軌道交通車輛吸能裝置耐撞性研究★

修瑞仙 劉艷文 潘佳星

(1.長春師范大學工程學院，吉林長春 130021; 2.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春 130062)

軌道交通車輛吸能裝置耐撞性研究★

修瑞仙1劉艷文2潘佳星1

(1.長春師范大學工程學院，吉林長春 130021; 2.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春 130062)

根據金屬壓縮破壞過程消耗能量的原理，設計出三種具有誘導結構、變形模式為漸進疊縮變形的壓潰式吸能元件，通過比較各吸能元件的吸能指標，確定了最優方案，并對其進行了功能驗證，指出所設計的防爬吸能裝置變形穩定有序，吸能過程平穩，具有良好的耐撞性。

吸能元件，耐撞性，LS-DYNA，HYPERMESH

隨著我國軌道交通的飛速發展，人們對軌道車輛的運行安全性提出了更高要求。雖然采用主動安全保護措施可減少列車碰撞事故，但在實際營運過程中，各種形式的人為錯誤和運行環境的突然變化都可造成碰撞事故的發生［1］。因此，開發一種在碰撞事故發生時能最大限度地保護乘客的生命和財產安全的耐撞性車體(即在車端安裝吸能裝置)，對提高列車運營安全性具有重要的現實意義。

本文根據金屬壓縮破壞過程消耗能量的原理，設計出三種結構形式的吸能元件，通過LS-DYNA軟件計算各吸能元件的吸能指標，通過比較確定最優方案。并對最優方案的吸能元件進行功能驗證，確定其在碰撞事故發生時能有效發揮作用。

1 理論基礎

1.1 薄壁金屬結構的吸能元件變形模式

從吸能特性角度，可將軸向載荷作用下的薄壁結構變形模式分為三種:

1)漸進疊縮變形模式是吸能元件從一端有序的逐一折疊壓縮向另一端發生塑性變形，是一種變形穩定的模式;2)Euler變形模式是吸能元件受外力作用，先從構件中部開始發生塑性變形，隨著塑性變形的不斷變化，會在中部產生很大橫向位移，車輛碰撞仿真實驗要避免該模式的發生;3)混合變形模式是初始階段為漸進疊縮變形，隨后轉為Euler變形。

從上述可以看出，吸能結構優先選取的模式為漸進疊縮變形，避免Euler變形和混合變形的發生。

1.2 薄壁矩形管的吸能特性

一些研究表明，薄壁矩形管、薄壁圓管、薄壁方形管和正六邊形管在受到軸向沖擊時，薄壁矩形管形成塑性較少，所以其撞擊力波動幅度大;但是研究還表明矩形管的變形比較穩定，適用于結構較為復雜，變形難以預測的大變形結構中。

1.3 具有誘導結構的薄壁吸能結構

在采用薄壁金屬結構的吸能元件中，設計一些誘導結構，可避免Euler變形和混合變形發生，減小褶皺時最大軸壓力的峰值。這樣誘導結構既可保證吸能元件穩定有序的發生漸進疊縮式塑性變形，又可降低其他部件所受的沖擊載荷。

本文設計的吸能元件為具有誘導結構的、變形模式為漸進疊縮變形的壓潰式吸能元件。

2 吸能元件結構設計及吸能特性研究

2.1 吸能元件結構設計

壓潰式吸能元件通常采用薄壁金屬結構，具有制造工藝簡單、經濟性、互換性、可大批量制造、吸能效率高的特點。可通過調整金屬元件的參數來改變吸能特性和吸能能量，廣泛應用于所有交通工具的吸收碰撞動能系統中。本文設計的吸能元件應用于壓潰式吸能裝置，通過對薄壁金屬相關文獻的調研，決定只研究軸向沖擊載荷對采用薄壁金屬結構吸能裝置的動態響應特性［2］，吸能元件設計方案如表1所示。

表1 吸能元件設計方案 mm

2.2 吸能特性研究

將3種吸能元件經過HYPERMESH處理后導入到LS-DYNA中進行碰撞動態模擬仿真，將得到的吸能指標結果加以整理，如表2所示。并且以第一種方案的吸能指標為基準，比較各設計方案的吸能特性優劣，最后選取性能最好的吸能元件。圖1給出LS-DYNA對吸能元件進行碰撞動態模擬仿真的有限元模型，對剛性墻施加1 m/s速度載荷向吸能元件進行壓縮，仿真時間0.35 s。

根據吸能特性評價指標的論述，吸能元件比吸能越大，緩沖指數越小，元件吸收的能量越多，吸能元件在整個漸進疊縮變形過程中越平穩，碰撞對乘客的傷害就越小。因此，要想確定最優的吸能元件設計方案，只需比較各設計方案吸能特性評價指標中的比吸能、緩沖指數這兩項即可。表2給出了各設計方案的吸能指標，由表2可知，方案3相比于其他2種方案，比吸能最大，單位質量內吸收的能量最多，而經過LS-DYNA碰撞動態模擬仿真驗證，方案3的吸能元件在整個漸進疊縮變形過程中變形平穩，緩沖指數滿足要求。所以，第3種設計方案為最優的設計方案。設計方案3吸能元件變形圖如圖2所示，吸能、軸壓力隨時間的變化曲線如圖3，圖4所示。

表2 吸能元件各設計方案評價指標

圖1 吸能元件仿真模型（以吸能元件1為例）

圖2 設計方案3吸能元件變形圖

圖3 設計方案3吸能元件吸能—時間變化曲線

圖4 設計方案3吸能元件軸壓力—時間變化曲線

3 結語

1)通過比較3種吸能元件的設計方案吸能特性，確定第3種為最優設計方案。

2)仿真結果表明設計吸能元件破壞變形過程十分穩定有序，吸能性能良好。

［1］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):1-5.

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［3］單其雨，肖守訥，陽光武.車輛吸能裝置結構的耐碰撞性研究［J］.鐵道機車車輛，2009，29(6):7-9.

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［8］王文斌，張光偉.高速列車座椅間距對乘員二次碰撞傷害的影響［J］.計算機輔助工程，2008，17(2):1-3.

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

［12］房加志.鐵道車輛碰撞以及結構優化的仿真研究［D］.北京:中國農業大學博士學位論文，2005.

［13］劉艷文.軌道客車碰撞被動安全性研究［D］.成都:西南交通大學碩士學位論文，2013.

Research on secondary collision safety of railway sleeper vehicle passen

Xiu Ruixian1Liu Yanwen2Pan Jiaxing1
(1.College of Engineering，Changchun Normal University，Changchun 130021，China; 2.Zhongche Changchun Rail Transit Passenger Car Co.，Ltd，Changchun 130062，China)

According to energy consumption principles of metal compression failure process，the paper designs three kinds of gradually telescope deformation conquassation-style energy absorption components with induced structure and deformation pattern，determines optimal scheme through comparing their energy absorption index，and testifies its functions，and finally points out that:the designed anti-climb energy-absorption device deformation is stable and orderly with stable energy absorption process and good crashworthiness.

energy absorption components，crashworthiness，LS-DYNA，HYPERMESH

U264.7

:A

1009-6825(2016)36-0152-02

2016-10-17 ★:長春師范大學自然科學基金項目(長師大自科合字［2014］第008號)

修瑞仙(1987-)，女，講師