地鐵工程車碰撞仿真中鉤緩及防爬器模擬方法*

金希紅， 曾燕軍， 張 海， 肖毅華

(1 大功率交流傳動電力機車系統(tǒng)集成國家重點實驗室， 湖南株洲 412001； 2 華東交通大學 載運工具與裝備教育部重點實驗室， 南昌 330013)

軌道機車車輛防碰撞技術包括主動安全防護技術和被動安全防護技術兩大類，其中主動安全防護技術是指通過對車輛的科學管理，定期保養(yǎng)，高素質的操作人員等措施防止碰撞事故的發(fā)生；被動安全防護技術指的是通過對機車車輛自身結構的設計，增強其耐碰撞性能以及設置特定的能量吸收耦合器來減輕碰撞事故對車輛的破壞程度，保護司機室和客車的生存空間[1-2]。機車車輛耐碰撞技術研究指的是當發(fā)生碰撞事故時，列車的結構變形能力，自身結構承載能力，以及吸收撞擊能量能力等方面的綜合表現(xiàn)性能[3]。目前列車碰撞相關的實驗研究僅局限于一些吸能部件，對整車或列車的耐撞性研究則采用計算機仿真方法。大型通用非線性有限元仿真具有方便、快捷的優(yōu)點，目前已在汽車、航空航天等領域廣泛應用， 也是當前對軌道車輛碰撞研究的主要方法[4]。

車輛碰撞吸能裝置是指安裝在車輛上但不屬于車輛部件的裝置，用于發(fā)生可控變形并吸收能量，如車輛防爬器、車鉤緩沖裝置等能量吸收耦合器，其結構設計研究一直被國內外研究者關注[5]。同時在碰撞計算中，過度簡化的車輛防爬器、車鉤緩沖裝置模型對仿真結果也有直接的影響[4-6]，因此如何真實、高效地模擬鉤緩裝置模型也成為列車被動安全性研究需要重點考慮的因素之一。

筆者在進行某型號地鐵工程車碰撞分析時，提出了一種基于LS-DYNA非彈性壓縮彈簧模擬鉤緩特性以及防爬器吸能特性的仿真方法，以兩相同列車以相對速度25 km/h相撞為例，對碰撞過程進行模擬，并計算鉤緩裝置以及防爬器對列車碰撞工況能量吸收的貢獻程度。此方法使得鉤緩和防爬器模型貼近實際工作狀態(tài)，能保證計算結果準確、有效。

1 碰撞標準響應及計算工況描述

碰撞計算參照標準EN 15227—2008[7]中規(guī)定，列車的耐撞性設計需滿足EN 15227標準中的以下要求:

(1) 防爬裝置發(fā)生作用，不發(fā)生爬車現(xiàn)象；

(2) 生存空間內的平均縱向減速度不超過5g。

(3) 當車組發(fā)生模擬的碰撞工況時，車上人員的生存空間范圍不能被侵占。

(4) 碰撞工況中要確保每個轉向架至少有一個輪對不脫離鋼軌，保持與鋼軌接觸。

碰撞工況為：兩相同列車以相對速度25 km/h相撞，其中每一列車由一節(jié)工程車連掛一節(jié)參考車(80 t)組成，如圖1所示。

m1-待評定工程車的質量；m2-參考車質量，假定為剛性。圖1 碰撞列車模型

2 鉤緩及防爬器單元與材料的設置

2.1 車鉤緩沖器、防爬器接觸面定義

工程車前端的車鉤緩沖器、防爬器均采用彈簧單元(Spring)模擬，而它們通過*CONTACT_AUTOMAT-IC_ SURFACE_TO_SURFACE分別定義自動面面接觸。該接觸方式為自動接觸，在殼單元的兩側都發(fā)生接觸，默認考慮厚度偏置；接觸對象為雙面接觸，由于為完全對稱，主從面的選擇是任意的。同時，考慮碰撞過程中可能出現(xiàn)車鉤失效、防爬器被壓潰到一定程度后兩工程車車體前端發(fā)生接觸，故兩車車體間也定義了自動面面接觸。碰撞過程中兩工程車車體的各部分會發(fā)生變形，變形后車體內部的各部件間可能發(fā)生接觸。因此，針對兩工程車各定義了一個自動單面接觸(*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE _SURFACE)。如圖2所示，該接觸方式為自動接觸；接觸對象為單面接觸，僅定義從面，主面無需定義。

圖2 接觸定義

2.2 車鉤緩沖器、防爬器材料模型和參數

工程車前端車鉤緩沖器和工程車后端與參考車的連接裝置的彈簧單元均考慮為非彈性壓縮彈簧，其材料特性采用*MAT_SPRING_INELASTIC模擬，此材料特性能模擬非彈性拉、壓的移動或扭轉彈簧，用戶可以自定義加載和卸載剛度。兩種彈簧的力—位移特性曲線分別如圖3和圖4所示。

圖3 工程車前端車鉤緩沖器彈簧單元的力—位移特性曲線

圖4 工程車后端與參考車連接裝置的彈簧單元的力—位移特性曲線

工程車前端防爬器的彈簧單元考慮為非線彈性彈簧單元，其材料特性采用*MAT_SPRING_NONLIN-EAR_ELASTIC模擬，此材料特性能模擬非線性的彈性移動或扭轉彈簧，當連接兩個節(jié)點時只有一個自由度連接。該彈簧的力—位移特性曲線如圖5所示。

圖5 工程車前端防爬器彈簧單元的力—位移特性曲線

2.3 模擬方法注意事項

在實際計算中，非線性彈性彈簧單元的使用應注意以下一些問題：

(1) 在設置力—特性曲線時，應注意按照車鉤緩沖器及防爬器工作行程來設置，保證在不同的位移下準確的力輸出；

(2) 模擬車鉤緩沖器及防爬器的彈簧單元通過剛性節(jié)點與2.1節(jié)中設定的接觸面連接，同時要對剛性節(jié)點進行約束，保證彈簧單元不會出現(xiàn)彎曲而出現(xiàn)計算錯誤；

(3) 通過移動彈簧單元安裝節(jié)點位置實現(xiàn)兩列車初始有40 mm的垂向高差。

3 列車有限元模型設置

3.1 建模分析總體流程

碰撞列車使用HYPERMESH和LS-DYNA進行建模、求解和后處理。首先在HYPERMESH中建立列車的有限元網格模型，并定義材料屬性、接觸、約束和初始條件等，輸出LS-DYNA的計算輸入文件(k文件)；然后，采用LS-DYNA讀取k文件，完成計算分析任務；最后，利用LS-PREPOST進行計算結果后處理。

3.2 有限元網格設置

碰撞的兩相同列車的有限元網格模型如6所示。左側列車以25 km/h初速度運動，右側列車初始時刻處于靜止狀態(tài)。整個計算模型有1 048 522 個單元，包括殼單元995 673個、三維實體單元52 815個、質量單元14個、彈簧單元8個和節(jié)點剛體12個。殼單元類型選擇為Belytschko-Tsay殼單元(ELFORM=2)，其計算速度快。實體單元類型選擇為選擇性減速積分單元(ELFORM=2)，其可以避免在材料幾乎不可壓情況下出現(xiàn)的體積死鎖。

模型中，兩工程車考慮為變形體，其網格模型如圖7所示。工程車的車體采用殼單元(Shell)離散；其轉向架采用實體(Solid)單元離散，材料設為剛體材料(*MAT_RIGID)，轉向架模型簡化為剛體。工程車上的設備質量通過增大車體材料的密度進行配重處理。工程車連掛的80 t參考車簡化為剛性體積塊，其離散模型如圖8所示。工程車與參考車之間的連接裝置和工程車前端的車鉤緩沖器、防爬器均采用彈簧單元模擬，如2.2節(jié)描述。

另外，列車在鋼軌上運行，輪軌間存在接觸。為了模擬該情況，通過*RIGIDWALL_PLANAR定義了一無限大剛性墻來模擬鋼軌，并將兩列車的所有節(jié)點作為其從節(jié)點，從而考慮列車與鋼軌間的接觸相互作用。初始時刻，車輪上的最低點恰好與剛性面接觸。輪軌間的摩擦系數設置為0.15。

圖6 列車有限元網格模型

圖7 工程車模型

圖8 80 t參考車的網格模型

3.3 初始條件與重力載荷

左側運動列車通過*INITIAL_VELOCIT Y_GENERATION關鍵字定義沿X正向的初速度6.944 m/s，此關鍵字能為移動或是旋轉的物體定義一個初始速度。

整個模型通過*Load_Body_Z關鍵字施加Z方向的重力加速度，大小設為9.81 m/s2，如圖9所示，其中Z方向為車體豎直向下的重力加速度方向。

圖9 重力加載特性曲線

4 仿真計算結果分析

4.1 能量和沖擊力情況

圖10給出了碰撞過程中模型的總能量、動能、內能和沙漏能隨時間變化的情況。總能量基本上維持在3.2 MJ，內能由0增大到1.5 MJ，動能由3.2 MJ降低到1.6 MJ。沙漏能為4.6 kJ，占內能的0.3%，遠小于一般允許的5%，因此計算結果比較可靠。內能在0.3 s 時已基本維持不變，這說明兩列車的碰撞過程已經基本結束。

圖10 能量變化曲線

碰撞過程中，兩工程車前端的車鉤緩沖器吸收能量0.51 MJ，防爬器吸收能量0.47 MJ，其余能量一部分由工程車與參考車間的連接裝置和工程車車體結構吸收；同時列車模型與模擬鋼軌的無限大剛性墻之間摩擦系數設定為0.15，它們之間的摩擦也將消耗部分碰撞能量。圖11給出了兩工程車前端車鉤緩沖器的車鉤力變化曲線。車鉤在約88 ms時發(fā)生剪切失效，車鉤力迅速變?yōu)?。

4.2 車輛變形情況

圖12給出了t=0.3 s時兩列車的整體變形情況和兩工程車司機室部分的局部變形情況。可見，車體結構整體保持完好，無明顯的塑性變形。

圖11 車鉤力變化曲線

圖12 t=0.3 s時的變形

4.3 平均縱向減速度情況

根據EN 15227標準規(guī)定，生存空間內的平均縱向減速度應不超過5g。平均減速度根據車廂上的靜接觸力超過零到再次下降為零對應的時間段內的加速變化情況來計算。圖13給出了運動列車中工程車的縱向靜接觸力和加速度變化情況。根據圖13(b)可知，工程車的最大縱向減速度小于極限值5g，僅為4.6g，故其平均縱向減速度將更小于5g，因此，平均縱向減速度指標滿足設計要求。

4.4 生存空間情況

根據EN 15227標準規(guī)定，構成生存空間的結構應保持完好，塑性變形和縱向壓曲必須受到充分限制，不超出規(guī)定的范圍。對于乘客生存空間，長度的減少應為每5 m不大于50 mm或者這些區(qū)域內塑性應變不超過10%。本項目所分析的生存空間主要為工程車司機室乘客區(qū)域。為了評價該生存空間的減少情況，在兩車司機室的地板上各取一對如圖14所示的節(jié)點(相距2.58 m)，生存空間長度的減少量由這些節(jié)點對的縱向位移差確定。

圖15和圖16分別給出了運動列車和靜止列車生存空間的減少量。運動列車和靜止列車司機室生存空間的最大壓縮量均約為0.8 mm，即每5 m生存空間長度的減少量最大約為1.6 mm，遠小于標準允許的50 mm。因此，能很好地滿足EN 15227規(guī)定的乘客區(qū)生存空間減少量要求。

圖13 運動列車中工程車的縱向靜接觸力和加速度變化曲線

圖14 生存空間變形測試點位置示意圖

圖15 運動列車的司機室生存空間減少量

圖16 初始時刻靜止列車的司機室生存空間減少量

5 結 論

基于LS-DYNA非彈性壓縮彈簧，提出模擬鉤緩特性以及防爬器吸能特性的仿真方法。以兩相同列車以相對速度25 km/h相撞為例，對碰撞過程進行模擬，并計算鉤緩裝置以及防爬器對列車碰撞工況能量吸收的貢獻程度，得到以下結論:

(1) 該方法能夠模擬碰撞時車鉤緩裝置和防爬器的力學特性，并且能得到列車碰撞的輸出特性、能量吸收等指標，計算結果顯示在該工況下，車體結構未有明顯塑性變形，平均減速度等指標均滿足EN 15227 標準的要求；

(2) 兩列車對撞后，兩工程車前端的車鉤緩沖器吸收能量0.51 MJ，防爬器吸收能量0.47 MJ，分別占總能量的34%和31%，因此車鉤緩裝置和防爬器具有重要作用。