軌道車輛耐撞性分析中轉(zhuǎn)向架的模擬方法

王晉樂，車全偉，田愛琴，于洋洋

(中國北車集團 南車青島四方機車車輛股份有限公司 技術中心，山東 青島 266111)

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軌道車輛耐撞性分析中轉(zhuǎn)向架的模擬方法

王晉樂，車全偉，田愛琴，于洋洋

(中國北車集團 南車青島四方機車車輛股份有限公司 技術中心，山東 青島 266111)

在按照歐標EN15227評價軌道車輛的耐撞性能時，需對碰撞仿真過程中輪軌間的垂向位移做出準確的判定.基于HYPERMESH和LS-DYNA仿真軟件的工程應用，以提高模擬精度與計算效率為目標，提出了一種有效模擬轉(zhuǎn)向架實際結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)向架與車體間連接關系以及輪對與軌道間接觸關系的仿真方法.最后以某列10節(jié)編組軌道客車以25 km/h速度對撞為例，進行仿真驗證，結(jié)果表明：該轉(zhuǎn)向架模擬方法是較為準確且有效可行的.

軌道車輛；耐撞性；轉(zhuǎn)向架；模擬方法

0 引言

轉(zhuǎn)向架是軌道車輛最重要的組成部件之一，其結(jié)構(gòu)是否合理直接影響著軌道車輛的運行品質(zhì)、動力性能和行車安全，尤其轉(zhuǎn)向架彈性懸掛裝置(包括一系懸掛裝置和二系懸掛裝置)的緩沖和衰減性能對軌道車輛在碰撞事故中響應劇烈程度的影響更是難以忽略.

然而，從目前國內(nèi)出版的相關文獻及研究成果來看，大部分學者在軌道車輛碰撞仿真分析時，傳統(tǒng)方法都是僅對軌道車輛車體結(jié)構(gòu)做較為詳細的有限元建模，而忽略了轉(zhuǎn)向架及軌道結(jié)構(gòu)的重要性，有時甚至把車體的橫向自由度加以約束，然后只用兩個剛性箱體結(jié)構(gòu)來代替軌道車輛的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu).

正確的輪軌關系是保持車輛沿軌道正常運行，防止輪對脫軌的重要保證.即使車輛是在直線軌道上發(fā)生碰撞，但是由于碰撞接觸不可能是完全對稱的，碰撞過程中很難避免橫向力的存在，從而極易打破原有的輪軌平衡關系，而且隨著碰撞速度的提高，車輛發(fā)生脫軌、傾覆的危險性進一步增大，傳統(tǒng)將碰撞過程簡化為是完全橫向?qū)ΨQ的，且對輪軌之間橫向、垂向相對運動進行人為約束的模擬方法，由于在仿真研究之前人為降低了碰撞的嚴重性，與實際碰撞事故現(xiàn)場有較大的差異，顯得更加難以令人信服.

此外，歐標EN15227[1]中對兩列車對撞時可能發(fā)生的爬車現(xiàn)象有具體詳細的規(guī)定：在整個碰撞模擬過程中，需保證每個轉(zhuǎn)向架都至少有一個輪對能與軌道實現(xiàn)有效接觸(轉(zhuǎn)向架中至少有一個輪對與軌面的垂向位移不超過名義輪緣高度的75%，否則這里的有效接觸不能實現(xiàn)).

鑒于此，本文基于HYPERMESH和LS-DYNA仿真軟件的工程應用，以提高模擬精度與計算效率為目標，將轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)向架與車體間連接關系以及輪對與軌道間接觸關系進行詳細有限元建模，并按照標準EN15227中CII類要求，以某列10節(jié)編組軌道客車(1輛機車+9輛客車)以25 km/h初始速度撞擊另一列處于靜止無制動狀態(tài)的相同列車為載體，分析出該列車的防爬性能，對該模擬方法進行仿真驗證.

1 轉(zhuǎn)向架的模擬方法

1.1 單元類型的選擇

單元類型的選擇以及控制參數(shù)的設定對于仿真分析的正確性和計算效率有著重要的意義.本文在轉(zhuǎn)向架有限元建模時主要使用了SHELL163中的Belytschko-Tsay薄殼單元和COMBI165中的離散梁(彈簧阻尼)單元.

其中，Belytschko-Tsay薄殼單元(簡稱BT單元)是基于薄殼經(jīng)典理論，采用非線性材料模型，并應用多層單點積分和沙漏粘性阻尼控制的四節(jié)點四邊形或三節(jié)點三角形非線性薄殼單元，如圖1所示，每個節(jié)點都有x、y、z方向的平動、轉(zhuǎn)動自由度，能承受面內(nèi)和面外載荷的作用，是目前薄壁結(jié)構(gòu)碰撞仿真中運用極為廣泛的一種薄殼單元.該單元算法上適于長度、厚度比大于10∶1的薄殼結(jié)構(gòu).在薄殼的計算中，殼單元相對實體單元有計算速度快、彎矩計算準確的優(yōu)點.基于此，本文轉(zhuǎn)向架的薄壁構(gòu)件擬采用該Belytschko-Tsay薄殼單元來模擬.

轉(zhuǎn)向架中一、二系彈簧懸掛裝置則采用COMBIN165中的離散梁(彈簧阻尼)單元.在離散梁建模時，需要定義3個節(jié)點，如圖2所示，其中，節(jié)點1(n1)和節(jié)點2(n2)用來定義梁單元坐標系的r軸方向，節(jié)點3是虛擬節(jié)點，用來定義梁單元坐標系的s軸方向.此外，一個離散梁最多可以有6個自由度，它可以是零長度的也可以是非零長度的，但是必須指定一個非零值的體積(*SECTION_DISCRETE中的VOL參數(shù))，離散量的重量和它的長度沒有關系，而是體積VOL和材料密度的乘積.

圖1 SHELL163薄殼單元

圖2 離散梁單元

1.2 轉(zhuǎn)向架模擬

本文研究對象某客車所用轉(zhuǎn)向架[2]采用H型構(gòu)架、轉(zhuǎn)壁式定位、大柔度空氣彈簧、Z形雙牽引拉桿、單元式盤形加踏面制動，如圖3所示.該轉(zhuǎn)向架由構(gòu)架裝置、一系定位裝置、空氣彈簧、牽引裝置等部分構(gòu)成.

通過研究轉(zhuǎn)向架在運行中所承受縱向力、橫向力和垂向力的傳遞過程發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)向架的輪對、一系定位裝置、二系懸掛裝置和牽引裝置對軌道車輛運行安全性的影響格外重要，建立有限元模型時需做重點考慮，最終建立的轉(zhuǎn)向架有限元模型如圖4所示.

圖3 轉(zhuǎn)向架總裝

圖4 轉(zhuǎn)向架有限元模型

下面對轉(zhuǎn)向架各關鍵部件的建模方法進行具體說明：

(1)構(gòu)架裝置

構(gòu)架裝置為H型結(jié)構(gòu)，其主體箱形結(jié)構(gòu)為板材焊接件.考慮到轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的整體承載剛度特別大，本文建模時對其做了剛化處理，即其材料屬性選擇為LS-DYNA中MAT_20(MAT_RIGID).

(2)一系定位裝置

一系定位裝置位于軸箱與構(gòu)架之間，由一系垂向減振器、工裝定位塊、定位轉(zhuǎn)壁和軸箱彈簧等組成.本文所建一系定位裝置局部有限元模型如圖5(a)所示.其中，軸箱彈簧采用COMBI165離散梁(彈簧-阻尼)單元，配合LS-DYNA中的MAT_66(MAT_LINEAR_ELASTIC_DISCRETE_BEAM)材料來進行模擬.LS-DYNA中的MAT_66類型材料可以通過設置軸箱彈簧的三向剛度值來有效模擬其三向剛度效應，此外，還可以設置軸箱彈簧的預壓力，使車體自重與預壓力相互平衡，在計算開始時，梁單元不會被過分壓縮，與實際情況極為吻合.此外，定位轉(zhuǎn)壁是轉(zhuǎn)向架縱向力的關鍵傳力部件，本文按照定位轉(zhuǎn)壁的實際結(jié)構(gòu)進行了詳細的有限元建模，如圖5(b)，應用LS-DYNA中的面面接觸(Surface to Surface)來模擬其傳力性能以及其相互轉(zhuǎn)動行為.

圖5 一系定位裝置模擬

(3)二系懸掛彈簧

本文轉(zhuǎn)向架二系懸掛彈簧采用大曲囊空氣彈簧，上蓋板兩個定位銷以較小間隙配合安裝于車體定位孔內(nèi)，其模擬方法同一系定位裝置中軸箱彈簧類似.

(4)牽引裝置

牽引裝置為連接車體與轉(zhuǎn)向架的彈性連接部件，由兩根彈性球鉸拉桿成Z形安裝在牽引座上，如圖6所示.其中，牽引中心銷與車體底架的枕梁相固定，牽引座則與牽引中心銷連接成一個可以小幅度運動的彈性機構(gòu)，以適應轉(zhuǎn)向架相對于車體的運動.

圖6 牽引裝置

圖7 有限元模型

本文按照牽引裝置的實際結(jié)構(gòu)進行有限元建模，如圖7所示.牽引座和牽引中心銷之間的相互作用通過LS-DYNA中的面面接觸(Surface to Surface)來模擬，這樣不僅可以保證車體與轉(zhuǎn)向架之間縱向力的傳遞，而且可以實現(xiàn)二者之間的相對轉(zhuǎn)動.

1.3 輪軌關系模擬

為了較為準確的模擬輪軌之間的接觸關系，本文按照標準《TB/T449-2003機車車輛車輪輪緣踏面外形》[3]及《GB 2585-2007鐵路用熱軋鋼軌》[4]對鋼軌外形尺寸的要求，如圖8，進行了詳細有限元建模，如圖9、10所示.輪軌間的相互作用則通過LS-DYNA中的點面接觸(Node to Surface)來實現(xiàn).

圖8 鋼軌外形尺寸

圖9 軌道有限元模型

圖10 輪軌有限元模型

2 客車防爬性能驗證算例

本文按照標準EN15227中CII類要求，以某10節(jié)編組列車(1輛機車+9輛客車)為例，驗證該列車以25 km/h初始速度撞擊另一列處于靜止無制動狀態(tài)的相同列車時能否滿足標準EN15227規(guī)定的 “整個碰撞模擬過程中， 所有轉(zhuǎn)向架都至少有一個輪對與軌面的垂向位移不得超過名義輪緣高度75%”的防爬性能要求.算例有限元模型及車輛、碰撞界面編號如圖11所示，其中客車有限元模型如圖12所示.

圖11 算例有限元模型

圖12 客車有限元模型

計算結(jié)果如圖13表明，在整個碰撞過程中，客車A1其轉(zhuǎn)向架中一位端第一輪對、一位端第二輪對、二位端第一輪對、二位端第二輪對與軌面間的最大垂向距離分別為9.925、9.696、10.774、10.664 mm，客車B1其轉(zhuǎn)向架中一位端第一輪對、一位端第二輪對、二位端第一輪對、二位端第二輪對與軌面間的最大垂向距離分別為9.937、9.707、10.536、10.662 mm，各輪對與軌面間的最大垂向距離均小于18.75 mm(輪對名義輪緣高度的75%，該轉(zhuǎn)向架名義輪緣高度為25 mm)，該列車在碰撞過程中沒有爬車風險，滿足標準EN15227的防爬要求.

圖13 算例仿真結(jié)果

3 結(jié)論

本文以某客車為載體，以提高模擬精度與計算效率為目標，對軌道車輛被動安全仿真分析時轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)向架與車體間連接關系以及輪對與軌道間接觸關系的模擬方法進行研究，得到如下主要結(jié)論：

(1)通過給離散梁單元設置相應的預緊力和三向剛度值可以較為準確的模擬出轉(zhuǎn)向架中一系、二系懸掛彈簧的力學性能；

(2)LS-DYNA中的面面接觸(Surface to Surface)可以有效模擬出轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)中各傳力部件的力學性能以及部件間的相對轉(zhuǎn)動行為；

(3)按轉(zhuǎn)向架輪對和軌道踏面的實際結(jié)構(gòu)進行詳細有限元建模對準確模擬輪軌間作用力十分必要.

[1]BS EN 15227:2008+A1:2010，Crashworthiness Requirements for Railway Vehicle Bodies[S]．[s.n.]，2010．

[2]劉滿華．CL242型客車轉(zhuǎn)向架[J]．鐵道車輛，2010,48(4)：16-18．

[3]中華人民共和國鐵道部.TB/T 449-2003機車車輛踏面輪緣外形[S]．北京：中國鐵道出版社，2003．

[4]中國國家標準化管理委員會.GB 2585-2007鐵路用熱軋鋼軌[S]．北京：中國標準出版社，2007.

Study of Simulation Method for Rail Vehicle Bogie in Crashworthiness Analysis

WANG Jinle，CHE Quanwei，TIAN Aiqin， YU Yangyang

(Technology Center, CSR Qingdao Sifang Co，Ltd.，Qingdao 266000，China)

When evaluating the crashworthiness of the rail vehicle, needs to be determined the vertical displacement between the wheel and the rail. Therefore a method to simulate the actual structure of the bogie，the connection between the bogie and the car body，and the contact between the wheel and the rail is proposed based on the engineering application of the HYPERMESH and LS-DYNA. In addition，this method was verified through a crash scenario，where two trains are impacted with each other in a relative speed of 25 km/h. The result shows that this simulation method is acceptable and effective.

rail vehicle；crashworthiness；bogie；simulation method

1673- 9590(2016)02- 0053- 04

2015-09-14

王晉樂(1989-)，男，助理工程師，碩士，主要從事軌道車輛被動安全設計E- mail:jayjinle@126.com.

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