機車車體碰撞吸能裝置結構設計與仿真分析

楊俊杰,王立杰,李幸人,張江田

(1 中國北車集團 大同電力機車有限責任公司技術中心,山西大同037038;2 鐵道部運輸局 裝備部,北京100844)

為了減輕機車車輛碰撞事故造成的危害,發達國家先后對耐碰撞機車車輛的能量吸收標準和列車碰撞事故中常見的人體損傷制定了相應的碰撞安全法規,如英國的GM/RT 2100,國際鐵路聯盟UIC 566 OR,美國的聯邦法規49CFR等[1,2]。但對于耐碰撞機車車輛能量吸收能力,各國規范并沒有完全定型。而我國從和諧型機車開始才考慮安裝碰撞吸能裝置,從數值上分析碰撞吸能裝置的作用和效果很少。本文介紹某電力機車車體安裝該裝置前后的仿真分析方法和結果。

1 耐碰撞機車車輛的性能要求[3,4]

機車車輛碰撞安全性設計通常采用車鉤中配置的能量吸收元件以及車輛端部的附加吸能結構來實現,并按碰撞速度20～25 km/h來設計其吸能容量。一個完整的、具有多級能量耗散系統的耐碰撞機車車輛的結構應滿足如下要求:

(1)調車沖擊:沖擊速度 2.0～2.8 m/s(約7～10 km/h),碰撞動能的吸收和耗散主要靠車鉤緩沖器。在這種情況下,車鉤緩沖器系統不應喪失使用性能,結構保持完好狀態;

(2)輕度碰撞:沖擊速度小于5 m/s(18 km/h),碰撞動能依靠緩沖器和部分吸能元件(如套筒、吸能裝置等)來耗散;

(3)中度碰撞:沖擊速度5.0～10.0 m/s(18～36 km/h),碰撞動能依靠機車車輛端部弱剛度結構的吸能裝置和部分承載結構的塑性變形來耗散,所產生的加速度不致使乘客受到傷害;

(4)嚴重碰撞:沖擊速度大于10.0 m/s(36 km/h),碰撞動能由多個車體端部弱剛度區的塑性變形來耗散,最大變形量一般不超過1 m,而司機室及客室結構應該是安全和穩定的。

2 吸能結構容量的確定

(1)碰撞能量的確定

設碰撞前兩列車總質量和運行速度分別為 M1、M2、v1和v2,撞擊后的速度為u,則撞擊前總動能為:

撞擊后總動能為:

由動量守恒定理得撞擊前的動量和等于撞擊后的動量和,這樣,當一列車與另一列車發生追尾時:

當兩列車迎面相撞時:

由以上兩個公式可得碰撞過程中所需耗散的能量為:

式中“-”為追尾時,“+”為迎面相撞時。

(2)碰撞能量的分配

文獻[5]發現機車吸收的能量是列車動能的87%～90%,后面車輛吸收的能量少于機車吸收能量的45%。當一列以速度v運行的列車與一列靜止的列車相撞時,機車所要吸收的能量可以按式(6)計算:

式(6)中R1為能量吸收率,即吸收的塑性變形能與動能之比,其值約為0.873～0.904,文獻推薦值為0.9;fd為動荷系數,與材料應變率和結構阻尼有關,推薦值為1.2;k1為機車動能,其值為:

式(7)中 M1為機車質量;v為列車碰撞速度。

3 吸能裝置結構

在設計過程中,使用ANSYS/LS-DYNA軟件比較分析了吸能裝置多個結構方案所能吸收的能量、界面力等參數,擇優選取了最佳方案。吸能裝置主要由外箱板、前后蓋板、吸能元件及吸能安裝座等組成。外箱板由鋼板制成,吸能元件是由薄壁圓柱組成(圖1),縱向剛度較低,碰撞過程中在較低界面力的作用下出現塑性變形,吸收能量。每臺車 2個吸能裝置,額定容量200 kJ。

4 機車車體碰撞仿真模型

耐碰撞機車車輛的吸能結構可分為承載式吸能結構和附加式吸能裝置。本文采用附加式吸能裝置。在建立車體碰撞仿真模型時根據碰撞時變形大小將車體司機室部位的單元劃分較細,而設備間的單元則從細逐漸過渡到較粗。司機室(安裝吸能元件時,包含吸能元件)與剛性墻的面—面接觸,車體司機室及部分設備間的自接觸。所研究機車車體的碰撞模型如圖2(a),共有401 179個節點,413 330個單元。圖2(b)為吸能裝置的碰撞仿真模型,共有25 767個節點,438 178個單元。

圖1 吸能元件結構圖

圖2 車體整車及吸能裝置仿真模型

本次分析選用15,20,36 km/h作為機車車體碰撞仿真速度,各速度下機車車體結構需吸收的能量以及等效于與剛性墻的碰撞速度如表1所示。

5 仿真結果

機車車體與其他車發生碰撞按是否安裝吸能裝置計算碰撞結果如下。機車車體的變形和能量與時間曲線關系如圖3所示。

5.1 列車碰撞速度為15 km/h

車體不安裝碰撞吸能裝置,列車碰撞速度為 15 km/h時,等效為機車以2.133 m/s的初速度與剛性墻正面碰撞,仿真時間為120 ms,車體碰撞后,司機室前端沖擊座處發生了有限的塑性變形,最大變形發生在96 ms時刻,最大變形為0.113 m,整車吸收的能量為170 kJ,結構界面力的第一個峰值1 250 kN出現的時間為7.2 ms,直到2 069.55 kN,繼續上升到最大值2 157.38 kN。碰撞結束后,車體前端沖擊座的塑性形變為0.108 m。

當車體安裝碰撞吸能裝置,列車以同等碰撞速度與剛性墻正面碰撞,仿真時間為120 ms,車體動能大部分被吸能裝置吸能元件吸收,此時吸能元件最大的縱向變形為0.147 m,整車吸收的能量為170 kJ。機車車體碰撞過程中第一個界面力峰值577.15 kN,降低了53.8%,出現的時間為5 ms,此時吸能元件產生首次屈服,并形成第一個皺折吸收能量。整車界面力最大值為2 358.6 kN。碰撞結束后,吸能裝置吸能元件的縱向結構塑性變形為0.147 m,機車車體司機室結構沒有出現塑性變形。

5.2 列車碰撞速度為20 km/h

車體不安裝碰撞吸能裝置,機車碰撞速度為20 km/h時,等效為機車以3.1 m/s的初速度與剛性墻正面碰撞,仿真時間為120 ms。車體動能在89 ms時基本上被車體前端沖擊座和端梁的變形所吸收,此時結構的最大縱向變形為0.172 m,整車吸收的能量為355.83 kJ。界面力第一次峰值出現的時間為4.8 ms,整車界面力為1 244.69 kN,此時前端沖擊座產生塑性變形失效,隨后界面力繼續上升,界面力的最大值出現時間為86 ms,整車界面力最大值為4 872.74 kN;碰撞過程中,司機室前端沖擊座以及底架端梁的塑性變形吸收了大部分的能量。碰撞結束后,車體前端沖擊座出現較大的塑性變形,值為0.153 m,同時底架端梁出現明顯的塑性變形,但車體司機室后的設備間沒有出現明顯的塑性變形。

圖3 列車速度36 km/h下碰撞曲線

當車體安裝碰撞吸能裝置,列車碰撞速度同上,在180 ms時刻,吸能裝置中吸能元件的縱向變形為0.192 m,即其行程為0.192 m。此時,車體動能基本上被吸能裝置中的吸能元件吸收,整車吸收的能量為352.2 kJ。車體前端沖擊座出現明顯的塑性變形,其他的動能則在碰撞過程中因結構之間的摩擦而耗散。界面力的首個峰值出現的時間為18 ms,此時吸能元件發生屈服失效并形成第一個皺折,整車界面力為1 642.13 kN,此后,吸能元件相繼形成多個皺折,界面力曲線震蕩。在90 ms吸能元件壓縮變形最大為0.211 m,吸收能量312.02 kJ,界面力為 2 952.16 kN;在108 ms,最大界面力3 105.97 kN,比不裝吸能裝置時降低了36.3%;在119 ms時刻,吸能元件吸收能量最大356.9 kJ,整車界面力為2 985.22 kN。碰撞結束后,機車車體其他部位結構的彈性變形恢復,只有吸能裝置以及車體前端沖擊座中仍然存在塑性變形,吸能裝置的塑性變形值為0.192 m,司機室整體結構、司機室與設備間連接處以及設備間均沒有發生塑性變形。變形云圖如圖4所示。

圖4 速度20 km/h時結構變形圖

5.3 列車碰撞速度為36 km/h

車體不安裝碰撞吸能裝置,列車碰撞速度為36 km/h時,等效為機車以5.96 m/s的初速度與剛性墻正面碰撞,仿真時間為120 ms。車體動能在79 ms時基本上被車體的結構變形吸收了,此時結構的最大縱向變形為0.299 m,全車吸收的能量為1 370 kJ。界面力第一次峰值出現的時間為 17 ms,整車界面力為2 056.71 kN,此時前端沖擊座產生屈服失效,隨后界面力上升,司機室結構出現屈服失效,界面力的最大值出現時間為41 ms,整車界面力最大值為14 336.5 kN;碰撞過程中,車體前端沖擊座、底架前端部分、司機室結構的塑性破壞吸收了大部分的能量。碰撞結束后,車體的縱向塑性變形為0.258 m,車體前部結構出現較大的塑性變形,但中后部的塑性變形不明顯。

當車體安裝碰撞吸能裝置,列車碰撞速度同上,整車吸收最大能量為1 331.18 kJ,界面力的峰值首次出現的時間為9.6 ms,此時吸能裝置吸能元件出現屈服失效并形成第一個皺折,整車界面力為1 645.83 kN。此后,吸能元件相繼形成多個皺折,界面力上升。在72 ms時刻,車體沖擊座與剛性墻接觸,界面力急劇上升達到最大值10 676.8 kN,降低了25.53%。在91 ms時,整車結構吸能元件吸收的能量達到最大為1 331.18 kJ,界面力為8 533.5 kN,吸能裝置吸能元件達到最大行程0.306 m,司機室結構出現較大的塑性破壞而吸收能量,碰撞結束后,車體前部主要結構出現明顯塑性變形,而司機室后的設備間的塑性變形不明顯。

6 結論

通過以上設計和計算分析,得出如下結論:

(1)隨著列車碰撞速度的提高,碰撞界面力峰值延遲,變化趨于平緩;(2)所研究機車車體司機室結構不損傷的臨界速度為20 km/h;(3)安裝碰撞吸能裝置后,機車車體的耐碰撞性能得到很大改善。

[1] M.S.Pereira,M.Hecht,Vanessa Segurado.LRV Static-passive Safety in Urban Railway Systems[R].SAFET RAM report,December,2000.

[2] Thoms Hawksley.Development of crashworthiness for railway vehicle structures[J].Proc Instn Mech Engrs,1995,2(7):11-17.

[3] EN 15227:Railway Application-Crashworthiness Requirements for Railway Vehicle[S].

[4] GM/RT2100:Structural Requirements for Railway Vehicle[S].

[5] LU G.Energy absorption requirement for crashworthy vehicles[J].IMechE,2002,21b(Part F):31-39.