軌道車輛新型車端專用吸能裝置

摘要： 為了提高軌道車輛的耐碰撞性，利用金屬薄壁結構軸向切削和壓縮過程吸收能量的原理，設計了一種新型車輛端部專用吸能裝置；采用顯式有限元軟件LSDYNA建立了吸能裝置吸能過程的等效三維有限元模型，并對吸能過程進行數值模擬；分析了切削深度、刀具前角和切屑圓心角等參數對吸能裝置吸能性能的影響.研究結果表明，新型吸能裝置吸收的能量、界面力與切削深度、切屑圓心角成正比，與刀具前角成反比，受切削深度的影響較小；新型吸能裝置的沖程效率可達100%，壓縮力效率和總效率可達70%以上，高于現有吸能裝置.

關鍵詞： 軌道車輛；切削和壓縮；專用吸能裝置；顯式有限元

中圖分類號： U266.2； TP391.1文獻標志碼： ANew Special EnergyAbsorbing Component at

Vehicle End of Rail VehiclesLEI Cheng1，2，XIAO Shoune1，LUO Shihui1

（1. Traction Power State Key Laboratory， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China； 2. Vehicle Engineering Department， Zhengzhou Railway Vocational Technical College， Zhengzhou 450052， China）

Abstract：In order to improve the crashworthiness of rail vehicles， a new special energyabsorbing component at vehicle end was designed according to the energyabsorbing principle of axial cutting and compression process of thinwalled metal structure. An equivalent threedimensional finite element model for the absorbing process of energyabsorbing component was established using the explicit finite element software LSDYNA， based on which a numerical simulation of the energyabsorbing process was made. The influences of cutting depth， tool rake angle， and chip central angle on the performance of the energyabsorbing component were analyzed. The results show that the energy absorption and interface force of the energyabsorbing component was proportional to the cutting depth and chip central angle， and inversely proportional to the tool rake angle， but was little affected by cutting depth. The stroke efficiency of the new energyabsorbing component can arrive at 100%， and its compression efficiency and gross efficiency can reach more than 70%， all higher than those of the existing energyabsorbing component.

Key words：rail vehicles； cutting and compression； special energyabsorbing component； explicit finite element

運動的軌道車輛，特別是客運車輛，在發生意外碰撞或脫軌傾覆等重大事故時，如果巨大的動能不能在瞬間消散，將會導致人員傷亡和財產損失.為了確保在碰撞發生時，減緩事故對乘員區域的不利影響，必須提高軌道車輛的耐碰撞性能.

英國在20世紀90年代，通過耐碰撞機車車輛的設計、制造和試驗，證明了采用多級能量吸收系統能夠明顯提高列車碰撞事故中車體結構的安全性[1].因此，現代軌道車輛主要采用多級能量吸收系統吸收撞擊能量，作為其中最重要的組成部分，車端專用吸能裝置的性能直接決定了軌道車輛的耐碰撞性.美國、德國、日本和韓國等國家對列車碰撞過程中的吸能進行了大量的研究[25].

我國對軌道車輛碰撞問題的研究始于20世紀90年代中期，雖然起步較晚，但對列車端部的專用吸能裝置進行了大量的研究.文獻[69]將金屬切削加工技術應用到軌道車輛的被動安全防護上，對金屬切削吸能在軌道車輛上的應用，以及金屬切削吸能過程的吸能特性進行了相關研究，但只是對這種吸能方式進行了基礎研究，對采用這種吸能原理的吸能裝置也只進行了可行性研究.

本文利用金屬薄壁結構軸向切削和壓縮作為吸能原理，設計一種新型車端專用吸能裝置.基于顯式有限元理論，對新型吸能裝置的吸能過程進行數值模擬，研究切削參數對新型吸能裝置吸能性能的影響，并與現有吸能裝置進行比較.西南交通大學學報第48卷第4期雷成等：軌道車輛新型車端專用吸能裝置1軌道車輛新型車端專用吸能裝置新型專用吸能裝置的結構原理如圖1所示.圖1中，吸能裝置由安裝在車體底架上的切削刀具、剛性塊以及吸能管組成.吸能裝置固定在車體底架緩沖梁上，碰撞事故發生時，車鉤緩沖裝置吸收一定的動能后與底架脫離.然后，吸能裝置發生作用，刀具切削吸能管，切屑層金屬在刀具刃口和前后刀面的推擠、摩擦作用下，發生剪切滑移變形和摩擦變形[10]，形成切屑耗散撞擊能量.切削一定行程后，吸能管已被切削的部分與剛性塊接觸，產生塑性變形，進一步吸收撞擊能量，從而達到大量耗散列車動能的目的.

列車端部的專用吸能裝置主要在列車發生中度碰撞（沖擊速度在18～36 km/h之間）時發生作用，吸收撞擊能量[11].新型吸能裝置中的導向管機構能夠傳遞碰撞過程中導致的附加彎矩，使吸能裝置在列車發生中度碰撞時，保證各個刀具受載均勻，吸能管具有穩定的變形形式.此外，在安裝空間允許的條件下，還可以采用多級能量吸收結構，圖2為新型吸能裝置二級吸能結構的示意.

圖1新型專用吸能裝置結構原理

Fig.1Structural principle diagram of the new special

energyabsorbing component

圖2新型專用吸能裝置二級吸能結構示意

Fig.2Sketch of the new special energyabsorbing component

with a twostage structure

2吸能裝置三維有限元模型的建立隨著計算機技術與有限元理論的發展，有限元法已經成為研究金屬薄壁結構切削和壓縮吸能過程的有效手段.本文采用非線性顯式有限元軟件LSDYNA模擬新型吸能裝置的吸能過程.

假設刀具在切削過程中不發生變形，采用硬質合金，用剛體模擬，剛性塊也用剛體模擬.刀具為圓弧形，以恒定的速度切削吸能管，已被切削的不等壁厚吸能管一端固定，另一端被剛性塊以與切削速度相同的速度壓縮.

本文對壁厚6 mm、內徑100 mm、長200 mm的4340鋼吸能管、8個刀具，以不同切削深度、切屑圓心角、刀具前角的吸能裝置的吸能過程進行了模擬.其中刀具前角為10°、切屑圓心角10°、切削深度3 mm、切削壓縮速度為10 m/s，新型吸能裝置吸能過程的等效三維有限元模型如圖3所示.

2.1吸能管材料本構模型本文采用JohnsonCook[12]本構模型模擬吸能管材料，該模型在溫度從室溫到材料熔點溫度范圍內都是有效的，三項乘積分別反映了應變硬化、應變率硬化和溫度軟化對材料流動應力的影響，特別適合用于模擬高應變率下的金屬材料.

圖3吸能裝置吸能過程的等效三維有限元模型

Fig.3Equivalent threedimensional

finite element model for

the energy absorption process

該模型使用的等效流動應力為

=（σy+Bn）（1+Cln ）×

1-θ-θroomθmelt-θroomm，（1）

式中：

θ、θroom和θmelt分別為變形溫度、室溫（取20 ℃ ）和材料熔點；

σy為材料的屈服應力；

B為應變硬化常數；

C、n、m為材料特性系數，可通過材料試驗或切削試驗方法獲取.

4340鋼吸能管的JohnsonCook模型材料參數如表1所示.

表14340鋼的材料參數[1213]

Tab.1Material parameters of 4340 steel[1213]

材料參數數值密度/（kg·m-3）7 830彈性模量/GPa208泊松比0.3σy/ MPa792B/ MPa510C0.014n0.260m1.030

2.2切屑與母體材料分離準則新型吸能裝置的切削吸能過程是一個切屑與母體材料不斷產生分離的過程，切屑分離準則的確定對于成功實現切削吸能過程的數值模擬至關重要.

Johnson和Cook提出將應變率、應變、溫度和壓力都考慮進去的剪切失效準則.這個準則與實驗相結合，特別適用于金屬高應變率變形[14].

JohnsonCook剪切失效模型是基于單元積分點處等效塑性應變的值，當失效參數D的值超過1時，假定失效發生.失效參數定義為[15]

D=∑Δplf，pl，（2）

式中：

Δpl為等效塑性應變增量；

f，pl為失效應變，定義

f，pl=d1+d2expd3pq1+d4lnεplε0×

1+d5θ-θroomθmelt-θroom，（3）

式中：

d1～d5為在變形溫度或低于變形溫度情況下的失效參數.

4340鋼吸能管JohnsonCook剪切失效模型中d1～d5的值如表2所示.

表2吸能管JohnsonCook模型中的失效參數[1516]

Tab.2JohnsonCook failure law parameters

of energyabsorbing tube[1516]

失效參數d1d2d3d4d5比值0.0503.440-2.1200.0020.610

本文應用Johnson和Cook提出的材料失效準則并結合失效單元刪除的方法，實現了切屑與母體材料的分離.3吸能裝置的數值模擬結果對圖3中所建立的新型吸能裝置的等效三維有限元模型進行數值模擬.切削吸能過程中， 7 ms時的最大剪應力云圖如圖4所示.

從圖4可以看出，當剪應力引起的應力達到吸能管材料的屈服極限后，切削層金屬發生滑移，與母體材料分離，產生塑性變形，然后，沿前刀面流出.在流出的過程中，受摩擦力作用再次發生滑移變形，最后形成切屑，在這個過程中吸收能量.

壓縮吸能過程中，12.5 ms時的等效應力云圖如圖5所示.

從圖5可以看出，在剛性塊以恒定的速度壓縮不等壁厚吸能管的過程中，吸能管產生“手風琴”式的塑性變形，吸收能量.

圖4切削吸能7 ms時的最大剪應力云圖

Fig.4The maximum shear stress nephogram of

cutting energy absorption at 7 ms

圖5壓縮吸能12.5 ms時的等效應力云圖

Fig.5The vonMises stress nephogram of

compressive energy absorption at 12.5 ms

4各參數對吸能裝置吸能性能的影響新型吸能裝置的吸能性能與刀具前角、切屑圓心角和切削深度密切相關.4.1刀具前角當切屑圓心角為30°、切削深度為3 mm、切削壓縮速度為10 m/s時，刀具前角對吸能裝置界面力峰值和吸能的影響如表3所示.

表3刀具前角對界面力峰值和吸能的影響

Tab.3Influence of tool rake angle on

the peak interface force and energy absorption

刀具前角/（°）界面力峰值/kN吸能/kJ54 458726.15104 058623.51203 438512.72

從表3可以看出，刀具前角越小，吸能裝置吸收的能量越大，界面力峰值越大.4.2切屑圓心角當刀具前角為10°、切削深度為3 mm、切削壓縮速度為10 m/s時，切屑圓心角對吸能裝置界面力峰值和吸能的影響如表4所示.

表4切屑圓心角對界面力峰值和吸能的影響

Tab.4Influence of chip central angle on

the peak interface force and energy absorption

切屑圓心角/（°）界面力峰值/kN吸能/kJ102 799380.4203 370511.5304 058623.5

從表4可以看出，切屑圓心角越大，吸能裝置吸收的能量越大，界面力峰值越大.4.3切削深度當刀具前角為10°、切屑圓心角為10°、切削壓縮速度為10 m/s時，切削深度對吸能裝置界面力峰值和吸能的影響如表5所示.

表5切削深度對界面力峰值和吸能的影響

Tab.5Influence of cutting depth on

the peak interface force and energy absorption

切削深度/mm界面力峰值/kN吸能/kJ2.02 700380.42.52 748381.53.02 799382.1

從表5可以看出，切削深度越大，吸能裝置吸收的能量和界面力峰值也越大，但總體增加不多，影響不明顯.

綜上所述，吸能裝置吸收的能量和界面力與切削深度和切屑圓心角成正比，與刀具前角成反比，但受切削深度的影響不大.5與現有吸能裝置性能的比較5.1吸能裝置載荷位移曲線新型吸能裝置吸收的能量和界面力與切削深度和切屑圓心角成正比，與刀具前角成反比.選取參數不同的新型吸能裝置，在同等條件下，與現有吸能裝置的載荷位移曲線進行比較.新型吸能裝置A、B、C的刀具前角和切削深度均為10°和3 mm，切屑圓心角分別為10°、20°和30°.3種新型吸能裝置和現有吸能裝置的載荷位移曲線的對比分別如圖6～8所示.

文獻[17]指出，吸能裝置要盡可能多的吸收能量，其力沖程特性需近似為四邊形.

從圖6～8可以看出， 3種新型吸能裝置的切削吸能過程的載荷位移曲線近似四邊形，是理想的能量吸收方式.

從圖中還可以看出，現有吸能裝置的第一個界面力峰值出現在5.3 ms，新型吸能裝置A、B、C首先進行的切削吸能過程的第一個界面力峰值分別出現在17.5、17.5和14.0 ms，說明新型吸能裝置的切削吸能過程對界面力峰值出現時間的調控能力更強.

圖6新型吸能裝置A與現有吸能裝置的對比

Fig.6Comparison between the new energyabsorbing

component A and the existing energyabsorbing device圖7新型吸能裝置B與現有吸能裝置的對比

Fig.7Comparison between the new energyabsorbing

component B and the existing energyabsorbing device圖8新型吸能裝置C與現有吸能裝置的對比

Fig.8Comparison between the new energyabsorbing

component C and the existing energyabsorbing device

另外， 3個新型吸能裝置的壓縮吸能過程中的界面力峰值均比現有吸能裝置對應的界面力峰值小.并且隨著切屑圓心角的增大，薄壁吸能管被切削部分（不等壁厚吸能管）越容易被壓縮，界面力峰值和平均值也隨之越小.新型吸能裝置在有效行程內，界面力波動相對較小，所有這些都有利于實現吸能裝置在整個作用過程中勻減速吸能過程的實現.5.2吸能裝置吸能性能評價指標能量吸收裝置性能的優劣可以通過各種指標進行評價，選取參數不同的兩個新型吸能裝置，與同等條件下的現有吸能裝置的性能進行比較.新型吸能裝置D的刀具前角、切屑圓心角和切削深度分別為10°、10°和2 mm.新型吸能裝置E的刀具前角、切屑圓心角和切削深度分別為5°、30°和3 mm.新型吸能裝置與現有吸能裝置吸能性能的評價指標的對比如表6所示.

表6吸能裝置吸能性能的評價指標對比

Tab.6Comparison of evaluation indexes of

energy absorption performance

among energyabsorbing components

指標新型吸能裝置DE現有吸

能裝置吸能/kJ380.4726.2261.0比吸能/（J·g-1）62.83120.0043.11載荷峰值/kN2 7004 4581 865平均載荷/kN1 9023 6311 305壓縮力效率/%70.581.4570沖程效率/%10010070總效率/%70.581.4549.00

從表6可以看出，在切削吸能過程中，不考慮以熱能形式耗散掉的能量，新型吸能裝置的吸能、比吸能都比現有吸能裝置大，特別是新型吸能裝置E.

另外，新型吸能裝置的沖程效率可達100%，表明充分利用了吸能元件，并且作用行程長.相同容量下，與現有吸能裝置相比，新型吸能裝置質量輕、體積小，受安裝空間的限制小.

從表6可以得到，新型吸能裝置D和E的壓縮力效率都比現有吸能裝置的高.由新型吸能裝置E 的評價指標可以看出，隨著刀具前角的減小，以及切屑圓心角和切削深度的增大，新型吸能裝置的壓縮力效率也進一步增大，明顯高于現有吸能裝置.壓縮力效率越低，說明在碰撞發生時載荷峰值越大，對列車的司乘人員帶來的沖擊就越大，提高壓縮力效率可以改善吸能裝置的耐碰撞性能，同時降低了碰撞對司乘人員的沖擊.

對于代表能量吸收的整體性能指標，新型吸能裝置的總效率要明顯高于現有吸能裝置.

新型吸能裝置的載荷峰值和平均載荷稍大，這是由切削吸能的本質所決定的.切削過程是吸能管材料的塑性變形和材料破裂過程.因此，比依靠單一塑性變形的吸能過程產生的界面力大，但也只需將傳遞到乘員區的載荷控制在允許的范圍內.另外，由表6還可以得到，刀具前角越小，切屑圓心角和切削深度越大，新型吸能裝置的各項評價指標越理想.

此外，新型吸能裝置還可以采用多級設置，利于按設計要求控制碰撞過程中的界面力和減小速度.改變新型吸能裝置的特性和容量，不需要對結構作大的變動，只需要改變刀具的數量，更換不同前角、切屑圓心角和切削深度的刀具就能實現，新型吸能裝置的可控性、適應性和靈活性較好.6結束語（1） 新型車端專用吸能裝置吸收的能量和界面力與切削深度、切屑圓心角成正比，與刀具前角成反比，受切削深度的影響不大.

（2） 與現有車端專用吸能裝置相比，新型吸能裝置的沖程效率可達100%，壓縮力效率和總效率可達70%以上，均高于現有吸能裝置，適用性和靈活性更好，應用前景廣泛.

（3） 就吸能裝置的吸能能力而言，金屬材料塑性大變形和變形之后材料破裂的吸能方式優于金屬材料僅發生塑性大變形的吸能方式.參考文獻：[1]LEWIS J H. Validation of measures to improve vehicle safety in railway collisions[C]∥International Mechanical Engineering Congress and Exposition. San Francisco： ASME， 1995： 1734.

[2]WOLTER W. 鐵道車輛的防碰撞要求、設計原理和初步結果[J]. 國外鐵道車輛，2004，41（2）： 2330.

WOLTER W. Requirement， design principles and initial results of crashworthy rail vehicles[J]. Foreign Rolling Stock， 2004， 41（2）： 2330.

[3]NOELS L， STAINIER L， PONTHOT J P. A first order energydissipative momentumconserving scheme for elastoplasticity using the variational updates formulaiton[J]. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering， 2008， 197（68）： 706726.

[4]田口真. 鐵道車輛抗沖撞結構的開發[J]. 國外鐵道車輛，2003，40（6）： 2326.

TIAN Kouzhen. Development of crashworthy structure of rolling stock[J]. Foreign Rolling Stock， 2003， 40（6）： 2326.

[5]KOO J S， KWON T S， CHO H J. 韓國高速列車防撞設計與評估[J]. 中國鐵道科學，2004，25（1）： 17.

KOO J S， KWON T S， CHO H J. Korean highspeed railway antiimpact structure design and appraisal[J]. China Railway Science， 2004， 25（1）： 17.

[6]常寧，劉國偉. 軌道車輛切削式吸能過程仿真[J]. 中南大學學報：自然科學版，2010，41（6）： 24432450.

CHANG Ning， LIU Guowei. Simulation for energyabsorbing process of railway vehicle in metalcutting way[J]. Journal of Central University： Science and Technology， 2010， 41（6）： 24432450.

[7]常寧. 切削式吸能過程仿真研究[D]. 長沙：中南大學交通運輸工程學院，2009.

[8]雷成，肖守訥，羅世輝. 基于顯式有限元的高速列車吸能裝置吸能原理研究[J]. 鐵道機車車輛，2012，32（2）： 15.

LEI Cheng， XIAO Shoune， LUO Shihui. Research on the energyabsorbing theory of high speed train energyabsorbing component based on the explicit finite element[J]. Railway Locomotive Car， 2012， 32（2）： 15.

[9]雷成，肖守訥，羅世輝. 基于顯式有限元的軌道車輛撞擊能量吸收研究[J]. 鄭州大學學報：工學版，2012，33（4）： 6568.

LEI Cheng， XIAO Shoune， LUO Shihui. Research on impact energy absorption principle of rail vehicles based on the explicit finite element[J]. Journal of Zhengzhou University： Engineering Science， 2012， 33（4）： 6568.

[10]郭建英，呂明. 金屬切削過程的三維顯式動力分析[J]. 機械強度，2009，31（1）： 160165.

GUO Jianying， L Ming. Threedimensional explicit dynamic analysis of metal cutting process[J]. Journal of Mechanical Strength， 2009， 31（1）： 160165.

[11]張振淼，逄增禎. 軌道車輛碰撞能量吸收裝置原理及結構設計[J]. 國外鐵道車輛， 2001， 38（3）： 1319.

ZHANG Zhenmiao， PANG Zengzhen. Principles and structure design of collision energy absorption equipment for rail cars[J]. Foreign Rolling Stock， 2001， 38（3）： 1319.

[12]CHRISTIAN H ， SVENDSEN B. Simulation of chip formation during high speed cutting[J]. Journal of Materials Processing Technology， 2007， 186： 6676.

[13]李明，鄭慧明，余東輝，等. 高速切削AISI4340鋼的切削力有限元分析[J]. 現代制造工程，2008（6）： 6669.

LI Ming， ZHENG Huming， YU Donghui， et al. A finite element analysis of cutting force in cutting AISI4340 steel at high speeds[J]. Modern Manufacturing Engineering， 2008（6）： 6669.

[14]王霄，盧樹斌，高傳玉. 金屬切削加工有限元模擬技術的研究[J]. 煤礦機械，2006，27（11）： 5154.

WANG Xiao， LU Shubin， GAO Chuanyu. Research on finite element modeling techniques of metal cutting[J]. Coal Mine Machinery， 2006， 27（11）： 5154.

[15]蔡玉俊，段春爭，李園園，等. 基于ABAQUS的高速切削切屑形成過程的有限元模擬[J]. 機械強度，2009，31（4）： 693696.

CAI Yujun， DUAN Chunzheng， LI Yuanyuan， et al. FE simulation of chip formation during high speed machining based on ABAQUS[J]. Journal of Mechanical Strength， 2009， 31（4）： 693696.

[16]KLOCKE F， RAEDT H W， HOPPE S. 2Ddeform simulation of the orthogonal high speed cutting process[J]. Machining Science and Technology， 2001， 5（3）： 323340.

[17]李健，沈鋼. 列車防碰撞裝置及動力學仿真[J]. 鐵道車輛，2001，39（7）： 58.

LI Jian， SHEN Gang. The bump prevention device on train and the dynamics simulation[J]. Rolling Stock， 2001， 39（7）： 58.

（中文編輯：秦瑜英文編輯：蘭俊思）

（上接第693頁）

[15]MANENTI L， MANZONI S， VIZZARI G， et al. An agentbased proxemic model for pedestrian and group dynamics： motivations and first experiments[C]∥Proceedings of the 12th International Workshop on MultiAgentBased SimulationMultiAgentBased Simulation XII. Taipei： [s.n.]， 2012： 7489.

[16]BANDINI S， RUBAGOTTI F， VIZZARI G， et al. An agent model of pedestrian and group dynamics： experiments on group cohesion[C]∥Proceedings of the XIIth International Conference of the Italian Association for Artificial IntelligenceArtificial Intelligence Around Man and Beyond. Palermo： [s.n.]， 2011： 104116.

[17]劉棟棟，孔維偉，李磊，等. 北京地鐵交通樞紐行人特征的調查與分析[J]. 建筑科學，2010，26（3）： 7074.

LIU Dongdong， KONG Weiwei， LI Lei， et al. Survey and analysis of pedestrian characteristics in subway of Beijing[J]. Building Science， 2010， 26（3）： 7074.

[18]HELBING D，FARKAS I，VICSEK T. Simulating dynamical features of escape panic[J]. Nature， 2000， 407（6803）： 487490.

[19]BURSTEDDE C， KLAUCK K，SCHADSCHNEIDER A， et al. Simulation of pedestrian dynamics using a twodimensional cellular automaton[J]. Physica A， 2001， 295（3/4）： 507525.