城際動(dòng)車組防撞性分析與研究

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(dòng)安全性日益受到重視。以某型城際動(dòng)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(jìn)行了較為詳細(xì)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(yàn)證了車輛的防碰撞性能，可為今后類似列車防碰撞設(shè)計(jì)提供案例參考和理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：城際動(dòng)車組?防碰撞?有限元仿真?被動(dòng)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(yán)重程度也明顯上升[2-3]。在此背景下，車輛的被動(dòng)安全性顯得尤為重要，其核心在于通過列車車體設(shè)計(jì)以及吸能裝置的應(yīng)用，在鐵路交通事故發(fā)生時(shí)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(xué)者和設(shè)計(jì)人員對車體防撞性進(jìn)行了研究，旨在驗(yàn)證車輛防碰撞設(shè)計(jì)的安全性與可靠性，并得到了許多具有指導(dǎo)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(jìn)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(dòng)力集中動(dòng)車組司機(jī)室進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與碰撞吸能性分析，驗(yàn)證了司機(jī)室防碰撞性能可以滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行了研究。張澤云等人[8]通過列車碰撞仿真結(jié)果驗(yàn)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(jìn)，有必要對其車體碰撞響應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)研究，這對于提升鐵路運(yùn)輸?shù)恼w安全性具有重要意義。

1?仿真計(jì)算模型

本文計(jì)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(jī)室等大部件組成。動(dòng)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(jī)室動(dòng)車；RI為拖車。

1.1?車輛防碰撞設(shè)計(jì)

車輛撞擊是一個(gè)瞬態(tài)物理過程，伴隨著巨大能量的快速傳遞[9]，導(dǎo)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(chǔ)備能力。為了保障車輛在碰撞時(shí)的被動(dòng)安全性能，綜合有效的保護(hù)司乘人員的安全，由前端全自動(dòng)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(dòng)安全防護(hù)系統(tǒng)。如圖2所示，頭車車體前端底架兩側(cè)各安裝一個(gè)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(dòng)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(fù)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(jìn)行幾何清理和網(wǎng)格劃分，整個(gè)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(shí)，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(shí)，進(jìn)行如下調(diào)整以平衡計(jì)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(gè)離散單元，237.75萬個(gè)節(jié)點(diǎn)；RI車共有264.31萬個(gè)離散單元，219.44萬個(gè)節(jié)點(diǎn)，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(biāo)準(zhǔn)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(dòng)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?fàn)顟B(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(gè)15?t的可變形障礙物相撞。場景4：列車前排排障器與一個(gè)低矮障礙物相撞。由于場景4主要考核排障器的靜強(qiáng)度，故本文不作詳細(xì)介紹，主要對前3種碰撞場景進(jìn)行仿真模擬分析。

2.2?評估標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)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(jī)座椅位置上應(yīng)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(yīng)滿足每5?m不超過50?mm或者塑性應(yīng)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(yīng)限制到5?g。

（3）爬車（抬升量）要求。碰撞模擬過程中，應(yīng)當(dāng)保證每個(gè)轉(zhuǎn)向架至少有一個(gè)輪對與軌道有效接觸，即需保證轉(zhuǎn)向架中至少有一個(gè)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(dá)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(dòng)車以36?km/h的初始速度與靜止無制動(dòng)的同類型列車（以下簡稱被動(dòng)車，車輛編號(hào)分別為B1，B2，B3）發(fā)生碰撞，碰撞仿真時(shí)間為850?ms。碰撞發(fā)生后，主動(dòng)車輛從36?km/h的初始速度開始逐漸減速，而被動(dòng)車則從靜止?fàn)顟B(tài)開始逐漸加速，而后各節(jié)車輛的速度趨于相同。當(dāng)主被動(dòng)車速度相同且碰撞界面力降為零時(shí)，即認(rèn)為碰撞結(jié)束。碰撞過程中，兩車瞬時(shí)減速度隨時(shí)間變化曲線如圖4所示。計(jì)算得出時(shí)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(biāo)準(zhǔn)中5?g的要求。

碰撞發(fā)生后，兩頭車自動(dòng)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(jī)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(shí)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(jī)室鄰近主駕駛位置處地板和車頂間高度隨時(shí)間變化曲線。碰撞過程中，A1車和B1車司機(jī)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(biāo)準(zhǔn)EN?15227的要求，司機(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(jī)室主駕駛位置的地板和車頂間的高度隨時(shí)間變化曲線。從圖中可以看出，在整個(gè)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(jī)室的生存空間符合標(biāo)準(zhǔn)EN?15227的規(guī)定。

列車以36?km/h的初始速度與一輛處于靜止?fàn)顟B(tài)的80?t貨車發(fā)生碰撞，仿真模擬時(shí)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(shí)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(dòng)能逐漸減少，內(nèi)能逐漸增加，在這個(gè)過程中，損失的動(dòng)能逐漸轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。碰撞動(dòng)能由初始7.36?MJ到碰撞結(jié)束后剩余的動(dòng)能為4.83?MJ，占初始動(dòng)能的65.60%。整個(gè)碰撞過程中共吸收能量2.50?MJ，占初始動(dòng)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(dòng)能的0.29%；沙漏能為6.12?kJ，僅占初始動(dòng)能的0.08%，能夠滿足計(jì)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?？梢钥闯觯鲎步Y(jié)束后，司機(jī)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(gè)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(shí)間變化曲線。從圖中可以看出，A1和A2車輛在整個(gè)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(shí)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(shí)列車速度降為零。碰撞過程中各節(jié)車輛瞬間減速度隨時(shí)間變化情況如圖15所示。由圖可計(jì)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(biāo)準(zhǔn)要求。

碰撞過程中，列車撞擊能量隨時(shí)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(dòng)能逐漸減少，內(nèi)能逐漸增加，在這個(gè)過程中，損失的動(dòng)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(dòng)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(dòng)能的91.01%；碰撞過程中共吸收能量2.35?MJ，占初始動(dòng)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(dòng)能的0.39%；沙漏能為40.2?kJ，僅占初始動(dòng)能的0.14%。

3?結(jié)語

本文以某型城際動(dòng)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(yàn)證了車輛的耐碰撞性能。仿真結(jié)果表明，該城際動(dòng)車組列車滿足防撞設(shè)計(jì)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(jì)可有效減輕碰撞危害，保障司乘人員的人身安全。

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