軌道交通車輛碰撞吸能安全性研究

□ 呂元穎

上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司 上海 200245

1 研究背景

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,軌道交通在許多城市從無(wú)到有,從有到多,不斷發(fā)展,我國(guó)的軌道交通運(yùn)營(yíng)總里程不斷增加,軌道交通車輛運(yùn)營(yíng)安全問題也隨之增多。軌道交通車輛碰撞事故發(fā)生概率雖然遠(yuǎn)小于汽車碰撞事故,但是由于軌道交通運(yùn)行密度大,載客量大,一旦出現(xiàn)碰撞事故,將會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的人員傷害和經(jīng)濟(jì)損失。因此,對(duì)軌道交通車輛碰撞吸能安全性進(jìn)行研究具有重要意義[1]。

美國(guó)Volpe研究中心將試驗(yàn)與有限元仿真相結(jié)合,開展軌道交通車輛耐撞性、乘員損傷與內(nèi)飾的關(guān)系研究。歐洲標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(CEN)于2007年審核通過標(biāo)準(zhǔn)EN 15227《鐵路應(yīng)用 鐵路車輛車體的防撞性要求》,在標(biāo)準(zhǔn)EN 12663《鐵路應(yīng)用 鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求》規(guī)定的基本強(qiáng)度要求基礎(chǔ)上增加了結(jié)構(gòu)的被動(dòng)安全性要求。

我國(guó)在軌道交通車輛被動(dòng)安全方面的研究雖然起步較晚,但是也取得了一些成果。王文斌、趙洪倫等[3]運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)技術(shù)進(jìn)行兩列軌道交通車輛的碰撞動(dòng)力學(xué)仿真,實(shí)現(xiàn)了對(duì)新設(shè)計(jì)軌道交通車輛碰撞被動(dòng)安全系統(tǒng)的總體性能評(píng)估。丁晨、趙洪倫[4]使用吸能模塊與不同吸能材料,研究軌道交通車輛的清障器,顯示新的清障器能夠?qū)崿F(xiàn)良好的收集能量與緩沖碰撞功能。

筆者應(yīng)用LS-DYNA軟件對(duì)軌道交通車輛碰撞工況進(jìn)行安全分析,根據(jù)EN 15227標(biāo)準(zhǔn)模擬不同速度下的軌道交通車輛對(duì)撞工況,確保軌道交通車輛主體結(jié)構(gòu)不受損傷。筆者同時(shí)研究分析了不同速度下軌道交通車輛的吸能特性,并對(duì)軌道交通車輛的安全性能進(jìn)行初步評(píng)估[5-6]。

2 碰撞非線性理論

在描述軌道交通車輛碰撞非線性大變形時(shí),通常使用拉格朗日描述,即使用運(yùn)動(dòng)中的質(zhì)點(diǎn)描述物體的運(yùn)動(dòng)和變形。選取物質(zhì)坐標(biāo)和時(shí)間構(gòu)建獨(dú)立坐標(biāo)系,運(yùn)動(dòng)方程表征的是物體的單值連續(xù)映射,由原始構(gòu)型V0變化為現(xiàn)有構(gòu)型V[7]。

除運(yùn)動(dòng)方程外,質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律和動(dòng)量守恒定律也是軌道交通車輛發(fā)生碰撞時(shí)必須遵守的三大定律[8]。

質(zhì)量守恒定律為:

ρ=Jρ0

(1)

式中:ρ為現(xiàn)時(shí)物體的密度;ρ0為開始時(shí)物體的密度;J為碰撞發(fā)生時(shí)的變化密度因數(shù)。

(2)

式中:?x/?X為變形梯度。

當(dāng)原始構(gòu)型中的微六面體dV0發(fā)生改變時(shí),有:

(3)

如果介質(zhì)不能變化,那么J為1[9]。

能量守恒定律為:

(4)

動(dòng)量守恒定律為:

(5)

3 基本參數(shù)

上海軌道交通8號(hào)線四期增購(gòu)車輛為七節(jié)編組車型,編組形式為-Tc*Mp*M1*M2*M1*Mp*Tc-,Tc為帶司機(jī)室的拖車,Mp為帶受電弓的動(dòng)車,M1和M2為普通動(dòng)車,-為帶氣液緩沖的全自動(dòng)車鉤,*為帶氣液緩沖和壓潰管的半永久車鉤。軌道交通車輛編組形式如圖1所示,車鉤與防爬器配置見表1。軌道交通車輛碰撞示意圖如圖2所示。左側(cè)車輛為靜止車輛,右側(cè)車輛為運(yùn)動(dòng)車輛。斷面七為頭車碰撞接觸面,為一對(duì)氣液緩沖器車鉤。斷面一、斷面六、斷面八、斷面十三的壓潰管變形力為1 100 kN,斷面二、斷面三、斷面四、斷面五、斷面九、斷面十、斷面十一、斷面十二的壓潰管變形力為1 000 kN。所有壓潰管和氣液緩沖器的剪斷力均為1 250 kN。Tc車設(shè)兩個(gè)前端防爬器,單個(gè)前端防爬器觸發(fā)力為525 kN,每節(jié)車端部安裝防爬裝置。建立軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架簡(jiǎn)化模型,鋼軌使用平面替代,考慮車輪與鋼軌之間的接觸問題。車體的主要材料是鋁合金和合金鋼。

圖2 軌道交通車輛碰撞示意圖

表1 車鉤與防爬器配置

圖1 軌道交通車輛編組形式

根據(jù)用戶及環(huán)境需求,軌道交通車輛車體結(jié)構(gòu)材料一般采用鋼、不銹鋼、鋁合金[10]。上海軌道交通8號(hào)線車輛車體采用鋼鋁混合結(jié)構(gòu),具體材料機(jī)械性能參數(shù)見表2。

表2 車體材料機(jī)械性能參數(shù)

根據(jù)車體材料密度及設(shè)備質(zhì)量,換算出軌道交通車輛質(zhì)量,見表3。整車質(zhì)量為243 634 kg。

表3 軌道交通車輛質(zhì)量 kg

4 建模

依據(jù)軌道交通車輛三維模型,建立有限元模型,為七節(jié)編組。同時(shí)建立轉(zhuǎn)向架簡(jiǎn)化模型,鋼軌使用平面替代,考慮車輪與鋼軌之間的接觸問題,并配置相關(guān)材料及參數(shù)。軌道交通車輛有限元模型如圖3所示。

圖3 軌道交通車輛有限元模型

有限元模型較為詳細(xì)地考慮了軌道交通車輛的前端結(jié)構(gòu)和防爬器,縱向由非線性彈簧連接各個(gè)車體,豎直方向上轉(zhuǎn)向架的輪對(duì)與地面產(chǎn)生接觸。因?yàn)榕鲎仓饕l(fā)生在車鉤和司機(jī)室頭部部位,所以仿真中靜止車輛和運(yùn)動(dòng)車輛發(fā)生接觸的Tc車為變形體單元,防爬器也為變形體單元,其它車和轉(zhuǎn)向架為剛體單元。

5 碰撞場(chǎng)景工況

軌道交通車輛建模完成后,在同一軌道上設(shè)置兩列軌道交通車輛,建立碰撞有限元模型,如圖4所示。設(shè)置兩種工況,工況一為一列七節(jié)編組軌道交通車輛以25 km/h的速度與另一列靜止的相同編組軌道交通車輛碰撞,工況二為一列七節(jié)編組軌道交通車輛以15 km/h的速度與另一列靜止的相同編組軌道交通車輛碰撞。

圖4 軌道交通車輛碰撞有限元模型

6 碰撞仿真

建立完整的軌道交通車輛碰撞有限元模型,導(dǎo)入LS-DYNA軟件進(jìn)行計(jì)算。碰撞發(fā)生后,軌道交通車輛相接觸,運(yùn)行車輛逐步減速,靜止車輛逐步加速,兩列車輛速度達(dá)到基本一致后,剩余的動(dòng)能平穩(wěn),即可認(rèn)為碰撞結(jié)束。工況一的碰撞仿真時(shí)間為1.1 s,工況二的碰撞仿真時(shí)間為0.9 s。

兩種工況碰撞后司機(jī)室前端變形情況如圖5、圖6所示。當(dāng)以25 km/h速度碰撞后,車輛司機(jī)座前端車鉤接觸,然后壓縮,直到剪斷,防爬器開始接觸并壓縮。四個(gè)防爬器各壓縮約190 mm后,兩列車輛的變形基本結(jié)束。當(dāng)以15 km/h速度碰撞后,司機(jī)室前端車鉤接觸并壓縮,但是車鉤并未剪斷,防爬器也未接觸,兩列車輛變形結(jié)束。在整個(gè)碰撞過程中,除司機(jī)室前端車鉤緩沖裝置外,其余車鉤緩沖裝置也有不同程度且相對(duì)較小的壓縮變形。

圖5 工況一司機(jī)室前端變形情況

圖6 工況二司機(jī)室前端變形情況

7 碰撞吸能分析

運(yùn)動(dòng)車輛以25 km/h速度碰撞靜止車輛時(shí),司機(jī)室端車鉤接觸并剪斷失效,防爬器接觸壓縮而吸能,司機(jī)室前端部分結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形,也參與了吸能。工況一能量變化如圖7所示,軌道交通車輛初始動(dòng)能為5.9 MJ,所有車鉤緩沖裝置、防爬器及結(jié)構(gòu)變形吸收2.9 MJ能量,占初始動(dòng)能的49.15%。其中,車鉤緩沖裝置吸收2.35 MJ能量,其余為結(jié)構(gòu)變形吸能。輪軌摩擦力消耗0.85 MJ能量,沙漏能為20.3 kJ,占總能量的0.34%,在5%范圍內(nèi)。

圖7 工況一能量變化

運(yùn)動(dòng)車輛以15 km/h速度碰撞靜止車輛時(shí),所有車鉤均未發(fā)生失效,司機(jī)室前端結(jié)構(gòu)也未發(fā)生變形。工況二能量變化如圖8所示,軌道交通車輛初始動(dòng)能為2.11 MJ,所有車鉤緩沖裝置吸收865 kJ能量,占初始動(dòng)能的41.0%,防爬器及結(jié)構(gòu)并未參與吸能。輪軌摩擦力消耗986 kJ能量,沙漏能為5 kJ,占總能量的0.24%,在5%范圍內(nèi)。

圖8 工況二能量變化

從上述兩種工況仿真可以看出,當(dāng)運(yùn)動(dòng)車輛以15 km/h速度碰撞靜止車輛時(shí),車體主體結(jié)構(gòu)件不會(huì)發(fā)生變形。當(dāng)速度加快到25 km/h時(shí),頭車全自動(dòng)車鉤緩沖裝置及中間車部分半永久車鉤緩沖裝置已經(jīng)發(fā)生剪切失效,前端防爬器開始作用,并伴隨司機(jī)室前端部分結(jié)構(gòu)變形吸能。此時(shí)車體主體結(jié)構(gòu)件仍未產(chǎn)生變形,確保了車輛及乘員的安全。從列車碰撞過程中各種能量吸收配比來(lái)看,車鉤緩沖裝置的吸能占能量耗散相當(dāng)大一部分,防爬器及司機(jī)室前端吸能結(jié)構(gòu)作為車鉤剪斷后的又一道安全屏障,在安全保護(hù)方面也起到了積極作用。

通過工況一仿真,進(jìn)一步驗(yàn)證了軌道交通車輛吸能緩沖設(shè)計(jì)順序的正確性,車鉤緩沖裝置先開始吸能動(dòng)作,然后防爬器參與吸能,最后司機(jī)室前端吸能結(jié)構(gòu)作用。

8 結(jié)束語(yǔ)

筆者對(duì)軌道交通車輛碰撞吸能安全性進(jìn)行研究,基于車輛有限元模型與碰撞吸能仿真計(jì)算,分析兩種工況下運(yùn)動(dòng)車輛碰撞靜止車輛的安全性。仿真結(jié)果表明,兩種不同工況下,車體主體結(jié)構(gòu)均有損傷或塑性變形,但是滿足車輛碰撞安全性要求。各種吸能保護(hù)裝置在發(fā)生碰撞后變形順序有序可控,符合安全保護(hù)準(zhǔn)則。碰撞速度越快,對(duì)軌道交通車輛的破壞性越大,給乘員生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)的威脅性也就越大。

通過研究不僅驗(yàn)證了上海軌道交通8號(hào)線四期增購(gòu)車輛碰撞吸能的安全性,而且掌握了對(duì)吸能結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證的方法,為今后國(guó)產(chǎn)化軌道交通車輛碰撞及吸能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。