高速列車風阻制動風翼抗鳥撞分析

左建勇，朱曉宇，吳萌嶺

（同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，上海 200092）

高速列車風阻制動風翼抗鳥撞分析

左建勇，朱曉宇，吳萌嶺

（同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，上海 200092）

對研制的復合材料高速列車風阻制動風翼建立有限元模型。據接觸－碰撞基本理論利用非線性動力分析軟件LS－DYNA對鳥撞制動風翼過程數值仿真，將計算結果與實驗數據對比驗證仿真過程的合理性。結果顯示，該制動風翼能承受500 km／h鳥體撞擊，極限能達625 km／h，滿足要求設計。鳥撞過程中制動風翼變形具有沖擊波傳遞特征，應力峰值主要出現在被撞擊區域，與底座相連部分及搖臂附近也會出現應力集中。

高速列車，制動風翼；鳥撞；復合材料；有限元分析

隨列車速度的不斷提高，風阻制動作為非粘制動形式因環保、制動性能好等特點而頗受關注［1－3］。與同高速列車司機室擋風玻璃，風阻制動裝置工作時升起的復合材料風翼板會受鳥類等物體撞擊，致風阻制動裝置及行車安全存在隱患。針對鳥撞，王猛等［4］建立飛機前風擋非對稱結構有限元模型并進行鳥撞數值模擬，分析應力、位移及應變響應；林長亮等［5］采用流固耦合方法對直升機槳葉鳥撞進行數值模擬，驗證計算方法及鳥體模型的合理性；Meguid等［6］建立鳥撞發動機葉片有限元模型，并分析3種不同鳥體本構模型對數值模擬結果影響；Guida等［7］針對復合材料機翼前緣進行鳥撞試驗及數值模擬，并對比分析數值模擬精度。資料表明鳥撞分析研究主要集中于航天航空領域，而軌道交通領域研究較少，且飛機鳥撞分析主要針對玻璃風擋或金屬結構，對復合材料結構的鳥撞模擬不多見。

本文研制的適于高速列車風阻制動樣機，采用復合材料風翼結構［8］。并以此為研究對象，用LS－DYNA有限元分析軟件，基于Lagrange耦合算法對復合材料層合結構風翼板的鳥撞過程進行動響應數值模擬，為結構的安全校核提供依據。

1 接觸－碰撞理論與仿真基礎

鳥撞制動風翼為典型的接觸－碰撞大變形動力學問題。整個過程中撞擊載荷隨時間及結構變形變化，導致載荷與結構耦合；撞擊時間較短，屬毫秒量級沖擊動力學行為；撞擊變形可達翼板厚度的幾倍以上，因此鳥撞制動風翼為復雜的非線性過程；但沖擊過程中系統須遵循質量、能量、動量守恒及初始邊界條件。據連續介質力學原理，在鳥與被撞物體組成系統中用Lagrange方法描述的任意時刻兩物體守恒方程為

2 仿真模型

圖1 鳥體模型的幾何形狀Fig．1Geometryofbirdmodel

2.1 鳥體模型

鳥體模型幾何形狀近似右端為半球的圓柱體，見圖1。實驗研究中Barber［9］測試各種鳥體密度獲得平均值約為水密度的95%。本文試驗中鳥體質量2．6kg。據幾何關系由圖1得D＝120mm，L＝260mm。

鳥撞制動風翼是為瞬時高度非線性碰撞過程。鳥體在碰撞瞬間呈流體性質，產生大變形甚至破碎，因此采用帶狀態方程的空材料模型。其EOS狀態方程為

式中：μ＝ρ／ρ0－1為壓縮比率；ρ為當前材料密度；ρ0為初始材料密度；C1為待定材料常數；E為內能。據定義相關參數［10］取C1＝2．25GPa，C0＝C2＝C3＝C4＝C5＝C6＝0GPa。

2.2 制動風翼模型

制動風翼采用復合材料層合結構，總厚度34mm，由5層材料組成，從上到下依次為碳纖維層（1mm）、玻璃纖維層（6mm）、PMI泡沫層（20mm）、玻璃纖維層（6 mm）、碳纖維層（1mm）。據有限元復合材料層合結構建模方法，整個制動風翼單元類型用能建立多層材料的SHELL163殼單元，對該層殼單元進行材料分層及鋪層角定義，每層碳纖維有兩層基體，各層0．5mm，鋪層角［0°／90°］。每層玻璃纖維有4層基體，各層1．5 mm，鋪層角［0°／45°／90°／－45°］。PMI泡沫等效成兩層基體，各層10mm，鋪層角［0°／90°］。總鋪層形式見圖2，材料號2、6對應碳纖維，材料號3、5對應玻璃纖維，材料號4對應PMI泡沫。

圖2 制動風翼復合材料鋪層Fig．2Compositelayersofbrakewing

由于復合材料各向異性，故采用帶損傷的復合材料模型。基于Chang－Chang失效準則［11－12］，共有3種破壞準則對應不同破壞模式，主要涉及5參數，即縱向拉伸強度S1、橫向拉伸強度S2、面內剪切強度S12、橫向壓縮強度C2及非線性剪切應力參數α。S1，S2，S12，C2由相材料強度試驗數據獲取，α由材料剪應力應變試驗數據取得。其它材料參數據文獻［13］獲得。該模型材料應力應變關系為

式中：ε1，ε2，ε12分為材料縱橫向拉伸應變、面內剪應變；σ1，σ2，τ12為材料縱橫向拉伸應力、面內剪應力；v1，v2分為縱橫向泊松比；E1，E2，G12為縱橫向拉伸模量、面內剪切模量；α為非線性剪切應力參數。由此獲得3個失效準則。

式中：σn為層間正應力，σs層間剪應力；NFLF為層間拉伸失效應力；SFLF層間剪切失效應力。

材料層間用粘膠粘結，據生產制動風翼資料，此粘結強度大于未粘結強度，層間正應力、剪應力約為800 MPa，200 MPa。

鳥撞風翼板有限元模型見圖3，風翼板與水平面成75°夾角，與底座相連的3位置采用固支約束，與搖臂相連部分（黃色部分節點）只釋放繞x軸轉動自由度，鳥體撞擊速度與水平面平行，速度為500 km／h。

圖3 鳥撞風翼板整體有限元模型Fig．3 FEmodel of bird and brake wing

3 仿真結果與分析

圖4為不同時刻制動風翼與鳥體的Von Mises應力云圖。由圖4看出，撞擊過程中制動風翼未發生破壞或明顯塑性變形，符合強度要求。鳥體網格與風翼板網格發生耦合后，風翼板中心區域在鳥體沖擊作用下不斷發生變形并向周圍擴散，鳥體亦發生流變，縱向長度不斷變小，鳥體材料向周圍擴散，產生破碎趨勢。風翼板在沖擊作用下產生應力波，隨耦合過程進行應力波從中心區域不斷向周圍擴散。在耦合作用前期，較大應力區域出現在風翼板被沖擊的中心區域，但隨撞擊的繼續進行，產生較大應力區域向撞擊點周圍轉移，尤其在約束處應力波傳遞受阻會形成應力集中。

圖4 鳥撞風翼板不同時刻Von mises應力云圖（單位Pa）Fig．4 Vonmises stress of bird impacting on the brake wing at different points

不同材料層撞擊點Von Mises應力變化曲線見圖5。由圖5看出，碳纖維產生的應力最大，玻璃纖維次之，PMI泡沫應力最小，玻璃纖維產生的應力僅一個峰值并在撞擊初始產生，之后迅速衰減，碳纖維應力在開始產生峰值一段時間后出現第二次峰值再逐漸衰減，說明傳播的應力波遇約束后可能經反射回到撞擊點產生疊加效應。

圖6為鳥撞試驗中空氣壓力槍及試驗樣件現場，模擬鳥體裝入壓力槍中以500 km／h速度射擊到風翼板試件上，風翼板表層包括撞擊點在內多處布置三向應變片用于測量三方向應變變化，所測數值由DH5927動態應變儀采集并記錄。

圖7為風翼板表層撞擊點試驗測得與數值模擬所得三方向應變變化曲線。由圖7看出，或試驗或仿真X向應變均最大，Z向應變最小，三方向應變均呈欠阻尼衰減趨勢；且實驗測所得最大應變值約1 600με，數值模擬最大值為1 670με，誤差4．4%，從而驗證有限元模型的合理性及可參考性。圖7中X向為風翼板縱向高度方向，Y向為風翼板橫向長度方向，Z向為鳥撞方向。

圖5 不同材料層撞擊點Von Mises應力變化曲線Fig．5 Vonmises stress curve of impact point of differentmaterial layers

圖6 鳥撞試驗現場Fig．6 Bird impact test site

圖7 試驗與仿真結果對比Fig．7 Comparison between experiment and simulation result

為進一步檢驗制動風翼承受鳥撞的極限情況，對不同速度下鳥體撞擊風翼板進行數值模擬。取撞擊處每種材料最大應力值進行分析，見表1。由表1看出，速度越大撞擊后產生的應力也越大。當鳥體速度達到625 km／h時，風翼板撞擊點發生部分破損，且撞擊區域向板后凸起，塑性變形嚴重，其應力云圖及變形見圖8。

表1 不同鳥撞速度下風翼板不同材料最大應力值（MPa）Tab.1 Maximum stress of differentmaterials of brake wing under different bird impact speeds

圖8 625 km／h鳥撞作用下風翼板應力、應變圖Fig．8 Stress and strain contour of brake wing under the bird impactwith 625 km／h

4 結 論

采用Lagrange耦合方法對鳥撞復合材料風翼板沖擊過程進行數值模擬，結論如下：

（1）所建有限元模型能較好模擬鳥撞沖擊過程，通過與試驗數據對比知誤差在5%范圍內，模型與算法的正確性、合理性得到驗證。

（2）鳥體撞擊制動風翼過程中應力最大值出現在撞擊點區域，但隨應力波的擴散非中心撞擊區域亦會出現應力峰值，尤其在風翼板與底座、搖臂相連位置附近易出現應力集中，需抗沖擊保護。

（3）復合材料層合結構風翼板能抵抗500 km／h速度鳥體撞擊而不發生破壞，滿足設計要求。破損臨界工況為鳥體速度約達625 km／h，破壞從撞擊區域開始并伴隨較大塑性變形。

［1］Masafumi Yoshimura，周賢全，初明玲．山梨試驗線車輛空氣動力制動［J］．國外鐵道車輛，2001，38（3）：32－35．

Masafumi Yoshimura，ZHOU Xian-quan，CHU Ming-ling．Characteristics of the aerodynamic brake of the vehicle on the yamanashimaglev test line［J］．Foreign Rolling Stock，2001，38（3）：32－35．

［2］吉村正文．宮崎試驗線車輛空氣動力制動裝置的開發［J］．國外鐵道車輛，1996（5）：43－47．

Jungwen Y．Aerodynamic braking device development of miyazaki test line vehicle［J］．Foreign Rolling Stock，1996（5）：43－47．

［3］田春，吳萌嶺，任利惠，等．空氣動力制動研究初探［J］．鐵道車輛，2009，47（3）：10－12．

TIAN Chun，WU Meng-ling，REN Li-hui，et al．Initial discussion of research in aerodynamic brake［J］．Rolling Stock，2009，47（3）：10－12．

［4］王猛，黃德武，羅榮梅．飛機前風擋非對稱結構的鳥撞數值模擬［J］．機械科學與技術，2012，31（2）：291－294．

WANG Meng，HUANG De-wu，LUO Rong-mei．Simulating aircraft’s asymmetrical windshield subjected to bird impact［J］．Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering，2012，31（2）：291－294．

［5］林長亮，王浩文，陳仁良，等．采用流固耦合方法的直升機槳葉鳥撞數值模擬［J］．科學技術與工程，2012，12（1）：2－5．

LIN Chang-liang，WANG Hao-wen，CHEN Ren-liang，et al．Numerical Simulation of bird impact on the helicopter blade by fluid-structure coupling method［J］．Science Technology and Engineering，2012，12（1）：2－5．

［6］Meguid S A，Mao R H，Ng T Y．FE analysis of geometry effects of an artificial bird striking an aeroengine fan blade［J］．International Journal of Impact Engineering，2008（35）：487－498．

［7］Guida M，Marulo F，Meo M，et al．Analysis of bird impact on a composite tailplane leading edge［J］．Appl Compos Mater，2008，15（4／6）：241－257．

［8］Zuo Jian-yong，Wu Meng-ling，Tian Chun，et al．Aerodynamic braking device for high-speed trains：design，simulation，and experiment［J］．Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part F：Journal of Rail and Rapid Transit，2014，228（4）：333－342．

［9］Barber JP，Taylor H R，Wilbeck JS．Bird impact forces and pressures on rigid and compliant targets［R］．Technical Report AFFDL-TR－77－60，Air Force Flight Dynamics Laboratory，1978．

［10］Langrand B，Bayart A S，Chauveau Y．Assessment of multiphysics fe methods for bird strike modeling-app licationto a metallic riveted airframe［J］．International Journal of Crashworthiness，2002，7（4）：415－428．

［11］Lannucci L．Progressive failure modeling of woven carbon composite under impact［J］．International Journal of Impact Engineering，2006，32（6）：1013－1043．

［12］Chang F，Chang K A．Progressive damagemodel for laminated composites containing stress concentrations［J］．J Compos Mater，1987（21）：834－855．

［13］鄭涵天，王富生，岳珠峰．復合材料雷達罩鳥撞破壞流固耦合動響應分析［J］．振動與沖擊，2012，31（8）：170－175．

ZHENG Han-tian，WANG Fu-sheng，YUE Zhu-feng．Dynamic response analysis for damage of a composite radome due to bird striking based on fluid-solid coupling method［J］．Journal of Vibration and Shock，2012，31（8）：170－175．

［14］王澤鵬，胡人喜，康氏廷．ANSYS 13．0／LS-DYNA非線性有限元分析［M］．北京：機械工業出版社，2011．

Numerical analysis of anti-bird impact performance of aerodynam ic brake wing on high-speed train

ZUO Jian-yong，ZHU Xiao-yu，WU Meng-ling
（Institute of Rail Transit，Tongji University，Shanghai200092，China）

A finite elementmodel of the bird and composite brakewing on high speed train was established．Based on contact-collision theory and by using non-linear dynamic analysis software LS-DYNA the process of bird impact on aerodynamic brake wing was simulated．Through the comparison of the experiment and numerical simulation results，the rationality and feasibility of the model were verified．The simulation results show that the designed brake wing can withstand the bird strikewith a speed of500 km／h and the limiting case is the bird velocity reaching about625 km／h．In the impact process，the deformation history of the brake wing shows the feature of shock wave transmission．The peak stressmainly distributes in the surrounding of impacted area and the stress concentrationmay appear in the vicinity of the part connected to the bottom case and rocker arm．

high-speed train；aerodynamic brake wing；bird impact；composite laminate；finite element analysis

U270．1

：A

10．13465／j．cnki．jvs．2014．22．006

中央高校基本科研業務費專項資金資助（2860219030）；牽引動力國家重點實驗室開放課題資助（TPL1308）

2013－08－07 修改稿收到日期：2013－12－10

左建勇男，博士，副教授，1976年生郵箱：zuojy＠tongji．edu．cn