動車組車體碰撞性能分析及研究

張文，李純

（1.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學院，軌道交通工程實踐中心；2.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學院，機車車輛學院，江蘇 南京 210015）

在我國高速鐵路運輸不斷發(fā)展的過程中，人們越來越重視動車組的安全性能。動車組的被動安全是指鐵路會出現(xiàn)交通安全事故，通過動車組的車體結(jié)構(gòu)降低碰撞的性能，將不良影響消除，保證人員的人身安全。隨著軌道車輛的速度和載重的持續(xù)提高，也提高了車輛碰撞的發(fā)生概率，導致經(jīng)濟損失和人員傷亡更是觸目驚心。所以，車輛防撞性試驗備受重視。大量設計人員車體都研究了車體防撞性，并且得到了大量指導意義結(jié)論。

1 車體碰撞分析

以技術(shù)合同的實際需求，列車的防碰撞性車體以每個小時35km的速度對40t靜止卡車撞擊時，會導致前段變形區(qū)出現(xiàn)變形，除了車體端對結(jié)構(gòu)變形區(qū)能量進行吸收，其他部位沒有永久性的變形。本文使用AUTOCAD結(jié)合UG的方式創(chuàng)建車體幾何模型，一般動車組車體都是對稱的，所以只創(chuàng)建一半的車體幾何模型。如果左右不對稱，通過后續(xù)對單元網(wǎng)格進行改變。本文使用Hypermesh劃分幾何模型，因為計算資源有限，單元大小使用40mm。為了使碰撞分析精度得到滿足，細化碰撞區(qū)域。車體仿真模型一共包括748246個單元，模型包括實體單元和殼單元，圖1為碰撞有限元模型。

圖1 碰撞有限元模型

整列車的碰撞分析模型量比較大，如果將所有列車的細節(jié)設計到有限元模型中，無法使計算資源的需求得到滿足。以此，本文對模型進行簡化。在進行碰撞的時候，司機室車頭主要參與到碰撞中，在碰撞分析模型設計過程中要對頭車進行考慮。動車組車鉤最大吸收量為110kJ，和整個碰撞過程能量對比，車鉤吸能比較小。為了便于建模，在進行碰撞的時候要忽略車鉤緩沖吸能對于碰撞的影響，利用實體車鉤模型設計車鉤。

2 碰撞仿真結(jié)果

2.1 不同場景的碰撞分析

（1）場景1。靜止列車與運動列車在碰撞前的初始狀態(tài)垂向錯開40mm，開始發(fā)生碰撞到結(jié)束的列車能量變化詳見圖2，列車初始的總動能為10.4MJ，主吸能器、防爬器、車鉤與司機室吸收能量為4.8MJ，沙漏能為121kJ，占據(jù)總能量1.16%，能夠滿足計算精確度需求。在發(fā)生碰撞0.44s之后，兩個列車速度相同。在列車碰撞的過程中，第一節(jié)車體客室的平均減速度為1.5g，比規(guī)定的5g要小。靜止列車與運動列車的輪對垂向偏移量為8mm與14mm。每個轉(zhuǎn)向架到輪對垂直位置比輪緣高度要小75%，此輪緣高度設置為28mm，有效滿足列車碰撞過程中避免爬車、脫軌等需求。以車體的縱向壓縮變量，設置車體的中心線和側(cè)邊梁分別為20mm、24mm，比規(guī)定要小。

圖2 碰撞開始到結(jié)束的列車能量變化

（2）場景2。創(chuàng)建15t可變形障礙物模型，實現(xiàn)障礙物剛度的機損驗證，計算值比標準值要大。此工況并不考慮車鉤，觀察司機室的結(jié)構(gòu)，要能夠保護司機的安全性。由于列車在運營過程中的最高速度為160km/h，以標準需求平交道口碰撞速度為110km/h。列車速度在碰撞過程中從30.56m/s變?yōu)?8.9m/s，車體客室平均減速度為1.1g。車體側(cè)邊梁與中心線根據(jù)車體縱向壓縮變形量最大為34mm、57mm，比固定小。

2.2 假人碰撞仿真

使用碰撞仿真分析軟件對動車組頭車實現(xiàn)碰撞仿真分析，頭車初始速度設置為36m/s，和剛性墻碰撞。在碰撞40ms之后，只有駕駛員動作，頭部撞向車體，其他時間不明顯。在40～80ms，背向車輛行駛方向頭部逐漸靠在座椅靠背中，到最后時刻撞向?qū)γ孀危诉\動趨勢滿足實際情況，說明碰撞仿真結(jié)果可信。圖3為五個假人的位置，表1為假人受到的撞擊力值。1號假人（駕駛員）的沖擊力是最大的，駕駛室右方假人受到的沖擊力其次。在乘客區(qū)中，和列車行駛方向相背的假人會受到最大的撞擊，動車組能夠利用旋轉(zhuǎn)座椅。所以，為了避免保證乘客的安全性，要求乘客面向車輛運行方向。

圖3 五個假人的位置

表1 假人受到的撞擊力值

另外，對假人的胸部、頭部和腹部損傷程度進行對比，所受的最大位移、加速度和速度降到最小時進行分析。表2為假人不同部位受到損傷降到最低的時間，通過表2可以看出來，胸部、腹部和頭部為1號假人受到加速度最大的位置，速度降低最短的部位為腹部，最嚴重的是頭部。從而可以看出來，駕駛員位置的假人腹部位移的差別比較多，5.2mm/m3為最大的加速度，降到最低的速度為50ms。

表2 假人不同部位受到損傷降到最低的時間

2號假人受到加速度最大的位置為頭部、腹部和胸部，最大位移部位為頭部、胸部與腹部；腹部速度降低需要的時間比較短，之后是頭部。從而可以看出來，頭部是受傷最嚴重的部位，腹部為其次。

3號假人受到加速度最大的位置為頭部、腹部和胸部，最大位移部位為頭部、胸部與腹部；腹部速度降低需要的時間比較短，然后是胸部。

4號假人受到加速度最大的位置為腹部、胸部和頭部，最大位移部位為頭部、胸部與腹部；腹部速度降低需要的時間比較短，頭部為其次。以此可以看出來，乘客區(qū)域面向行駛方向的假人損傷差別不大。

5號假人受到加速度最大的位置為胸部、腹部頭部，頭部、胸部、腹部位置為最大位移實踐。那么，假人頭部和胸部在乘客區(qū)域背向位置的損傷最大，腹部的損傷比較小。

2.3 強度結(jié)果

（1）靜態(tài)強度。在縱向載荷作用過程中，動車底架前端下部蓋板局部開孔具有較大的應力。在1500kN壓縮工況中，車鉤底架F端和地板型材連接過程中的應力值和需求接近。利用分析表示，在縱向力傳遞路徑中，此立板開孔位置連接地板型材，破壞力的連續(xù)性，從而使應力比較集中。但是，縱向載荷通過連接型材傳遞到地板中。地板的受力比較均勻，降低應力水平，枕內(nèi)并沒有高應力區(qū)，此和車體縱向承載特性的分析結(jié)論一致。在垂向載荷下，轉(zhuǎn)向架搖枕安裝面的上方窗口具有較大的應力。利用分析力學角度表示，無論是何種車體結(jié)構(gòu)，簡化垂向承載特性為簡支梁模型，側(cè)墻開窗口會對力傳遞連續(xù)性造成破壞，表示窗角的應力比較集中。

（2）疲勞強度。評估橫向和縱向疲勞載荷工況，對于固結(jié)設備，通過不同方向疲勞載荷創(chuàng)建工況之后評估。利用計算結(jié)果可以看出來，固結(jié)設備與車體的動力、應力水平比材料疲勞極限要低，以此表示動車組疲勞強度存在較大的冗余。

2.4 滿員狀態(tài)

不對車鉤吸能考慮，碰撞過程仿真時間為180ms，對車鉤吸能進行考慮的時候，防爬吸能裝置吸能元件所需要的吸收能量比較小，仿真時間為160ms。在碰撞結(jié)束之后，防爬吸能裝置的吸能元件縱向結(jié)構(gòu)塑性變形并沒有滿足有效行程需求。動車組頭車司機室結(jié)構(gòu)和客室都沒有明顯的塑性變形，頭車在滿員狀態(tài)時的碰撞速度為20km/h，能夠使耐碰撞性需求得到滿足。

2.5 整備狀態(tài)

不對車鉤吸能進行考慮，碰撞過程中的仿真時間為160ms。在對車鉤吸能進行考慮的時候，能夠降低防吸爬能裝置吸能元件所需要的能量，仿真時間為150ms。在結(jié)束碰撞之后，防爬吸能裝置吸能元件對大部分動能吸收之后能夠達到有效行程需求，不對車鉤吸能考慮時候的變形為417.6mm，充分考慮車鉤吸能時候的變形為390.54mm，司機室變形區(qū)出現(xiàn)塑性變形，但是司機室后客室、乘區(qū)并沒有出現(xiàn)塑性變形。在仿真計算過程中，不對車鉤吸能進行考慮，半車的界面力第一個最大值為907.36kN，司機室結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性變形之前的平均界面力為653.14kN。假如對車鉤吸能進行考慮，半車界面力第一個最大值為923.82kN。所以，在動車頭車整備工況中，碰撞速度為每小時36km的時候，能夠使耐碰撞性需求得到滿足。

3 試驗驗證

對動車組車體結(jié)構(gòu)進行靜強度試驗，并且根據(jù)標準評定試驗結(jié)果。利用實驗結(jié)果可以看出來，動車組的車體剛度和強度能夠使標準需求得到滿足。通過實驗結(jié)果進行分析，無論是車體變形或者應力分布，滿足車體承載特性的規(guī)律，并且仿真結(jié)果滿足實驗結(jié)果需求。以此表示，動車組車體分析與有限元計算是成功的在車體設計技術(shù)中具有良好的指導作用，表3為車體部分應力計算值和實驗值的對比。

表3 車體部分應力計算值和實驗值的對比

4 結(jié)語

設計理念不同，所以會有不同的設計標準，導致動車組與鐵庫客車的車體結(jié)構(gòu)也各不同。那么，在對軌道車輛結(jié)構(gòu)強度設計過程中，要對結(jié)構(gòu)承載性能進行分析，然后通過力學模型分析驗證。我國鐵路標準根據(jù)安全系數(shù)靜態(tài)方法對車體安全性與可靠性進行保證。在設計鐵路客車車體的過程中，具有較大的靜強度冗余，隨著列車速度與運行里程的增加，存在局部疲勞損壞的情況。所以，要針對車體指定有效考核標準與疲勞評估。