基于第三方認(rèn)證的地鐵車體仿真計算問題探討

李 麗，鐘 磊，2，王家恒，李 杰，苑 明

(1.中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412000；2.大功率交流傳動電力機(jī)車系統(tǒng)集成國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 株洲 412000)

0 引言

隨著軌道交通譜系的擴(kuò)展及用戶對全壽命周期內(nèi)車輛安全性要求的提高，對國內(nèi)某城市城軌車輛項(xiàng)目引入第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)，對整車及各部件在設(shè)計、生產(chǎn)制造、測試、運(yùn)行等階段進(jìn)行全面的獨(dú)立安全評估。 車體作為承載車輛安全運(yùn)行的關(guān)鍵部件，其安全性受到了較多關(guān)注，引入更專業(yè)的第三方評估機(jī)構(gòu)對車體靜強(qiáng)度、疲勞、碰撞等進(jìn)行全方面的評估，可以提升仿真計算的能力，完善仿真計算中存在的不足。本文在更嚴(yán)格的要求下對所設(shè)計的車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和防撞能力進(jìn)行考察，就認(rèn)證過程中車體靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度及碰撞仿真存在的主要問題進(jìn)行進(jìn)一步的仿真和研究，為后續(xù)項(xiàng)目仿真提供經(jīng)驗(yàn)。

1 靜強(qiáng)度計算問題

1.1 支反力

車體靜強(qiáng)度仿真根據(jù)《EN12663-2010+A1-2014》和項(xiàng)目的技術(shù)規(guī)格書的要求進(jìn)行相應(yīng)工況的加載和計算，結(jié)果輸出時須考慮各工況支反力情況。從結(jié)構(gòu)力學(xué)的角度看，當(dāng)物體受到外載荷作用時，在約束中產(chǎn)生作用在被約束的物體上的力即為支反力。

外載荷為外界加在計算模型上的作用力，包括體力、面力、集中力3種不同的激勵力。體力Fv主要包括模型自身的重力、運(yùn)動引起的慣性力等；面力主要指作用在物體表面的力；集中力主要指激勵力作用于計算模型的一個點(diǎn)上的力。在車體靜強(qiáng)度計算時，外載荷僅考慮體力和集中力對計算模型的作用。在仿真計算中，將車體等效為彈性體，彈性體在受外載荷作用時仍處于平衡狀態(tài)[1]。根據(jù)此原理，可以在各工況計算結(jié)果中讀取相應(yīng)約束點(diǎn)的支反力，用來判斷在工況下，車體是否處于平衡狀態(tài)。

1.2 支反力輸出

以AW0整備狀態(tài)車體計算工況為例。圖1為該工況下車體各位置約束情況。

圖1 AW0工況下車體約束示意圖

在靜強(qiáng)度計算完成后，在ANSYS中輸入：Main Menu>>General Postprocessor>>List Results>>Reaction Solution ，即可根據(jù)約束情況輸出各約束位置各方向的支反力。表1為AW0工況下各約束位置支反力。

表1 AW0工況下各約束位置支反力 單位：N

2 疲勞強(qiáng)度計算問題

根據(jù)《EN 12663-1-2010+A1 2014》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，疲勞評估方法有耐久極限法和累積損傷法[2]。累積損傷法需要依賴載荷譜，由于具體項(xiàng)目中較難獲取準(zhǔn)確的載荷譜，因此，目前疲勞強(qiáng)度評估時耐久極限法被廣泛應(yīng)用。在仿真計算輸入時，外部載荷的輸入主要為運(yùn)行狀態(tài)下列車垂向、橫向及縱向載荷，與之對應(yīng)的轉(zhuǎn)向架質(zhì)量與正常有效運(yùn)行載荷對疲勞計算存在一定的影響。

2.1 正常有效載荷的定義

對正常有效載荷的使用應(yīng)根據(jù)實(shí)際車輛的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行合理選擇。依據(jù)《EN 12663-1-2010+A1 2014》中“設(shè)計質(zhì)量”定義指向?yàn)椤禘N 15663-2009》標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定：對于PⅡ-PⅢ類車輛，在整個運(yùn)行壽命周期內(nèi)可以使用正常設(shè)計有效載荷。《EN15663-2009》[3]標(biāo)準(zhǔn)中對正常有效載荷進(jìn)行了具體要求。以上2個標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定見表2。基于以上要求，在客流量較大的城市，車體疲勞計算正常設(shè)計載荷可以按照AW3載客量進(jìn)行校核。

表2 正常有效載荷標(biāo)準(zhǔn)要求

2.2 有效載荷對疲勞的影響

疲勞仿真時，求得模型每個節(jié)點(diǎn)的最大等效主應(yīng)力(σmax和最小等效主應(yīng)力(σmin，再求出應(yīng)力比R，然后按照《DVS 1608-2011》[4]標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的焊縫及母材的MKJ圖中查出相應(yīng)的許用應(yīng)力值[σ]。該節(jié)點(diǎn)絕對值(σmax最大應(yīng)力值與許用應(yīng)力值相除，即為材料利用度D。若D小于0，則該節(jié)點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度滿足設(shè)計要求；否則，須改進(jìn)該處的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

本項(xiàng)目中，Tc車AW3與AW2有效載荷輸入見表3。下面就兩種有效載荷作用下，選取典型的焊縫和母材上疲勞利用度較大點(diǎn)的疲勞計算結(jié)果進(jìn)行對比[5]。

從表3中所列數(shù)據(jù)可以看出：有效載荷從AW2增加到AW3，總重量增加了68 670 N，但通過疲勞計算獲得的結(jié)果中母材和焊縫處材料利用度變化不大，對于中間車的疲勞分析也存在相同的結(jié)論。分析認(rèn)為，雖然有效載荷增加了，但增加的載荷對疲勞計算的影響體現(xiàn)在縱向載荷的稍微增加，對疲勞計算不會有較明顯的影響。

表3 兩種載荷輸入對疲勞計算結(jié)果的影響

3 列車碰撞仿真問題

列車碰撞仿真主要依據(jù)《EN 15227:2008》 標(biāo)準(zhǔn)[6]。對于車體而言，提高碰撞仿真的準(zhǔn)確性尤為重要。碰撞時，軌道列車的被動安全吸能過程為鉤緩系統(tǒng)吸能—防爬器吸能—車體可變形區(qū)吸能進(jìn)行順序吸能。鉤緩系統(tǒng)的載荷-行程曲線由供應(yīng)商提供，而車體材料動態(tài)特性和防爬器等效建模的準(zhǔn)確性對碰撞仿真極為重要。

3.1 碰撞材料特性

碰撞分析涉及幾何非線性和材料非線性。碰撞發(fā)生時，由于破壞、失效、斷裂等情況存在，勢必會使得一些單元失效。僅考慮材料的線性問題不滿足碰撞實(shí)際情況，而是要考慮材料的非線性。車體主結(jié)構(gòu)材料6005A和6082在高速拉伸應(yīng)變率分別為0.02/s、1/s、400/s、800/s，進(jìn)行試驗(yàn)獲得的真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變曲線如圖2所示[7]。在Ls-Dyna中采用98號單元類型定義材料參數(shù)。由于碰撞時材料與輕微的應(yīng)變率相關(guān)，采用Johnson-Cook本構(gòu)關(guān)系計算得出的曲線與上述試驗(yàn)曲線吻合性較好。6005A材料在軟件中的設(shè)置如圖3所示。

圖2 EN AW-6005A/EN AW-6082材料高速拉伸材料性能曲線

圖3 EN AW-6005A材料參數(shù)設(shè)置

3.2 防爬器等效模擬

防爬器建模時，通常要建立防爬部、導(dǎo)向部、固定部。不同類型防爬器的材料性能和失效模式均有所不同，對于切削式防爬器的實(shí)體建模更為復(fù)雜。為提高建模效率，采用了非線性彈簧單元Beam_119模擬，在彈簧材料中加入防爬器的力-行程曲線來表征動態(tài)沖擊過程中的響應(yīng)特征。Beam_119可以實(shí)現(xiàn)離散梁單元3個自由度方向上力與位移吸能特性模擬，并且能夠根據(jù)吸能部件的實(shí)際吸能特性設(shè)定加載與卸載曲線。碰撞過程中，防爬器須承受較大的縱向載荷，因此在仿真建模中僅激活Beam_119單元在列車縱向的自由度[8]。

通過以上材料參數(shù)的完善和防爬器建模的合理設(shè)置，碰撞計算結(jié)果滿足《EN 15227:2008》 標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4 結(jié)論

通過對第三方機(jī)構(gòu)所提典型問題：靜強(qiáng)度仿真工況支反力輸出、載客量為AW3時對車體疲勞仿真的影響、考慮了車體材料的非線性特性的列車碰撞及車端防爬器等效建模的研究，充分說明以下幾點(diǎn)。

1)所建立的車體有限元模型是準(zhǔn)確的，各工況下車體受力處于平衡狀態(tài)。

2)驗(yàn)證了車體在更為嚴(yán)苛的載客量輸入前提下，仍滿足疲勞評估的要求，且AW3載客量對車體的疲勞計算結(jié)果并未產(chǎn)生明顯的影響。

3)考慮了車體材料非線性特性計算的列車碰撞更接近實(shí)際，同時采用防爬器等效建模的方式，在考慮了防爬器動態(tài)特性曲線前提下，提高了建模和仿真的效率，結(jié)果仍然滿足相應(yīng)的碰撞標(biāo)準(zhǔn)要求。