侵入物高速撞擊下鉸鏈式動車組的安全性

朱衛 張海 岳譯新 蘇永章 張宸瑜 付耿哲

摘要：? 為探究侵入物高速撞擊下鉸鏈式動車組的安全性，在實物三維掃描重構的基礎上，構建一種新的活體三維有限元層疊模型，并在LS-DYNA中進行擺錘側面碰撞分析驗證;通過鉸鏈式動車組與活體在110 km/h速度下的碰撞仿真計算，討論動車組運行的安全性以及吸能裝置的可靠性。結果顯示：活體的有限元層疊模型既能保證計算精度，又能提高計算效率;在110 km/h的碰撞速度下，車體加速度為0.117g，輪對抬升量為0.238 mm，車鉤每5 m長度的壓縮量最大約為1.89 mm。各項指標都低于EN 15227標準，動車組行車安全性沒有受到影響，吸能裝置也能可靠工作。

關鍵詞：? 軌道; 活體侵入物; 耐撞性; 鉸鏈式動車組; 吸能裝置

中圖分類號：? U270.12; TB115.1文獻標志碼：? B

收稿日期： 2021-10-17修回日期： 2021-11-05

基金項目：? 國家自然科學基金資助項目（51865009）;江西省自然科學基金資助項目（20192BAB206022）

作者簡介： 朱衛（1983—），男，湖南株洲人，工程師，碩士，研究方向為城軌車輛車體研發，（E-mail）zhuwei19830503@163.comSafety of articulated EMU

under high-speed impact of invader

ZHU Wei1，2， ZHANG Hai3， YUE Yixin1，2， SU Yongzhang1，2，

ZHANG Chenyu3， FU Gengzhe3

（1. The State Key Laboratory of Heavy Duty AC Drive Electric Locomotive Systems Integration， Zhuzhou 412001， Hunan， China;

2. CRRC Zhuzhou Locomotive Co.， Ltd.， Zhuzhou 412001， Hunan， China; 3. Key Laboratory of Conveyance and Equipment of

the Ministry of Education of China， East China Jiaotong University， Nanchang 330013， China）

Abstract： To explore the safety of the articulated EMU under the high-speed impact of invader， a new three-dimensional finite element stack model of the living invader is constructed based on the reconstruction of the physical three-dimensional scanning， and the analysis and verification of pendulum side impact is carried out in LS-DYNA. The simulation calculation of impact between the articulated EMU and living body at speed of 110 km/h is done， and the safety of the EMU operation and the reliability of the energy absorbing device are discussed. The results show that the finite element stack model of the living body can not only ensure the calculation accuracy， but also improve the calculation efficiency. At impact speed of 110 km/h， the acceleration of the EMU is 0.117g， the lift of the wheelset is 0.238 mm， and the maximum compression of the coupler length per 5 m is about 1.89 mm. All indexes are lower than the EN 15227 standard， the safety of the EMU operation is not affected， and the energy absorbing device can also work reliably.

Key words： rail; living invader; crashworthiness; articulated EMU; energy absorbing device

0引言列車運行安全一直是鐵路運輸的重中之重。隨著列車運行速度的不斷提高，列車發生碰撞事故的概率也逐漸增大，一旦發生碰撞事故，后果不堪設想[1]。英國最早開始進行軌道交通碰撞安全性的研究[2]，提出以可控大變形方式吸收碰撞能量的耐撞性車體結構設計方法，在自制試驗臺上對車體端部進行準靜態沖擊試驗和2列全尺寸列車的正面頭對頭碰撞試驗。在歐盟資助下，歐洲開展一系列鐵路安全研究項目，并于2007年頒布列車碰撞安全標準，推動車輛設計的改進。國內的中南大學、西南交通大學、中國鐵道科學研究院等科研院所，也先后進行列車碰撞動力學模型對列車碰撞過程中的響應行為[3]、車間連接裝置的有限元仿真模擬方法[4-5]以及碰撞過程中乘客二次傷害安全性[6]等關鍵問題研究。中車青島四方、中車長春客車等企業也在列車碰撞實物試驗上達到國際先進水平，分別完成76 km/h列車實車車輛級對撞試驗和2列8車編組高速動車組碰撞試驗。列車的碰撞仿真研究一般早于碰撞試驗，相比于碰撞試驗，碰撞仿真的經濟性和可重復性更好[7]。為探究侵入物高速撞擊下鉸鏈式動車組的安全性，在實物三維掃描重構的基礎上，構建一種新的活體（本文以牛為研究對象）三維有限元層疊模型，并通過鉸鏈式動車組與活體在110 km/h速度下的碰撞仿真計算，探討動車組運行的安全性以及吸能裝置的可靠性。

1活體侵入物三維重構構建活體侵入物的有限元模型，需要有高度相似的幾何外形和較為準確的結構。逆向工程設計是實體三維快速重構的重要方法，在醫學臨床診斷或生物醫學工程領域，活體結構三維重建常利用CT和MRI數據進行處理[8]。

1.1活體侵入物點云數據獲取及處理本文使用德國ATOS光學掃描儀，對牛進行實物掃描，獲取牛的外形輪廓點云數據（見圖1），牛的外形輪廓尺寸為：長2 044 mm、寬650 mm、高1 320 mm，質量600 kg。

在對牛的點云數據進行過濾處理后，使用多邊形網格進行三角化封裝，得到牛的網格模型，見圖2。

1.2不同部位模型分割及曲面重構依據牛的外形結構，將牛的網格模型分割為軀體、耳朵、腿以及鼻子等部分，并生成對應的NURBS曲面模型。牛的軀體、耳朵、腿以及鼻子的網格模型和曲面模型見圖3。

2牛的三維有限元層疊模型構建從生物解剖學結構上講，牛由肌肉、骨骼、器官以及其他組織構成。在進行生物體損傷研究時，有限元模型不僅需要在幾何上與實際解剖結構一致，而且應能準確模擬各種關節及連接部位的力學性能，各部位采用的材料特性也應與生物體一致[9]。在高速碰撞下，牛的存活概率極低，故不用考慮牛的損傷，不需要對牛進行器官級的建模。

2.1三維有限元層疊模型的網格建立對碰撞過程沒有影響或影響不大的一些局部結構，可以進行適當簡化，如忽略模型中的內臟等。將牛的骨骼簡化為緊貼肌肉組織的一層有厚度的實體薄殼，并刪除一些倒圓、倒角和圓孔等。簡化的牛三維有限元層疊模型見圖4。

將牛的肌肉組織、骨骼等作為實體結構，使用三維實體單元SOLID164進行網格劃分，單元尺寸設置為10 mm×10 mm;牛的頭部、耳朵殼體使用薄殼單元SHELL163進行網格劃分，單元實常數厚度設置為1 mm;碰撞模型中沒有建模的大型組織使用MASS166進行網格劃分。單元總數為172 118個，單元類型及常數見表1，牛三維有限元層疊模型見圖5。

牛的全身骨骼，包括肋骨、脊柱和胸骨等，選用彈塑性材料模擬，在LS-DYNA中選用MAT-03材料。在骨骼材料中設定失效塑性應變模擬骨骼破壞，可以保證當應變達到極限時，通過刪除單元以模擬骨折。皮膚與肌肉等采用線彈性材料本構模型。各組織的材料模型參數見表2，主要硬骨彈塑性材料參數見表3，胸腹部組織線彈性材料參數見表4。

碰撞是典型的大變形問題，由于動物體模型復雜，表面眾多，在碰撞過程中相近的表面都可能由于變形而發生接觸，且哪些表面發生接觸事先無法預知，因此接觸類型應定義為自動單面接觸。

2.2層疊模型的擺錘側碰仿真驗證用LS-DYNA對創建的牛的層疊模型進行擺錘側碰仿真分析驗證。參考Viano在1989年的尸體擺錘碰撞試驗，擺錘為一圓柱形物體，直徑為150 mm，質量為23.4 kg，碰撞速度為6.7 m/s，碰撞總時長為50 ms[10]。擺錘的彈性模量E=0.1 GPa，皮膚、肌肉與擺錘的接觸類型為自動面-面接觸，摩擦因數為0.3;骨骼與肌肉的接觸類型為滑動不分離面-面接觸，摩擦因數為0.3;整個牛的組織采用自接觸，摩擦因數為0.2。牛的側面與擺錘撞擊仿真接觸示意見圖6。

在LS-DYNA中進行仿真計算，設置計算總時長為31 ms。擺錘以6.7 m/s的初速度沖擊牛的側面時，速度與時間歷程曲線見圖7。擺錘接觸牛后受到阻擋，速度迅速下降，牛的軀體吸收擺錘碰撞產生的能量，并通過軀體皮膚、肌肉以及骨骼的變形吸收能量;當速度變為0后，擺錘產生的能量被軀體充分吸收，這時牛的肌肉、骨骼產生一定的回彈，擺錘反向移動，速度上升到約1.9 m/s。

碰撞各時刻牛的應力云圖見圖8。在碰撞過程中，首先肌肉組織出現較大應力，并有大量單元失效被刪除，肌肉組織逐漸被破壞;然后在牛的左側骨骼上部分區域出現較大應力，伴隨著部分單元失效被刪除，表明此處發生骨折的風險較大。

活體模型撞擊力-時間曲線見圖9，活體模型撞擊力-位移曲線見圖10。與文獻[8]中的人體試驗結果和仿真計算結果相比，響應曲線一致性均較高。人體擺錘撞擊試驗的最大撞擊力為4.3 kN，與模型仿真計算結果相差16.3%，撞擊力與文獻存在差異的原因是層疊模型的材料參數不一致，但數值偏差在允許范圍內。

3列車有限元模型的建立鉸鏈式EMU為出口歐洲的一種具有高性價比的高速動車組，設計時速為160 km/h，整車為6節編組，包括1節頭車、1節尾車、4節中間車，車上的設備質量通過增加質量點進行配重處理，總質量為209.335 t[11]。列車的有限元模型見圖11，模型包含1 849 745個節點、2 019 890個單元，其中殼單元1 833 721個、三維實體單元342 215個、質量單元44個、彈簧單元81個、節點剛體126個、梁單元64個、柔性連接單元7個。

車間鉸鏈連接設置見圖12，通過耦合接觸單元并添加彈簧單元，實現車體之間的連接。

防爬器底部通過梁單元與車體前端的節點耦合，實現防爬器與車體的連接，見圖13。同時，防爬器內外壁設置為自動面-面接觸，實現碰撞時的變形吸能。

車鉤底部通過梁單元與車體前端的節點耦合。與防爬器不同，車鉤單元類型采用非線性的六自由度梁單元，見圖14。

排障器使用實體單元建模，但與車頭螺栓的連接采用梁單元模擬，見圖15。

4列車與牛的碰撞仿真分析依據EN 15227標準[12]，設置列車與牛碰撞的工況：列車以110 km/h速度與車前軌道上靜止的一頭600 kg牛發生正面碰撞。列車能量隨時間變化的曲線見圖16，車體初始動能為9.803×104 kJ，在碰撞過程中，車體通過彈塑性變形吸收能量，使動能轉化為內能;在碰撞結束后，車體動能為9.754×104 kJ;沙漏能遠小于總能量的5%。

EN 15227標準規定機車的縱向加速度不能超過5g。車體加速度變化曲線見圖17，可知車體最大加速度僅約為0.117g，遠低于5g。

列車頭車的一位轉向架的一位輪對抬升最大。其抬升量變化曲線見圖18，輪對最大抬升量為0.238 mm，未超過輪緣名義高度（28 mm）的75%，滿足EN 15227標準中關于爬車風險評估的要求。

為評價車鉤變形情況，在車鉤上取1對節點（相距1.35 m，見圖19（a）），車鉤變形量由節點對的縱向位移差確定，圖19（b）為車鉤變形曲線，最大變形為0.51 mm，即每5 m空間長度的壓縮量最大約為1.89 mm，遠小于標準允許的50 mm。圖20為車鉤受力變化情況，從圖20（b）中可知，車鉤最大受力達到242 kN，低于列車最大允許車鉤力1 000 kN。

5結論（1）層疊模型的碰撞響應與實際的人體試驗結果以及文獻仿真計算結果接近，可以保證計算精度;同時模型簡化動物體復雜的生物結構，計算效率較高。（2）由于模型的肌肉組織與骨骼之間采用點與點硬連接關系，導致在發生碰撞的過程中碰撞力并未從肌肉沿著各個節點傳送到骨骼上，導致肌肉組織受到的應力過大（達到屈服極限），使肌肉單元失效，在后續研究中可以對本文模型進一步優化。（3）動車組以110 km/h速度與車前軌道上一靜止的600 kg活體侵入物發生正面碰撞后，車體加速度為0.117g，遠低于碰撞標準要求的5g;輪對抬升量為0.238 mm，對動車組行車安全性沒有影響;車鉤每5 m空間長度的壓縮量最大約為1.89 mm，遠小于標準允許的50 mm，車鉤最大受力達到242 kN，低于列車最大允許車鉤力1 000 kN，吸能元件能可靠工作。參考文獻：

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