淺析地鐵車輛吸能結構

寇麗君

摘 要：根據不同地鐵車輛的結構，建立頭車有限元模型，當發生碰撞，頭車相對于車身更危險，對頭車結構采用有限元模型，利用OptiStruct軟件對車端吸能結構吸能梁的分布進行研究。對于車輛碰撞過程中理想四級吸能順序進行參照，結合PAM-CRASH碰撞仿真軟件，用碰撞仿真軟件進行驗證四種吸能結構的吸能特性。對于不同的吸能特性進行分析，從而達到優化地鐵車輛的吸能結構的目的。

關鍵詞：吸能結構 車鉤 有限元模型 優化

Analysis on the Energy-absorbing Structure of Subway Vehicles

Kou Lijun

Abstract：Based on the structure of different subway cars， a finite element model of the lead car is established. When a collision occurs， the lead car is more dangerous than the car body. The finite element model of the lead car structure is adopted， and the OptiStruct software is used to analyze the distribution of the energy absorbing beams of the car end energy absorbing structure. The paper refers to the ideal four-level energy absorption sequence in the process of vehicle collision， combined with the PAM-CRASH collision simulation software， and uses the collision simulation software to verify the energy absorption characteristics of the four energy absorption structures. Besides the paper also analyzes different energy absorption characteristics to achieve the purpose of optimizing the energy absorption structure of subway vehicles.

Key words：energy-absorbing structure， car coupler， finite element model， optimization

1 地鐵車輛吸能結構的研究背景

中國是一個國土面積十分遼闊的國度，在中國的土地上鐵路發展的尤為迅速。交通強國、鐵路先行的口號也一直伴隨著我們的鐵路事業不斷前進著。地鐵車輛的發展，可以說是推薦城市之中經濟進步的重要因素。地鐵多建于地下，多條地鐵線路的建設可以讓城市的交通得到很大程度的提升。特別是在私家車保有量逐漸增多的今天，城市地鐵車輛的建設顯得尤為的突出和重要。城市人員流動大，地鐵站內人流密集，所以更應該加強安全管理，避免發生碰撞事故，消除安全隱患。地車車輛頭車司機室相對于車身設計的比較短，當發生碰撞，沒有特定的吸能區域來吸收、耗散碰撞能量。由于地鐵內部設計和高鐵等不同，中間車輛沒有衛生間、行李架等可以犧牲掉的薄弱區域來耗散能量，因此地鐵車輛前端吸能結構的設計就顯得尤為重要。

怎樣使地鐵車輛在碰撞過程中能夠穩定的吸收更多的能量，減少財產損失，確保乘務人員的安全，減少不必要的傷害，就特別重要。本文主要研究地鐵車輛的吸能結構，車輛端部吸能裝置設置有編組列車頭車（Tc車）采用全自動機械車鉤。如圖1所示為地鐵車輛四級吸能結構順序理想的曲線模型圖，通過對圖1所示的吸能順序，我們對地鐵車輛進行優化研究其吸能結構的工作。按照車鉤緩沖裝置建模、防爬器建模、拓撲結構分布研究三部分進行分析。

2 地車車輛頭車各部模型建立及分析

2.1 建立車輛車鉤模型

首先建立車輛車鉤模型，確保數據準確，車鉤的其他部位用實體單元來模擬，車鉤模型就由這部分構成，我們在建立車鉤模型過程中全自動車鉤常采用后置式鼓脹管結構，如下圖2所示。在建立了車鉤有限元模型之后，我們還要注意改變材料、厚度等相應的條件，盡管我們對各種條件進行改變，但是該計算過程存在工作量大、重復性大等相應的特點也會導致結果具有一定的誤差，因此，探索新的建模方式已經成為設計建模的重點。

為提高準確性采用非線性彈簧單元模擬車鉤，如圖2所示，在彈簧材料中加入車鉤的載荷-行程曲線來表征車鉤在發生動態沖擊過程中的響應特征[2]，得到EFG3緩沖器的動態載荷-行程曲線如圖3所示。

2.2 建立車輛防爬器模型

頭車端部存在一種防護措施，這就是防滑器。防爬器的功能有很多，其中主要的功能如下：（1）使列車無法縱向爬行;（2）當列車出現事故發生碰撞時，可以使一車無法爬到另一車上;（3）可以吸收碰撞所散發出的碰撞能量[3]。在以往的碰撞事故中，當兩列車發生碰撞事故時，由于頭車在車輛前端，所以兩車端部往往是損害最嚴重的地方，會造成不可估計的財產損失或人員傷害甚至死亡的嚴重的后果。有時候甚至還會發生一列車爬升到另一列車上的情況，這種情況的事故就會加重傷害[4]。因此，防爬器的設計就更加重要，EN15227標準中有了對頭車端部防爬器的一系列規定，改善防爬器性能，對防爬器進一步要求。

本文中，為得到準確的數據，列車端部防爬器采用了刨削式防爬器，具有穩定的切削載荷值。圖4給出了防爬器實際實驗載荷-行程曲線，依據試驗曲線來模擬模擬防爬器的彈簧單元載荷-行程曲線。

2.3 地鐵車輛端部拓撲結構分布研究

為研究地鐵車輛端部端部拓撲結構，研究采用合理的分析方法。結合某地鐵列車頭車結構，截取頭車前端司機室有限元模型，車輛的車體采用鋁合金材料，根據設計要求，防爬器的位置不能隨意改變，以此研究吸能梁位置分布。

密度法和別的計算方法不同，它是根據單元密度值（0或1）來決定單元的取舍。1代表紅色單元密度值，為要保留的單元;0代表藍色單元密度值，此單元對結果沒有影響，所以要去掉。

3 結語

本文結合我國地鐵車輛發展現狀，首先介紹了我國地鐵車輛發展的背景，以及敘述地鐵車輛發生碰撞的特點，再通過國內外重點研究的地鐵車輛碰撞課題從而引出本文的中心思想。本文首先對車鉤模型進行建立，在車鉤有限元模型建立后進行緩沖器動試驗特征曲線的編寫。再進行防爬器模型建立，通過EN14227標準對防爬器模型進行規劃，從而得到防爬器載荷行程試驗曲線。最后對地鐵車輛拓撲結構分布研究，通過載荷分布研究利用軟件優化算法，從而最終達到對該部分進行優化。本文的撰寫有助于分析地鐵車輛發生碰撞的各部分吸能結構的優化。對于我國未來地鐵車輛的發展可以起到一定的促進推動作用，讓地車車輛能夠更加安全。

參考文獻：

[1]臧蘭蘭.城軌車輛鉤緩裝置配置與頭車前端底架的碰撞吸能區設計[J].現代城市軌道交通，2013，02：1-4.

[2]楊慧芳.CRH3動車組被動安全性和耐撞性優化研究[D].大連交通大學碩士論文.2009.

[3]嚴雋耄，付茂海.車輛工程[M].中國鐵道出版社，2011.

[4]趙洪倫，王文斌，廖彥芳.城市軌道車輛防爬器開發研究[J].機電產品開發與創新，2003（6）：33-35.