不銹鋼地鐵車輛設(shè)計及整車碰撞研究

張 霖

(長春師范大學(xué)工程學(xué)院，吉林長春130032)

隨著我國城市現(xiàn)代化建設(shè)的加快，以軌道交通為主的城市交通網(wǎng)絡(luò)正在日趨完善［1］。鑒于我國城市結(jié)構(gòu)緊湊、人口密度大的特點，地鐵車輛成為軌道交通建設(shè)的首選。在地鐵車輛的發(fā)展進(jìn)程中，不銹鋼點焊車因其具有高耐腐蝕性、車體自重輕、維修費用以及運營成本相對較低等優(yōu)點而逐漸成為國內(nèi)外軌道交通輕量化車體的主流。地鐵車輛主要運行于客流量大的城市環(huán)境中，一旦發(fā)生碰撞事故，造成的影響將是十分嚴(yán)重的。不銹鋼點焊車體正面碰撞時客室區(qū)域易發(fā)生塑性變形，其運行安全性已成為許多國家軌道車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要課題之一［2－4］。本文在闡述地鐵車輛耐撞性設(shè)計理念基礎(chǔ)上，給出某不銹鋼點焊地鐵車的耐撞性設(shè)計方案。通過數(shù)值仿真技術(shù)對該不銹鋼地鐵車進(jìn)行整車碰撞研究。

1 車體耐撞性設(shè)計理念

1.1 車體耐撞性設(shè)計理念

當(dāng)兩列車相撞時，兩列車頭車所吸收的能量應(yīng)占37.5%，其余一部分通過摩擦轉(zhuǎn)化成熱能，僅有很少一部分被后續(xù)車輛吸收，且不會損壞其他車［5－6］。根據(jù)地鐵端部司機室區(qū)間不長、中間車體無通過臺、衛(wèi)生間等非乘客區(qū)域的特點，當(dāng)?shù)罔F車輛發(fā)生碰撞事故時，不能通過司機室和非乘客區(qū)域來耗散撞擊能量以保證客室區(qū)的完整。根據(jù)相關(guān)要求，地鐵頭車車體端部結(jié)構(gòu)中應(yīng)設(shè)有專用吸能結(jié)構(gòu)，能夠通過摩擦、屈曲和斷裂等形式耗散沖擊動能，減少碰撞事故造成的損失，提高列車的被動安全保護功能。當(dāng)滿載列車以一定速度(25Km·h－1)與另一列靜止?jié)M載列車發(fā)生碰撞時，車體端部專用吸能結(jié)構(gòu)發(fā)生可控有序的塑性變形來吸收沖擊動能，以保證乘客區(qū)域無損壞。

1.2 車體耐撞性設(shè)計方案

根據(jù)前面闡述的地鐵車特點，車體耐撞性設(shè)計的難點是在車體端部結(jié)構(gòu)中合理設(shè)置塑性變形區(qū)域，本文研究的不銹鋼地鐵車采用將吸能結(jié)構(gòu)與車體結(jié)構(gòu)集成在一起的整體承載式專用吸能結(jié)構(gòu)。考慮到與吸能結(jié)構(gòu)相焊接的縱梁側(cè)面尺寸，該專用吸能結(jié)構(gòu)采用矩形方管的外形。考慮到吸能結(jié)構(gòu)應(yīng)具有低觸發(fā)力的特性，該專用吸能結(jié)構(gòu)采用兩組對稱開孔的形式。吸能結(jié)構(gòu)開孔數(shù)量不宜過多以滿足大塑性變形的要求，該專用吸能結(jié)構(gòu)開孔共計六組。該不銹鋼點焊地鐵頭車的整體承載式專用吸能結(jié)構(gòu)如圖1所示，屬于典型的結(jié)構(gòu)設(shè)計簡便、吸能效果顯著的整體承載式吸能結(jié)構(gòu)。

2 車體碰撞數(shù)值模型

車輛碰撞過程是包含幾何非線性、材料非線性和邊界非線性的復(fù)雜瞬態(tài)響應(yīng)過程。為了研究該整體承載式專用吸能結(jié)構(gòu)對不銹鋼點焊地鐵車輛被動安全性能的影響，本文考慮到仿真軟件的兼容性，利用HYPERMESH軟件基于焊接圖紙和幾何模型建立編組列車有限元模型，采用PAMCRASH軟件對該編組列車的碰撞過程進(jìn)行模擬。

本文研究的不銹鋼點焊地鐵車輛采用首尾頭車、四節(jié)中間車的編組運行模式。為真實地反映該不銹鋼點焊車輛的實際情況，對該車剛度及強度有貢獻(xiàn)的車體結(jié)構(gòu)均予以考慮。對于車體上的集中設(shè)備、吊掛件等一般采用質(zhì)量單元進(jìn)行模擬;四節(jié)點等參薄殼單元綜合考慮了構(gòu)件中間面上的彎曲剛度、平面剛度和曲率效應(yīng)，具有較高的計算精度，故車體結(jié)構(gòu)盡可能采用四節(jié)點等參單元模擬。圖2為頭車的有限元模型。

圖2 頭車車體有限元模型

3 整車的碰撞數(shù)值仿真

從反映車體變形的圖3可以看出，不銹鋼點焊車6節(jié)編組列車以25km·h－1的速度與另一輛靜止的6節(jié)編組列車面對面撞擊時，前端整體承載式吸能結(jié)構(gòu)相對車體其他結(jié)構(gòu)的彈性極限低，塑性變形區(qū)域為頭車前端專用吸能結(jié)構(gòu)。說明兩編組列車正面碰撞時，防爬器保障了兩車正撞，同時專用吸能結(jié)構(gòu)一直受到軸向沖擊力而發(fā)生大塑性變形吸收沖擊能量。

圖3 車體變形圖

圖4為編組列車碰撞過程的車體能量隨時間變化的曲線圖，編組列車車體以25km·h－1的速度面對面撞擊過程中總能量保持恒定，在碰撞初始時刻的車體動能為4756.63KJ，360ms時車體動能為2984.64KJ，該過程中車體總吸能為2045.29KJ。圖5為整體承載式專用吸能結(jié)構(gòu)吸能隨時間變化的曲線圖，前端專用吸能結(jié)構(gòu)吸能956.65KJ，占車體總吸能的46.8%。

圖4 車體能量－時間曲線

圖5 吸能結(jié)構(gòu)能量－時間曲線

4 結(jié)論

(1)綜上對地鐵車耐撞性設(shè)計理念進(jìn)行了闡述，在不銹鋼點焊地鐵車耐撞性設(shè)計中，應(yīng)采用整體承載式專用吸能結(jié)構(gòu)，在車體端部結(jié)構(gòu)中設(shè)置能發(fā)生可控有序的塑性變形結(jié)構(gòu)。(2)建立該不銹鋼點焊地鐵編組列車碰撞有限元模型，通過對編組列車碰撞的數(shù)值仿真分析表明，碰撞過程中46.8%沖擊能量轉(zhuǎn)化為整體承載式專用吸能結(jié)構(gòu)的塑性變形，該整體承載式專用吸能結(jié)構(gòu)滿足吸收能量占沖擊能量37.5%的要求，該不銹鋼點焊地鐵車具有合理的變形模式和良好的能量吸收能力。

［1］程斌.軌道交通與城市交通可持續(xù)發(fā)展［J］.中國鐵道科學(xué)，2001(1):109－112.

［2］黃志宏，許彥強.不銹鋼車體結(jié)構(gòu)設(shè)計及仿真分析要點［J］.鐵道車輛，2012(6):14－18.

［3］田紅旗.客運列車耐沖擊吸能車體設(shè)計方法［J］.交通運輸工程學(xué)報，2001(1):110－114.

［4］姚曙光，田紅旗.高速不銹鋼車體結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2008(1):72－75.

［5］Lu G.耐碰撞車輛的能量吸收要求［J］.國外鐵道車輛，2006(3):8－13.

［6］Lu G.耐碰撞車輛的撞擊性能［J］.國外鐵道車輛，2005(5):26 －34.