軌道臥鋪客車碰撞吸能特性研究

修瑞仙， 劉艷文， 高允峰， 丁 頌

(1.長春師范大學 工程學院， 吉林 長春 130032;2.中國北車長春軌道客車股份有限公司， 吉林 長春 130062)

軌道臥鋪客車碰撞吸能特性研究

修瑞仙1， 劉艷文2， 高允峰1， 丁 頌1

(1.長春師范大學 工程學院， 吉林 長春 130032;2.中國北車長春軌道客車股份有限公司， 吉林 長春 130062)

根據耐碰撞車體結構原理設計出具有吸能效果的耐碰撞性車體，進行了車體結構一、二位車端撞擊剛性墻仿真研究，結果表明,該車體中車端結構產生塑性大變形，客室結構無塑性變形，車體耐碰撞性明顯得到改善，車體縱向剛度分布合理。建立了單節客車碰撞動力學模型，仿真研究車鉤緩沖特性，結果表明，帶有車鉤及防爬吸能裝置的車體結構具有較好的吸能特性，在防爬吸能元件壓潰行程全部壓縮后，車體端部產生塑性變形吸能碰撞能量，客室未發生塑性變形。

軌道臥鋪客車； 耐撞性； 非線性有限元； LS-DYNA

0 引 言

列車的安全防御系統分為主動安全防御系統和被動安全防御系統[1-3]。主動安全防御系統闡述為防止碰撞所采取的各項措施，包括車輛系統的檢測、操作、運用、維修和人員素質等多個方面，需要制定詳細的規則和多方面的合作，是一個復雜的系統工程；被動安全防御系統也就是所謂的第二安全措施，通過車輛自身結構耐撞性能來緩減碰撞影響，并通過內部設計來減少人員傷亡。

鐵路系統的復雜性致使其主動安全防御系統不能完全杜絕碰撞事故的發生，世界范圍內近兩年多時間里就發生了數十起列車碰撞事故，造成了生命和財產的巨大損失，其中無論是印度、中國等發展中國家，還是日本、德國、阿根廷等發達國家都未能幸免，其中不乏重特大碰撞事故[4-5]。因此，在積極主動地采取合理手段盡最大可能避免列車碰撞事故的同時，研究在碰撞事故發生時列車自身結構特性及司乘人員的安全性，開發一種在碰撞事故發生時車體結構耐碰撞且可以給司乘人員提供保護的鐵路客車結構顯得尤為重要。

1 動態非線性有限元理論基礎

描述碰撞現象的主要方法有：Euler法、Lagrange法和ALE法。Euler法多用于流體力學問題，在固體力學中用的很少；ALE法是處理流體-固體相互作用的較好方法，適用高速碰撞現象的描述，其理論和算法較復雜，在具體編程和工程中不易實現；而Lagrange法是目前描述固體碰撞行為的最成熟、最方便的方法。采用Lagrange法描述的有限元法可以處理高速碰撞工程中復雜的邊界條件和復雜的材料本構關系，并且對接觸滑移面描述非常方便。LS-DYNA程序主要采用Lagrange描述增量法，利用虛功原理建立非線性大變形的有限元控制方程。

考慮一個運動系統，某質點在初始時刻t=0時位于B處，在固定的笛卡爾坐標系下其坐標為xα(α=1,2,3) 。 經時間t，該質點運動到位置b，在同一笛卡爾坐標系下的坐標為xi(i=1,2,3)，采用Lagrange描述增量法可得：

(1)

在t=0時，初始條件為：

(2)

(3)

式中:Vi----初始速度。

根據連續介質力學原理，整個運動系統必須保持質量守恒、動量守恒和能量守恒。系統的質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程分別如下：

(4)

(5)

(6)

式中:ρ----當前質量密度；

J----體積變化率；

ρ0----初始質量密度;

σij,j----柯西張量;

fi----單位質量體積力;

E----當前能量;

V----當前體積;

Sij----偏應力張量;

p----壓力;

q----體積粘性阻力。

根據虛功原理，可以得出碰撞系統的控制方程：

(7)

式中,各個積分項分別表示單位時間內系統的慣性力、內力、體積力和表面力所作的虛功。

對式(7)進行離散化，得到離散方程：

(8)

式中:M----總體質量矩陣;

P----總體載荷矢量，由節點載荷、面力、體力等組成;

F----由單元應力場的等效節點力矢量組合而成。

考慮到粘性阻尼項，式(8)變為：

(9)

2 車體原結構碰撞吸能特性研究

200 km/h客車車體為不銹鋼、全點焊結構，只有在車體局部結構(如枕梁與邊梁連接處)采用鉚接和螺栓連接。以車體主結構用殼單元shell163來模擬，車體設備用質量單元mass166來模擬，車體點焊用梁單元beam188來模擬，車體上的鑄造件用體單元solid164來模擬。

在數值仿真模擬中，200 km/h客車車體一位端、二位端分別以36 km/h的初速度撞擊剛性墻，研究車體鋼構自身的碰撞力學性能及動態響應。仿真過程中采用三類接觸類型，車體端部與剛性墻的自動面面接觸(automatic surface-to-surface contact)；車體端部發生大變形時的自動單面接觸(automatic single-surface contact)；輪對在軌道上運動時的自動點面接觸(automatic node-to-surface contact)。靜摩擦系數和動摩擦系數分別取0.20和0.15，材料采用隨動硬化彈塑性材料模型，忽略初始穿透，且在計算中考慮殼單元的厚度[6-8]，其碰撞動力學模型(以一位端為例說明)如圖1所示。

圖1 客車碰撞動力學模型

200 km/h客車車體一位端、二位端碰撞仿真結束時的結構變形圖分別如圖2和圖3所示。

圖2 客車車體一位端碰撞仿真變形圖

圖3 客車車體二位端碰撞仿真變形圖

由圖中可以看出，碰撞變形過程中，車體一位端沿著枕梁附近的車體中部發生塑性大變形；車體二位端變形則更為嚴重，其位置為客車側墻第二個車窗，而車體端部的無乘客區域變形很小，這將嚴重危及乘員的生命安全。車體的縱向剛度分布不合理，車體不滿足耐碰撞車輛的要求，需要對車體結構進行改進。

3 吸能車體結構設計及耐撞性分析

3.1車體端部結構設計

根據上面碰撞仿真結果可知，200 km/h客車車體縱向剛度分布不合理，車端剛度大于客室剛度，導致發生碰撞時客室先于車端發生塑性大變形，乘員的生命安全將受到嚴重威脅，這與耐碰撞吸能車體結構的設計嚴重相悖。耐碰撞吸能車體的設計理念主要是基于對車體縱向剛度的合理分布，即車體結構應該在其縱向的兩端設置弱剛度的吸能車端，車體縱向剛度按“弱-強-弱”設置，這樣當車端受到嚴重碰撞時，其弱剛度區將發生大變形而吸收碰撞能量，保護客室的安全。本節正是基于耐碰撞吸能車體的設計理念對200 km/h客車車體端部結構進行改進，減弱其縱向剛度，同時增加安裝防爬吸能裝置的接口，使其成為具有兩級吸能結構的耐碰撞性車體。車體端部結構修改如圖4和圖5所示。

(a) 一位端門框

(b) 車體端墻

(a) 底架一位端

(b) 底架二位端

3.2防爬吸能元件設計

防爬吸能裝置主要由防爬器和吸能元件兩個功能模塊組成，一般通過螺栓等連接方式安裝在車體底架端部。防爬器主要為防止列車碰撞時產生“爬車”現象；吸能元件可以有效吸收碰撞沖擊動能。防爬器一般為鑄造件，其結構形式較為單一，而吸能元件作為防爬吸能裝置的吸能主體，其結構如何設計可以使得其在碰撞過程中能夠吸收更多的撞擊能量,受到更多設計者的關注。

因此，把設計重點放在了吸能元件上，根據耐碰撞性車體吸能元件的設計要求，通過分析現在常用的吸能裝置，研究設計了4種新型吸能元件方案，見表1。

吸能元件所用材料為Q235，利用準靜態軸向壓縮仿真得到各設計方案的吸能指標，并且以第一種方案為基準，比較各設計方案的優劣，準靜態壓縮有限元模型如圖6所示。

圖6 吸能元件準靜態仿真模型

表1 吸能元件設計方法

通過剛性墻施加速度載荷對吸能元件進行壓縮，速度為1 m/s，仿真時間0.29 s。

對于不同的實際問題，能量吸能裝置性能優劣的評價可以采用各種各樣的指標。其中比吸能、最大軸壓力、平均軸壓力、緩沖指數等是研究人員最常用的幾個評價指標。

各種方案耐撞性能比較，以第一種方案為基準，比較分析各種方案的參數變化，見表2。

由表2可知，吸能元件設計方案2比吸能最大，而緩沖指數較小，質量和最大界面力峰值相對較小，為吸能元件設計最優方案。200 km/h客車選取設計方案2作為車體端部的防爬吸能元件。

吸能元件設計方案2相對應的防爬吸能裝置如圖7所示。

圖7 防爬吸能裝置設計方案2

3.3吸能車體結構碰撞吸能特性研究

按照3.2仿真研究方法，對改進后車體結構進行耐碰撞性分析。動力學模型的建模過程、載荷、邊界條件及相關參數的設置和3.2中完全相同。

表2 吸能元件耐撞性指標對比

改進后車體結構一位端和二位端碰撞仿真變形圖分別如圖8和圖9所示。

圖8 改進后車體結構一位端碰撞仿真變形圖

圖9 改進后車體結構二位端碰撞仿真變形圖

4 兩級吸能車體結構耐碰撞性考核

將3.3設計好的吸能車體結構和方案2吸能元件進行組合，生成具有雙重吸能作用的耐碰撞性車體。組合后車體底架端部一位端、二位端結構如圖10所示。

(a) 底架一位端

(b) 底架二位端

按照標準EN15227附錄D4中對單節客車的耐撞性進行考核。碰撞仿真工況示意圖如圖11所示。

圖11 單節客車設計碰撞仿真工況示意圖

碰撞計算中考慮車鉤緩沖裝置的剪切失效特性，鉤緩裝置用離散梁單元來進行模擬，其輸入特性曲線如圖12所示。

圖12 密接式車鉤緩沖器特性曲線

碰撞仿真結束后,A1,A2,A3界面碰撞結束后車端變形圖分別如圖13～圖15所示。

仿真結束后，A4界面車端沒發生接觸(在此只給出圖13～圖15)。由仿真結果可知，碰撞過程中車鉤失效脫落后，防爬吸能裝置接觸產生變形吸收碰撞能量，吸能元件有效行程走完后，車體端部開始接觸并發生塑性大變形，吸收余下的碰撞動能。在整個碰撞過程中，僅車端結構發生塑性大變形，而客室結構未發生塑性變形。

圖13 A1界面碰撞結束后車端變形圖

圖14 A2界面碰撞結束后車端變形圖

圖15 A3界面碰撞結束后車端變形圖

待評估客車縱向長度隨時間的變化曲線及縱向平均加速度隨時間的變化曲線分別如圖16和圖17所示。

由曲線可知，在碰撞中客車車體縱向變形最大為145.2 mm，遠小于車體縱向長度的10%(車體縱向長度為25.8 m)，待評估客車的平均縱向加速度為4.622g，小于規定的5g，滿足標準EN15227的要求。

整個碰撞過程中能量、碰撞界面力隨時間的變化曲線分別如圖18和圖19所示。

圖18 整個碰撞過程中能量-時間曲線

圖19 整個碰撞過程中界面力-時間曲線

從整個碰撞情況來看，碰撞能量主要由車鉤、吸能防爬器、車體端部結構吸收，此外接觸面的滑移耗散能也相當可觀。

5 結 語

1)200 km/h客車車體原結構縱向剛度分布不合理，通過對其端部結構進行改進，設計出吸能效果較好的耐撞性車體。通過仿真結果可知，改進后的車體結構縱向剛度分布合理，其端部結構具有良好的吸能特性，碰撞過程中可以有效保護客室結構，滿足耐碰撞性車體的要求。

2)根據耐碰撞車體吸能元件的設計要求，設計出耐碰撞性能較好的吸能元件。將設計的吸能車體和吸能元件進行組合，生成兩級吸能車體結構，按照標準EN15227附錄D4工況對200 km/h客車進行耐碰撞性考核。仿真結果表明，在整個碰撞過程中，僅車端結構發生塑性大變形，客室結構未發生塑性變形，車體的各項響應均滿足標準EN15227的要求。

3)以200 km/h客車車體為研究對象，成功設計出具有兩級吸能結構的耐撞性車體，為客車被動安全防護系統進行了一次有意義的嘗試，為以后客車吸能車體的設計研究提供了理論和工程依據。

[1] 陳漢珍．城際列車耐碰撞性車體研究[D]：[碩士學位論文].成都：西南交通大學，2008.

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[4] 張志新.高速列車耐撞性結構及安全性研究[D]：[碩士學位論文].成都：西南交通大學，2012.

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[8] 趙海鷗.LS-DYNA動力分析指南[M].北京：兵器工業出版社，2003.

Simulation study on crashworthiness of railway sleeper vehicle

XIU Rui-xian1, LIU Yan-wen2, GAO Yun-feng1, DING Song1

(1.School of Mechanical Engineering, Changchun Normal University, Changchun 130032, China;2.CNR Changchun Railway Vehicles Co., Ltd., Changchun 130062, China)

According to design concepts of the car-body structure of crashworthiness vehicle, a vehicle car-body structure with improved crashworthiness property is designed, and simulation of crash features of the improved car-body structure is carried. The results show that the large plastic deformation is produced only at the ends of the car-body but no deformation in passenger space. The crashworthiness of the car-body is obviously improved and the longitudinal stiffness distribution of the car-body is reasonable. An impact dynamic modal to assess the crashworthiness of a single railway vehicle was built and tested with simulation, and it is showed the car-body with coupler-buffering and the anti climbing energy absorption device has better energy-absorption ability. After crushing stroke test, the ends of the car-body absorb energy with plastic deformation but no deformation in passenger space.

railway sleeper vehicle; crashworthiness; nonlinear finite element; LS-DYNA.

2014-09-29

長春師范大學自然科學基金資助項目

修瑞仙(1987-)，女，漢族，遼寧莊河人，長春師范大學助教，碩士，主要從事軌道車輛強度及疲勞研究,E-mail:liu494495151@163.com.

TU 270.12

A

1674-1374(2014)06-0723-08