基于逐級吸能原理的地鐵B型車耐撞性分析

張勇韋海菊

基于逐級吸能原理的地鐵B型車耐撞性分析

張勇1韋海菊2

（1.南京地鐵建設有限責任公司系統設備處，210017，南京；2.中車南京浦鎮車輛有限公司，210031，南京//第一作者，高級工程師）

基于逐級吸能原理，建立了地鐵B型車的非線性大變形碰撞動力學有限元力學模型，應用LS-DYNA非線性大變形分析軟件，對兩列列車碰撞情形進行了數值模擬分析。研究結果表明：列車結構設計符合逐級吸能原理的要求，僅吸能裝置和部分車體端部結構產生了塑性變形，客室結構區域縱向長度的最大變化值均小于其總長的1%，乘客的生存空間可以得到保障，且列車間不會發生爬車現象。

地鐵列車；耐撞性；吸能防爬裝置；逐級吸能

Author′s addressSystem Equipment Division of Nanjing Metro Construction Co.，Ltd.，210017，Nanjing，China

隨著城市軌道交通技術的不斷進步和發展，碰撞安全問題作為現代車輛設計中的重要組成部分已成為城市軌道車輛設計研究的一個熱點。碰撞安全技術可分為主動防護技術和被動防護技術兩類。主動防護技術主要是指為防止碰撞所采取的各項防范措施；被動防護技術則是指車輛所采用的耐碰撞結構，通過耐碰撞結構的塑性變形，耗散撞擊動能，提高車輛的耐碰撞性，最大限度地保護乘員生命安全和車輛主體結構的完整。

在城市軌道交通車輛的被動防護技術研究方面，有限元數值模擬以其經濟便捷、操作性強、周期短和可重復性成為目前最常用的結構耐撞性設計與驗證手段之一。主要研究內容包括：吸能元件設計與仿真［1］、結構薄弱位置及其改進［2］、碰撞能量管理［3］、乘員安全性［4］、列車側面碰撞安全性［5］等。本文主要基于逐級吸能原理，對地鐵列車的耐撞性進行分析，從而達到指導車體結構耐撞性設計的目的。

1 耐碰撞車體的逐級吸能原理

傳統軌道交通車輛的設計，主要以保證承載結構的完整性為目標，即在最惡劣的載荷條件下車輛承載結構也不允許有永久變形，因此將其設計成一個近似連續的剛性體。而耐碰撞車輛結構設計的目標則是通過引入吸能結構，合理安排不同部位的縱向剛度，以保證在意外碰撞事故發生時，通過附加在頭車前端的專用吸能裝置或頭車車體薄弱部分結構產生可控的有序失效變形，吸收和耗散能量，這即是碰撞能量的逐級吸收原理。列車多級能量吸收系統的吸能順序和過程如圖1所示。

采用多級能量吸收系統吸收撞擊能量，在第一速度界限下，車鉤緩沖裝置起作用；在第二速度界限下，車鉤剪切裝置被破壞，碰撞車輛的防爬器嚙合，吸能裝置吸收能量；在第三速度界限下，前兩部分吸能達到極限，剩余能量由車體端部的易變形區吸收，保證車體的生存空間不受影響。該原理要求設計的車體結構應滿足以下要求：

（1）碰撞動能應盡可能地以不可逆的形式轉化為變形能，即結構以塑性變形來吸收動能，而不是以彈性變形來儲存這種能量，否則，將導致車輛發生巨大的“二次碰撞”。

（2）吸能元件塑性屈服變形呈逐步漸進式，其特征曲線呈現振蕩波形，在碰撞沖擊變形的很長距離內沖擊力水平基本保持一致，從而確保作用在司乘人員身上的加速度值不超過人體的耐受極限，且具有良好的“比吸能”特性。

（3）吸能結構既是吸能部件又兼有縱向力的傳遞功能，應有合理的縱向剛度和彎曲剛度，同時具有足夠的能量吸收能力、延緩碰撞作用時間的能力，以及足夠的失效變形行程，從而保證吸收更多沖擊動能，且在變形吸能過程中不造成次生破壞。

（4）無論是附加式吸能裝置，還是承載式吸能結構部件，都應盡可能做到在車體結構中的位置合理，而且成本低、易制造、易更換。

2 地鐵列車的碰撞有限元模型

南京地鐵6輛編組B型車采用模塊化結構設計，將整車（包括頭車和中間車）結構進行分解，形成若干獨立而又相互聯系的子結構，主要分成車頂模塊、底架模塊、側墻模塊、端墻模塊、司機室模塊等。防爬吸能裝置主要由吸能元件、導向元件及防爬器等組成。頭車和中間車的結構如圖2、圖3所示。

在列車發生正面碰撞過程中，頭車前端車鉤首先接觸，車鉤斷裂后頭車前端防爬器開始接觸，而且車體主要依靠吸能防爬裝置的吸能元件來吸收能量；吸能防爬裝置破壞后司機室結構隨后受到撞擊，因此，司機室及所有車體的前端部分都是可能發生結構大變形的區域。因此，有限元模型中對吸能防爬裝置和前端吸能結構進行了詳細建模。頭車、中間車以及整列車有限元模型如圖4～6所示。

根據標準和技術規格書要求，當一列靜止并制動的空載列車承受速度超過20 km/h而低于25 km/h的另一列列車的沖擊時，首先是車鉤剪斷，防爬器參與吸能；然后是司機室變形區吸收剩余的能量。司機室結構由于吸能結構的破壞將導致其結構被破壞，客室車廂無影響使用的塑性變形。

圖3 地鐵列車中間車結構

圖4 地鐵列車頭車有限元模型

圖5 地鐵列車中間車有限元模型

圖6 整列地鐵列車碰撞有限元仿真模型

3 地鐵列車耐撞性仿真分析結果

3.1 碰撞變形

地鐵列車碰撞相對速度為25 km/h，碰撞仿真時間為800 ms。圖7～8給出了碰撞結束時主、被動車頭車的變形圖；圖9給出了碰撞結束時刻主、被動車防爬吸能裝置變形圖。

圖7 主、被動車頭車的變形圖

圖8 主、被動車中間車的變形圖

圖9 主、被動車防爬吸能裝置變形圖

可以看出，碰撞結束后，主、被動車頭車界面處的車鉤緩沖裝置發生了剪切破壞；頭車前端吸能裝置結構產生了明顯的塑性變形，前端司機室結構則并未產生明顯塑性變形；各中間車車端結構都未發生碰撞接觸，客室結構未產生塑性變形。

3.2 乘客生存空間

從乘客生存空間的角度，圖10～11分別給出了列車碰撞最嚴重的兩節車（主動車A1、被動車B1）乘客生存空間縱向長度變化量隨時間的變化曲線。

圖10 A1車乘客空間縱向長度-時間變化曲線

圖11 B1車乘客空間縱向長度-時間變化曲線

從圖中可以看出，在整個碰撞過程中主動車A1乘客生存空間縱向長度變化量的最大值為9.871 mm，遠小于乘客生存空間縱向長度的1%（A1車乘客生存空間縱向長度為20 340 mm）；被動車B1車乘客生存空間縱向長度變化量的最大值為12.777 mm，遠小于乘客生存空間縱向長度的1%（同A1車），可見主、被動車的乘客生存空間均能滿足標準EN 15227的要求。

3.3 碰撞能量分配

碰撞結束后，地鐵列車的碰撞能量隨時間的變化曲線以及碰撞能量分布如圖12和表1所示。

圖12 列車碰撞能量-時間曲線

從表1可見，地鐵列車的碰撞動能由初始4 765.390kJ到碰撞結束后剩余的動能為1 940.230 kJ，占初始動能的40.715%；碰撞過程中共吸收能量1 978.429 kJ，占初始動能的41.517%，主要由各吸能防爬裝置、各車輛的端部結構、車鉤緩沖裝置所吸收，分別占總吸收能量的33.824%、19.969%、46.207%；另外，接觸面上耗散掉的滑移能也很可觀，為785.505 kJ，占初始動能的16.483%；模型沙漏能較少，為61.226 kJ，僅占初始動能的1.285%。表1中的數據表明列車的結構設計符合逐級能量吸收原則。

表1 列車碰撞能量分配表

4 結論

通過基于逐級吸能原理的地鐵列車耐撞性分析，可以得到以下結論：

（1）列車結構設計符合逐級吸能原理的要求。發生碰撞時，僅吸能裝置和部分車體端部結構產生了塑性變形，客室結構區域縱向長度的最大變化值均小于其總長的1%，乘客的生存空間可以得到保障。

（2）吸能防爬裝置產生了多個塑性鉸，有穩定的屈服變形；同時，吸能裝置能夠提供碰撞車輛間穩定的互鎖，并將產生的最大界面力適當地傳遞到互鎖界面上，列車間不會發生爬車現象。

［1］雷成，肖守訥，羅世輝.軌道車輛切削式吸能裝置吸能特性研究［J］.中國機械工程，2013，24（2）：263-267.

［2］XU X，SCHMID F，SMITH R A.Analysis of the structuralcharacteristics of an intermediate railvehicle and their effecton vehicle crash performance［J］.J Railand Rapid Transit，2007，221：340-352.

［3］HOSSEINI-TEHRANI P，BAYAT V.Study on crashworthiness of wagon′s frame under frontal impact［J］.International journal of Crashworthiness，2011，16（1）：25-39.

［4］張志新，肖守訥，陽光武，等.高速列車乘員碰撞安全性研究［J］.鐵道學報，2013，35（10）：24-32.

［5］舟津浩二.車輛側面碰撞時車體變形評價［J］.國外鐵道車輛，2007，44（1）：29-33.

連云港至徐州高鐵開工建設

7月13日10時58分，在江蘇省新沂市，隨著第一根樁基在機器轟鳴聲中順利開鉆，新建連云港至徐州鐵路拉開了全面開工建設的序幕。新建連徐鐵路東起連云港，西至徐州，正線全長180.03 km，總投資281.7億元，建設工期3.5年，預計2020年12月完工。全線設置連云港、東海、新沂南、邳州東、后馬莊和徐州東6座車站，速度目標值每小時350 km。據了解，目前從連云港到徐州開車需要2.5 h左右，到南京要4 h以上。新建連徐鐵路建成后，江蘇北部地區將形成高效便捷、內連外通的高速鐵路網，區域內主要城市之間、與周邊大中城市之間將形成1至2 h交通圈。新建連徐鐵路的東起點連云港同樣也是新亞歐大陸橋的起點。該項目建成后，將與寶蘭高鐵連通，與蘭新高鐵一起形成一條貫通東、中、西部地區的大通道，使“一帶一路”沿線國家之間的往來更加便捷。

（摘自2017年7月19日《人民鐵道》報，記者孫業國、栗錚報道）

Analysis of B-type Subway Train Crashworthiness Based on Step-by-step Energy Absorption Principle

ZHANG Yong，WEI Haiju

Based on the principle of step-by-step energy absorption，a finite element model of nonlinear large deformation collision dynamics for B-type subway train is established.LSDYNA nonlinear large deformation analysis software is used to conduct a detailed numerical simulation of the collision between two trains.The results show that the design of the train is in accordance with the requirements of the step-by-step energy absorption principle，plastic deformation is only observed in energy absorption device and part of the train.The maximum change of the longitudinal length of the passenger compartment structure area is less than 1%of the total length of the train energy structure，thus the living space for passengers can be guaranteed，there will be no climbing of one train on another at the same time.

subway train；crashworthiness；anti-climbing device；step-by-step energy absorption

U270.1+2

10.16037/j.1007-869x.2017.08.008

2017-03-13）