬性、接觸、約束和初始條件等，輸出LS-DYNA的計(jì)算輸入文件(k文件)；然后，采用LS-DYNA讀取k文件，完成計(jì)算分析任務(wù)；最后，利用LS-PREPOST進(jìn)行計(jì)算結(jié)果后處理。

3.2 有限元網(wǎng)格設(shè)置

碰撞的兩相同列車的有限元網(wǎng)格模型如6所示。左側(cè)列車以25 km/h初速度運(yùn)動(dòng)，右側(cè)列車初始時(shí)刻處于靜止?fàn)顟B(tài)。整個(gè)計(jì)算模型有1 048 522 個(gè)單元，包括殼單元995 673個(gè)、三維實(shí)體單元52 815個(gè)、質(zhì)量單元14個(gè)、彈簧單元8個(gè)和節(jié)點(diǎn)剛體12個(gè)。殼單元類型選擇為Belytschko-Tsay殼單元(ELFORM=2)，其計(jì)算速度快。實(shí)體單元類型選擇為選擇性減速積分單元(ELFORM=2)，其可以避免在材料幾乎不可壓情況下出現(xiàn)的體積死鎖。

模型中，兩工程車考慮為變形體，其網(wǎng)格模型如圖7所示。工程車的車體采用殼單元(Shell)離散；其轉(zhuǎn)向架采用實(shí)體(Solid)單元離散，材料設(shè)為剛體材料(*MAT_RIGID)，轉(zhuǎn)向架模型簡化為剛體。工程車上的設(shè)備質(zhì)量通過增大車體材料的密度進(jìn)行配重處理。工程車連掛的80 t參考車簡化為剛性體積塊，其離散模型如圖8所示。工程車與參考車之間的連接裝置和工程車前端的車鉤緩沖器、防爬器均采用彈簧單元模擬，如2.2節(jié)描述。

另外，列車在鋼軌上運(yùn)行，輪軌間存在接觸。為了模擬該情況，通過*RIGIDWALL_PLANAR定義了一無限大剛性墻來模擬鋼軌，并將兩列車的所有節(jié)點(diǎn)作為其從節(jié)點(diǎn)，從而考慮列車與鋼軌間的接觸相互作用。初始時(shí)刻，車輪上的最低點(diǎn)恰好與剛性面接觸。輪軌間的摩擦系數(shù)設(shè)置為0.15。

圖6 列車有限元網(wǎng)格模型

圖7 工程車模型

圖8 80 t參考車的網(wǎng)格模型

3.3 初始條件與重力載荷

左側(cè)運(yùn)動(dòng)列車通過*INITIAL_VELOCIT Y_GENERATION關(guān)鍵字定義沿X正向的初速度6.944 m/s，此關(guān)鍵字能為移動(dòng)或是旋轉(zhuǎn)的物體定義一個(gè)初始速度。

整個(gè)模型通過*Load_Body_Z關(guān)鍵字施加Z方向的重力加速度，大小設(shè)為9.81 m/s2，如圖9所示，其中Z方向?yàn)檐圀w豎直向下的重力加速度方向。

圖9 重力加載特性曲線

4 仿真計(jì)算結(jié)果分析

4.1 能量和沖擊力情況

圖10給出了碰撞過程中模型的總能量、動(dòng)能、內(nèi)能和沙漏能隨時(shí)間變化的情況。總能量基本上維持在3.2 MJ，內(nèi)能由0增大到1.5 MJ，動(dòng)能由3.2 MJ降低到1.6 MJ。沙漏能為4.6 kJ，占內(nèi)能的0.3%，遠(yuǎn)小于一般允許的5%，因此計(jì)算結(jié)果比較可靠。內(nèi)能在0.3 s 時(shí)已基本維持不變，這說明兩列車的碰撞過程已經(jīng)基本結(jié)束。

圖10 能量變化曲線

碰撞過程中，兩工程車前端的車鉤緩沖器吸收能量0.51 MJ，防爬器吸收能量0.47 MJ，其余能量一部分由工程車與參考車間的連接裝置和工程車車體結(jié)構(gòu)吸收；同時(shí)列車模型與模擬鋼軌的無限大剛性墻之間摩擦系數(shù)設(shè)定為0.15，它們之間的摩擦也將消耗部分碰撞能量。圖11給出了兩工程車前端車鉤緩沖器的車鉤力變化曲線。車鉤在約88 ms時(shí)發(fā)生剪切失效，車鉤力迅速變?yōu)?。

4.2 車輛變形情況

圖12給出了t=0.3 s時(shí)兩列車的整體變形情況和兩工程車司機(jī)室部分的局部變形情況?？梢?，車體結(jié)構(gòu)整體保持完好，無明顯的塑性變形。

圖11 車鉤力變化曲線

圖12 t=0.3 s時(shí)的變形

4.3 平均縱向減速度情況

根據(jù)EN 15227標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，生存空間內(nèi)的平均縱向減速度應(yīng)不超過5g。平均減速度根據(jù)車廂上的靜接觸力超過零到再次下降為零對應(yīng)的時(shí)間段內(nèi)的加速變化情況來計(jì)算。圖13給出了運(yùn)動(dòng)列車中工程車的縱向靜接觸力和加速度變化情況。根據(jù)圖13(b)可知，工程車的最大縱向減速度小于極限值5g，僅為4.6g，故其平均縱向減速度將更小于5g，因此，平均縱向減速度指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

4.4 生存空間情況

根據(jù)EN 15227標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，構(gòu)成生存空間的結(jié)構(gòu)應(yīng)保持完好，塑性變形和縱向壓曲必須受到充分限制，不超出規(guī)定的范圍。對于乘客生存空間，長度的減少應(yīng)為每5 m不大于50 mm或者這些區(qū)域內(nèi)塑性應(yīng)變不超過10%。本項(xiàng)目所分析的生存空間主要為工程車司機(jī)室乘客區(qū)域。為了評(píng)價(jià)該生存空間的減少情況，在兩車司機(jī)室的地板上各取一對如圖14所示的節(jié)點(diǎn)(相距2.58 m)，生存空間長度的減少量由這些節(jié)點(diǎn)對的縱向位移差確定。

圖15和圖16分別給出了運(yùn)動(dòng)列車和靜止列車生存空間的減少量。運(yùn)動(dòng)列車和靜止列車司機(jī)室生存空間的最大壓縮量均約為0.8 mm，即每5 m生存空間長度的減少量最大約為1.6 mm，遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)允許的50 mm。因此，能很好地滿足EN 15227規(guī)定的乘客區(qū)生存空間減少量要求。

圖13 運(yùn)動(dòng)列車中工程車的縱向靜接觸力和加速度變化曲線

圖14 生存空間變形測試點(diǎn)位置示意圖

圖15 運(yùn)動(dòng)列車的司機(jī)室生存空間減少量

圖16 初始時(shí)刻靜止列車的司機(jī)室生存空間減少量

5 結(jié) 論

基于LS-DYNA非彈性壓縮彈簧，提出模擬鉤緩特性以及防爬器吸能特性的仿真方法。以兩相同列車以相對速度25 km/h相撞為例，對碰撞過程進(jìn)行模擬，并計(jì)算鉤緩裝置以及防爬器對列車碰撞工況能量吸收的貢獻(xiàn)程度，得到以下結(jié)論:

(1) 該方法能夠模擬碰撞時(shí)車鉤緩裝置和防爬器的力學(xué)特性，并且能得到列車碰撞的輸出特性、能量吸收等指標(biāo)，計(jì)算結(jié)果顯示在該工況下，車體結(jié)構(gòu)未有明顯塑性變形，平均減速度等指標(biāo)均滿足EN 15227 標(biāo)準(zhǔn)的要求；

(2) 兩列車對撞后，兩工程車前端的車鉤緩沖器吸收能量0.51 MJ，防爬器吸收能量0.47 MJ，分別占總能量的34%和31%，因此車鉤緩裝置和防爬器具有重要作用。