基于材料與結構一體化的車輛吸能結構碰撞仿真

劉小波等

摘要： 從車輛耐撞結構和吸能材料兩方面入手，基于材料與結構一體化思想，利用數值仿真技術研究某高速動車被動安全性問題.設計5種適用于高速動車的吸能結構，分別為普通雙層吸能管結構，3種端部帶有不同薄弱環節的雙層吸能管結構和泡沫鋁材料夾心雙層吸能管結構；利用PAMCRASH軟件，分別將5種不同吸能結構安裝到整車上進行相同編組對撞試驗仿真；針對碰撞仿真結果評價車輛的整體被動安全性，并通過各工況結果的對比分析找出最優吸能裝置.結果表明：泡沫鋁夾心吸能裝置在加速度和逃生空間評價指標中表現最好，在以后的吸能結構設計中可適當采用.

關鍵詞： 高速動車； 被動安全； 吸能結構； 碰撞仿真； 加速度； 逃生空間

中圖分類號： U270.2；TB115.1文獻標志碼： B

Abstract： Based on the integration of materials and structures， the numerical simulation technology is used to study the passive safety issues of a highspeed motor car from the vehicle crashworthiness structure and energyabsorbing materials. Five energyabsorbing structures are designed for highspeed car， including ordinary double energyabsorbing tube structure， three double energyabsorbing tube structure with different weaknesses and aluminum foam sandwich double energyabsorbing tube structure； by PAMCRASH， the five kinds of energyabsorbing structures are installed on the same vehicle collision test group to perform collision test simulation； the overall passive safety of the vehicle is evaluated according to the collision simulation results， and the optimal energyabsorbing device is obtained by comparing the results of various conditions. The results indicate that the aluminum foam sandwich energyabsorbing device has the best performance in several indicators of acceleration and escape space， which can be applied appropriately in the future design of energyabsorbing structure.

Key words： highspeed motor car； passive safety； energyabsorbing structure； crash simulation； acceleration； escape space

引言

近年來，隨著大型計算機的發展，數值仿真技術越來越多地被應用于大變形碰撞仿真分析.各種先進有限元軟件的出現也加速數值仿真分析的應用.數值仿真分析技術可以在產品的設計階段對車輛進行被動安全性分析，通過分析可以較好地對產品進行再設計，保證產品在虛擬碰撞中的安全性.

20世紀90年代，專門從事鐵路車輛碰撞問題的部門在英國首先成立，采用理論分析、試驗研究和計算機數值仿真分析的方法對車體的耐撞性和吸能元件進行較為深入的研究，成功總結出車輛的耐撞性設計原理.[1]德國將耐沖擊車體結構技術應用在城市輕軌車輛和ICE第三代列車上.[2]歐盟和國際鐵路協會共同承擔名為SAFETRAIN的歐洲列車防碰撞性項目，涉及鐵道車輛的設計和乘客的保護.[38]目前，我國鐵路車輛的大變形碰撞分析技術尚處于起步階段，大多數的車輛耐撞性研究基于計算機仿真技術進行分析.姚松等[9]研究客運列車耐沖擊吸能車體并提出新的設計方法.劉金朝等[1]用PAMCRASH對25型客車進行單節車體與靜止剛性墻、單節車體與單節車體和車體與剛性墻斜撞等大變形碰撞進行仿真，并對車內假人模型的傷害情況進行研究.劉作廣等[10]運用耐撞性仿真技術對高速列車上的基本吸能元件進行試驗分析，其研究成果成功應用于北京8號線地鐵.賈宇[11]用ANSYS/LSDYNA對DF8B型內燃機車和高速動車組進行仿真并根據蜂窩結構原理設計吸能裝置.謝素明等[1213]和陳秉智等[14]近年來也開展對機車車輛大變形碰撞仿真工作的研究.

本文以某高速列車車體為研究對象，基于材料與結構一體化思想和大變形碰撞理論，通過對車輛吸能和防撞裝置的結構和材料的研究提高車輛的被動安全性能.建立5種適用于高速動車的吸能結構，分別為普通雙層吸能管結構、3種端部帶有薄弱環節的典型雙層吸能管結構和泡沫鋁材料夾心雙層吸能管結構.用PAMCRASH分別將5種不同的吸能結構安裝到整車上進行相同編組對撞試驗.針對碰撞仿真結果評價車輛的整體被動安全性，并通過各工況結果的對比，分析各個吸能裝置的優劣.

1碰撞有限元仿真理論基礎

在整個撞擊過程中，鉤緩吸能裝置變形模式較好，為順序褶皺變形，但運動頭車的車鉤吸能管的外層鋼板沒有發生完全壓潰，產生部分滑移.從整體上看，車鉤吸能管沒有發生失穩現象，當前端吸能管吸能完成后，車體開始接觸，車體前端開始發生塑性變形.變形區域主要集中在車輛司機室附近的地板和下部的牽引梁處.從車輛車身變形角度看，車輛鉤緩裝置和防撞裝置起到很好的作用，車輛司機室和乘客區域沒有發生褶皺和翹曲，為乘客和司機保留足夠的生存空間.

3.2工況2下車輛碰撞仿真分析

工況2下車體前端不同時刻變形見圖8，可知，鉤緩吸能裝置順序發生褶皺變形，直至完全壓潰.前端吸能管的薄弱環節設置起到很好的變形引導作用，沒有發生不規則的失穩現象.當前端吸能管吸能完成后，車體開始接觸，車體前端開始發生塑性變形.變形區域主要集中在車輛司機室附近的地板和下部的牽引梁處.

4.3碰撞過程中車體各部位加速度結果分析

根據EN 15227標準的相關規定，需要對相互碰撞的車輛加速度進行評價，因此在車體的各個位置分別選取加速度考察點.運動頭車的加速度考察點選擇如下：車體前端防撞裝置考察點1746828，車體前端底架考察點1753469，車體后端考察點1921340.靜止車體加速度考察點選擇如下：車體前端防撞裝置考察點10191561，車體司機室地板考察點10198247，車體后端考察點10369524.運動頭車考察點加速度時間曲線見圖14，靜止頭車考察點加速度時間曲線見圖15.根據各考察點的最大加速度值和平均減速度值可以看出，當車輛發生碰撞時，車輛前端產生的最大加速度值和平均減速度值明顯高于車體其他部位，說明車體前端的司機和乘客最容易受傷.在整個碰撞過程中車身的加速度值都沒有超過相關標準中的規定；標準中規定平均減速度值小于5g，考察點全部滿足要求.輔助參考美國的“旅客列車設備安全標準（621FR49727）”和“聯邦汽車安全標準（FMVSS208）”規定，最大加速度小于60g，全部考察點滿足要求，說明前端的鉤緩裝置和車體前端的防撞裝置設置合理，滿足車輛的被動安全性要求.

4.4各方案對比分析

虛擬碰撞試驗參照歐洲EN 15227標準.該標準對車輛碰撞安全性的衡量主要體現在2個指標上：一個是車輛發生碰撞后的加速度，另一個是發生碰撞后車輛的逃生空間（車輛中有人員乘坐或通過的區域）的變形量.所以，對不同吸能裝置的評價主要從以上2個指標考察.

由表1和2可知，工況5即裝有泡沫鋁夾心雙層管車鉤的車輛，碰撞后的加速度表現最好，所有考察點的最大加速度和平均減速度都小于其他工況的數值.由表3可知，在車身縱向壓縮百分比和司機室垂向壓縮百分比中，工況5即裝有泡沫鋁夾心雙層管車鉤的車輛的壓縮量最小.

工況5所用車鉤唯一的不足就是車輛撞擊力不是在所有對比工況中最小的，主要原因是由于裝有泡沫鋁夾心的車鉤剛度過大，導致車鉤過早脫離車體，車輛過早接觸，從而撞擊力過大.在EN 15227標準中沒有對撞擊力做出明確要求，補充標準英國鐵路組織標準GM/RT2100的第9.1條規定：對于非動車組和固定編組的列車，撞擊力不應超過4 000 kN，最好限制為3 000 kN以內.工況5的撞擊力沒有超過補充標準中3 000 kN的規定.

5結論

基于材料與結構一體化思想，利用虛擬數值仿真技術，對5種不同的吸能管結構進行碰撞仿真分析.仿真結果表明：裝有泡沫鋁夾心裝置的吸能管在整車碰撞仿真中性能最好，其在最大加速度、平均減速度和逃生空間這3大指標中都最優秀.所以，在今后鐵路車輛吸能裝置的設計上，可以適當引入泡沫鋁夾心材料，以此來提高車輛的吸能效果.

參考文獻：

[1]劉金朝， 王成國. 城市軌道車輛防碰撞性研究[J]. 現代城市軌道交通， 2005（2）： 3641.

LIU Jinchao， WANG Chengguo. Urban rail vehicle collision prevention study[J]. Modern Urban Transit， 2005（2）： 3641.

[2]呂志東. 某地鐵車大變形碰撞分析和結構優化研究[D]. 大連： 大連交通大學， 2011： 121

[3]HECHT M. 有軌電車和輕軌車輛的防碰撞性[J]. 國外鐵道車輛， 2005， 42（5）： 3941

HECHT M. The crashworthiness of tramcar and LRV[J]. Foreign Rolling Stock， 2005， 42（5）： 3941.

[4]SCHOLES A， LEWIS J H. Development of crashworthiness for railway vehicle structures[J]. Proc Inst Mech Eng： Part F： J Rail & Rapid Transit， 1995，207（1）： 116.

[5]SCHOLES A. 歐洲鐵路碰撞技術的開發[J]. 國外鐵道車輛， 1998（1）： 2326.

SCHOLES A. European railway collision technology development[J]. Foreign Rolling Stock， 1998（1）： 2326.

[6]ERSKINE A. Literature review of rail vehicle structural crashworthiness[EB/OL]. （20120727） [20140606]. http：//www.trb.org/Main/Blurbs/157171.aspx.

[7]LANGSETH M， HOPPERSTAD O S， BERSTAD T. Crashworthiness of aluminium extrusions： validation of numerical simulations， effect of mass ratio and impact velocity[J]. Int J Impact Eng， 1999（22）： 829854.

[8]劉金朝， 房加志， 王成國， 等. 鐵道客車大變形碰撞仿真研究[J]. 中國鐵道科學， 2004， 25（6）： 18.

LIU Jinchao， FANG Jiazhi， WANG Chengguo， et al. Simulation research on finite deformation crashworthiness of railway passenger car[J]. China Railway Sci， 2004， 25（6）： 18.

[9]姚松， 田紅旗. 車輛吸能部件的薄壁結構碰撞研究[J]. 中國鐵道科學， 2001， 22（2）： 5560.

YAO Song， TIAN Hongqi. Crash research on thinshelled structure as vehicle energyabsorbing components[J]. China Railway Sci， 2001， 22（2）： 5560.

[10]劉作廣， 趙洪倫. 耐碰撞車體吸能元件研究[J]. 同濟大學學報：自然科學版， 2003， 31（10）： 12121216.

LIU Zuoguang， ZHAO Honglun. Research on the energy absorption components of the collision resistant carbody[J]. J Tongji Univ： Nat Sci， 2003， 31（10）： 12121216.

[11]賈宇. 機車車體耐碰撞結構設計與碰撞仿真研究[D].西南交通大學， 2005： 3780.

[12]謝素明， 王慶艷， 陳秉智， 等. 客車車體碰撞吸能結構優化設計方法研究[J]. 現代制造工程， 2007（5）： 113115.

XIE Suming， WANG Qingyan， CHEN Bingzhi， et al. Research on optimization design method for passenger carbody endergonic structure[J]. Modern Manufacturing Eng， 2007（5）： 113115.

[13]謝素明， 兆文忠， 閆雪冬. 高速車輛大變形碰撞仿真基本原理及應用研究[J]. 鐵道車輛， 2001， 39（8）： 143.

XIE Suming， ZHAO Wenzhong， YAN Xuedong. Fundamental principles and application research on simulation of collision with large deformation of high speed cars[J]. Rolling Stock， 2001， 39（8）： 143.

[14]陳秉智， 傘軍民， 孫彥彬， 等. 薄壁構件的抗碰撞吸能研究[J]. 大連交通大學學報， 2008， 29（5）： 99103.

CHEN Bingzhi， SAN Junmin， SUN Yanbing， et al. Anticrashing energyabsorbing simulation of thinwalled components[J]. J Dalian Jiaotong Univ， 2008， 29（5）： 99103.

[15]劉婷婷. 鋁合金車體碰撞仿真及車體前端結構抗撞性優化設計[D]. 大連： 大連交通大學， 2012： 121.（編輯于杰）

[8]劉金朝， 房加志， 王成國， 等. 鐵道客車大變形碰撞仿真研究[J]. 中國鐵道科學， 2004， 25（6）： 18.

LIU Jinchao， FANG Jiazhi， WANG Chengguo， et al. Simulation research on finite deformation crashworthiness of railway passenger car[J]. China Railway Sci， 2004， 25（6）： 18.

[9]姚松， 田紅旗. 車輛吸能部件的薄壁結構碰撞研究[J]. 中國鐵道科學， 2001， 22（2）： 5560.

YAO Song， TIAN Hongqi. Crash research on thinshelled structure as vehicle energyabsorbing components[J]. China Railway Sci， 2001， 22（2）： 5560.

[10]劉作廣， 趙洪倫. 耐碰撞車體吸能元件研究[J]. 同濟大學學報：自然科學版， 2003， 31（10）： 12121216.

LIU Zuoguang， ZHAO Honglun. Research on the energy absorption components of the collision resistant carbody[J]. J Tongji Univ： Nat Sci， 2003， 31（10）： 12121216.

[11]賈宇. 機車車體耐碰撞結構設計與碰撞仿真研究[D].西南交通大學， 2005： 3780.

[12]謝素明， 王慶艷， 陳秉智， 等. 客車車體碰撞吸能結構優化設計方法研究[J]. 現代制造工程， 2007（5）： 113115.

XIE Suming， WANG Qingyan， CHEN Bingzhi， et al. Research on optimization design method for passenger carbody endergonic structure[J]. Modern Manufacturing Eng， 2007（5）： 113115.

[13]謝素明， 兆文忠， 閆雪冬. 高速車輛大變形碰撞仿真基本原理及應用研究[J]. 鐵道車輛， 2001， 39（8）： 143.

XIE Suming， ZHAO Wenzhong， YAN Xuedong. Fundamental principles and application research on simulation of collision with large deformation of high speed cars[J]. Rolling Stock， 2001， 39（8）： 143.

[14]陳秉智， 傘軍民， 孫彥彬， 等. 薄壁構件的抗碰撞吸能研究[J]. 大連交通大學學報， 2008， 29（5）： 99103.

CHEN Bingzhi， SAN Junmin， SUN Yanbing， et al. Anticrashing energyabsorbing simulation of thinwalled components[J]. J Dalian Jiaotong Univ， 2008， 29（5）： 99103.

[15]劉婷婷. 鋁合金車體碰撞仿真及車體前端結構抗撞性優化設計[D]. 大連： 大連交通大學， 2012： 121.（編輯于杰）

[8]劉金朝， 房加志， 王成國， 等. 鐵道客車大變形碰撞仿真研究[J]. 中國鐵道科學， 2004， 25（6）： 18.

LIU Jinchao， FANG Jiazhi， WANG Chengguo， et al. Simulation research on finite deformation crashworthiness of railway passenger car[J]. China Railway Sci， 2004， 25（6）： 18.

[9]姚松， 田紅旗. 車輛吸能部件的薄壁結構碰撞研究[J]. 中國鐵道科學， 2001， 22（2）： 5560.

YAO Song， TIAN Hongqi. Crash research on thinshelled structure as vehicle energyabsorbing components[J]. China Railway Sci， 2001， 22（2）： 5560.

[10]劉作廣， 趙洪倫. 耐碰撞車體吸能元件研究[J]. 同濟大學學報：自然科學版， 2003， 31（10）： 12121216.

LIU Zuoguang， ZHAO Honglun. Research on the energy absorption components of the collision resistant carbody[J]. J Tongji Univ： Nat Sci， 2003， 31（10）： 12121216.

[11]賈宇. 機車車體耐碰撞結構設計與碰撞仿真研究[D].西南交通大學， 2005： 3780.

[12]謝素明， 王慶艷， 陳秉智， 等. 客車車體碰撞吸能結構優化設計方法研究[J]. 現代制造工程， 2007（5）： 113115.

XIE Suming， WANG Qingyan， CHEN Bingzhi， et al. Research on optimization design method for passenger carbody endergonic structure[J]. Modern Manufacturing Eng， 2007（5）： 113115.

[13]謝素明， 兆文忠， 閆雪冬. 高速車輛大變形碰撞仿真基本原理及應用研究[J]. 鐵道車輛， 2001， 39（8）： 143.

XIE Suming， ZHAO Wenzhong， YAN Xuedong. Fundamental principles and application research on simulation of collision with large deformation of high speed cars[J]. Rolling Stock， 2001， 39（8）： 143.

[14]陳秉智， 傘軍民， 孫彥彬， 等. 薄壁構件的抗碰撞吸能研究[J]. 大連交通大學學報， 2008， 29（5）： 99103.

CHEN Bingzhi， SAN Junmin， SUN Yanbing， et al. Anticrashing energyabsorbing simulation of thinwalled components[J]. J Dalian Jiaotong Univ， 2008， 29（5）： 99103.

[15]劉婷婷. 鋁合金車體碰撞仿真及車體前端結構抗撞性優化設計[D]. 大連： 大連交通大學， 2012： 121.（編輯于杰）