列車與活體侵入物高速碰撞的安全性研究

摘" 要：為探究列車在高速運行狀態(tài)下與活體侵入物碰撞的安全性，通過對活體侵入物（豬）實體掃描，構建一種新的活體侵入物有限元模型，并通過擺錘側面碰撞仿真模型的準確性；通過列車與活體侵入物碰撞仿真計算，討論列車排障器的可靠性及列車運行的安全性。結果顯示，碰撞過程中，車體最大加速度、輪對最大抬升量均低于EN15227標準，列車能滿足安全性要求；排障器變形量、排障器承受最大中央載荷也在EN15227標準要求范圍之內，排障器能可靠工作。

關鍵詞：活體侵入物；列車被動安全；有限元；排障器；安全性

中圖分類號：U270.7" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）13-0079-05

Abstract： In order to investigate the safety of collision between train and live intruders in high-speed running condition， a new finite element model of live intruders （pigs） was constructed by scanning the solids of live intruders， and the accuracy of the model was validated by pendulum side collision; the reliability of the trainamp;apos;s cowcatcher and the safety of train operation were discussed through the simulation calculation of collision between train and live intruders. The results show that the maximum acceleration of the car body and the maximum lift of the wheelsets during the collision are lower than the values in the EN15227 standard， and the train can meet the safety requirements; the deformation of the cowcatcher and the maximum central load on the cowcatcher are also within the requirements of the EN15227 standard， and the cowcatcher can work reliably.

Keywords： live intruder; train passive safety; finite element; cowcatcher; security

列車運行安全一直是鐵路運輸?shù)闹刂兄亍１M管列車具有一系列的主動安全保障措施，但列車服役中的意外碰撞事故仍不能完全避免，列車一旦發(fā)生碰撞事故，后果不堪設想[1]。

據(jù)中國國家鐵路局統(tǒng)計，列車碰撞事故多發(fā)為列車間碰撞、列車與建筑物碰撞及列車與侵入物碰撞等。相較而言，列車間碰撞、列車與建筑物碰撞占比更大，因此國內外研究也多集中在此。然而近年來，隨著高速列車的速度提高及高鐵線路的密集開通，高速列車與活體侵入物的碰撞事故也屢次出現(xiàn)，而且一旦與侵入軌道的活體發(fā)生碰撞，將造成嚴重的鐵路行車和路外傷亡事故[2]。例如，2013年由杭州開往北京的G38次高鐵列車在剛駛出鎮(zhèn)江南站后就與飛行中的鴿子相撞，使頭車擋風玻璃產(chǎn)生大面積裂紋，最終該動車在開到南京南站后全體乘客換車，并造成了約30 min的列車晚點。與中國高鐵線路上安裝有鐵路防護網(wǎng)不同的是，世界上其他國家的鐵路線路普遍防護較少，在部分路段存在列車與活體侵入物碰撞的可能。圖1為中車出口到東南亞某國的鉸接式動車組與活體侵入物高速碰撞的事故，列車前端的外罩破裂，防爬器和排障器與侵入物發(fā)生碰撞后，將侵入物推出軌道，避免了出現(xiàn)列車脫軌的危險。由于該型號動車組屬于長編組，司機室長度較短，無法布置車頭常規(guī)吸能元件[3]，因此有必要對高速列車與活體侵入物高速碰撞的可靠性進行深入研究。

在國內，周俊先等[4]通過對高速動車組的耐碰撞性分析，研究了乘客受到二次碰撞傷害的危險性；謝素超等[5]進行耐沖擊地鐵車輛吸能結構設計，提出了耐沖擊地鐵車輛設計理念，分析了列車碰撞過程中的能量吸收過程；楊超等[6]建立了非線性輪軌接觸模型耦合車輛模型和移動軌道模型，通過模擬2列同型列車低速正面碰撞，揭示車輛參數(shù)對列車碰撞爬車行為的影響規(guī)律；李蘭等[7]針對城軌列車碰撞過程中乘客二次傷害安全性開展研究。

為了實現(xiàn)列車與活體侵入物高速碰撞的安全性分析，提出了一種新的活體侵入物有限元模型，并通過列車與活體侵入物碰撞仿真計算，討論列車排障器的可靠性以及列車運行的安全性。

1" 活體侵入物有限元模型

活體侵入物有限元模型的建立是進行碰撞計算的基礎，一方面要保證計算的精度，又不能因太復雜而影響計算效率。因此可以通過實物掃描、模型重構的方法，得到幾何上與實際活體外形、結構一致的活體侵入物模型[8]，并在此基礎上進行簡化，達到上述目標。

1.1" 活體侵入物實體模型

使用德國GOM公司的ATOS光學掃描設備對活體侵入物進行實體掃描，得到實體外型的點云數(shù)據(jù)，如圖2所示；數(shù)據(jù)導入逆向工程設計軟件Geomagic，進行點云數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)三角化后，結合侵入物生理解剖學結構，構建軀體、耳朵、腿及鼻子的曲面模型，如圖3所示。

1.2" 活體侵入物有限元模型

根據(jù)活體侵入物的生理組織結構，可以建立包含最外層皮膚、肌肉、骨骼及內部組織等部分的活體侵入物有限元模型，如圖4所示。

依據(jù)參考文獻[9]設置骨材料參數(shù)值，肌肉、骨骼和皮膚組織的詳細材料參數(shù)詳見表1。根據(jù)接觸面類型可以選擇自動單面接觸（ASSC，Automatic Single Surface），在碰撞環(huán)境中，模型的各個部件均有可能發(fā)生接觸。

1.3" 活體侵入物有限元模型的驗證

參考Viano[10]在1989年的尸體擺錘碰撞試驗，使用擺錘側碰仿真分析來驗證活體侵入物有限元模型，擺錘側碰仿真模型如圖5所示。圓柱擺錘直徑為150 mm、重23.4 kg，初始碰撞速度為6.7 m/s，碰撞時間設置為50 ms。

圖6為側碰時擺錘速度變化曲線。從圖6可以發(fā)現(xiàn)，當擺錘側碰活體侵入物模型時，擺錘的動能迅速衰減，在9 ms時速度達到最小值。

圖7為側碰過程中活體有限元模型應力云圖，圖8（a）為側碰過程中活體有限元模型撞擊力隨位移變化曲線，圖8（b）為側碰過程中活體有限元模型撞擊力隨時間變化曲線。對比文獻[10]試驗結果一致性高，均呈現(xiàn)模型接觸力隨著位移增加而持續(xù)上升，并在最大位移時達到最大值，在經(jīng)過25%的回彈后停止變化，模型能滿足碰撞計算要求。當然模型仿真時的接觸力幅值與文獻存在差異，主要原因是由于兩者的材料參數(shù)和結構存在差異。

2" 列車有限元模型

列車模型由6節(jié)車組成，包括1節(jié)頭車、1節(jié)尾車和4節(jié)中間車，為了簡化模型提升計算效率，車上的設備用質量點進行代替，最后總重量209.335 t[11]。圖9為列車頭車、尾車和中間車的網(wǎng)格模型。列車有限元模型中部件材料參數(shù)見表2。

為分析排障器在碰撞時的受力情況，對排障器進行精細建模，并使用六面體單元對其進行有限元網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格模型如圖10所示。

3" 列車運行安全性以及排障器可靠性分析

依據(jù)EN 15227標準[12]，設置碰撞場景為列車以110 km/h速度行駛，與靜止的活體侵入物碰撞。

圖11為列車與活體侵入物碰撞過程中能量變化曲線。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，列車初始動能為98.03 MJ，碰撞過程中列車的碰撞吸能裝置變形，將動能轉化為內能，在0.06 s時內能達到最大值37.52 kJ，而此時沙漏能為38.15 kJ，占總能量的0.039%，遠小于總能量的5%，滿足計算精度要求。

3.1" 列車安全性分析

圖12為碰撞過程中車體加速度變化曲線，從圖12中可以發(fā)現(xiàn)，車體加速度最大為0.067 g，低于EN 15227標準中規(guī)定的5 g，滿足安全性要求。

圖13為碰撞過程中一位轉向架一位輪對抬升量變化曲線，從圖13中可以發(fā)現(xiàn)，輪對最大抬升量為0.4 mm，低于EN 15227標準中有關爬車風險評估中要求的“輪對抬升量低于輪緣名義高度28 mm的75%”，滿足安全性要求。

3.2" 排障器可靠性分析

為了考察排障器變形情況，在排障器前后兩端分別取一節(jié)，如圖14（a）所示，計算時可以通過測量節(jié)點對的縱向位移差來確定排障器變形量。圖14（b）為碰撞過程中排障器變形曲線。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，最大變形為1.81 mm，即每5 m空間長度的減少量最大約為7.3 mm，低于EN 15227標準中要求的“50 mm”。圖15（a）為碰撞55 ms時排障器應力云圖，圖15（b）為碰撞過程中排障器受力變化曲線，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，排障器在碰撞55 ms時，受力達到140 kN，低于EN15227標準要求的“排障器承受中央靜負載150 kN”。

4" 結論

為探究列車在高速運行狀態(tài)下與活體侵入物碰撞的安全性，提出了一種新的活體侵入物有限元模型，并通過列車與活體侵入物碰撞仿真計算，討論列車排障器的可靠性以及列車運行的安全性，結果如下。

1）新的活體侵入物有限元模型一方面保證了碰撞計算精度，一方面以簡化的結構提高計算效率。

2）在以110 km/h速度與軌道上一靜止的活體侵入物（豬）發(fā)生正面碰撞后，車體加速度為0.067 g，輪對抬升量為0.4 mm，低于EN 15227標準的要求，列車能滿足安全性要求。

3）碰撞過程中，排障器每5 m空間長度的減少量最大約為7.3 mm，低于標準中最大變形50 mm的要求；同時排障器最大受力為140 kN，也低于標準中承受中央靜負載150 kN的要求，排障器能夠可靠工作。

參考文獻：

[1] 楊超.列車碰撞動力學關鍵問題研究[D].成都：西南交通大學，2016.

[2] 左建勇，朱曉宇，吳萌嶺.高速列車風阻制動風翼抗鳥撞分析[J].振動與沖擊，2014，33（22）：30-34.

[3] 宣超，彭可可.基于LS-DYNA的重型車輛撞擊方形橋墩數(shù)值模擬分析[J].華東交通大學學報，2020，37（5）：102-106，114.

[4] 周俊先，陳秉智.基于二次碰撞簡化模型的地鐵乘員損傷研究[J].大連交通大學學報，2017，38（2）：37-42.

[5] 謝素超，田紅旗，周輝.耐沖擊地鐵車輛設計及整車碰撞研究[J].鐵道科學與工程學報，2008（5）：65-70.

[6] 楊超，李強，王曦，等.基于車輛-移動軌道耦合模型的列車碰撞爬車行為[J].西南交通大學學報，2019，54（6）：1298-1304.

[7] 李蘭，劉金朝，王成國，等.城軌車輛耐碰撞結構的數(shù)字設計研究[J].鐵道機車車輛，2008（2）：28-32.

[8] 宋陽，沈維軍，陳東，等.有限元法在動物組織模型構建上的應用進展[J].動物醫(yī)學進展，2020，41（6）：97-102.

[9] A.Buckwalter.骨科基礎科學[M].北京：人民衛(wèi)生出版社，2001.

[10] Viano D C．Biomechanical responses and injuries in bluntlateral impact[C].Proceedings of 33rd Stapp Car CrashConference．Warrendale：Society of Automotive Engineers，1989：113-142．

[11] 岳譯新，朱衛(wèi)，劉永強.鉸接式動車組車體疲勞壽命分析[J].技術與市場，2018，25（11）：56-58.

[12] EN 15227—2008，Railway applications-Crashworthiness requirements for railway vehicle bodies[S].