機(jī)車(chē)車(chē)體碰撞吸能裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析

楊俊杰,王立杰,李幸人,張江田

(1 中國(guó)北車(chē)集團(tuán) 大同電力機(jī)車(chē)有限責(zé)任公司技術(shù)中心,山西大同037038;2 鐵道部運(yùn)輸局 裝備部,北京100844)

為了減輕機(jī)車(chē)車(chē)輛碰撞事故造成的危害,發(fā)達(dá)國(guó)家先后對(duì)耐碰撞機(jī)車(chē)車(chē)輛的能量吸收標(biāo)準(zhǔn)和列車(chē)碰撞事故中常見(jiàn)的人體損傷制定了相應(yīng)的碰撞安全法規(guī),如英國(guó)的GM/RT 2100,國(guó)際鐵路聯(lián)盟UIC 566 OR,美國(guó)的聯(lián)邦法規(guī)49CFR等[1,2]。但對(duì)于耐碰撞機(jī)車(chē)車(chē)輛能量吸收能力,各國(guó)規(guī)范并沒(méi)有完全定型。而我國(guó)從和諧型機(jī)車(chē)開(kāi)始才考慮安裝碰撞吸能裝置,從數(shù)值上分析碰撞吸能裝置的作用和效果很少。本文介紹某電力機(jī)車(chē)車(chē)體安裝該裝置前后的仿真分析方法和結(jié)果。

1 耐碰撞機(jī)車(chē)車(chē)輛的性能要求[3,4]

機(jī)車(chē)車(chē)輛碰撞安全性設(shè)計(jì)通常采用車(chē)鉤中配置的能量吸收元件以及車(chē)輛端部的附加吸能結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn),并按碰撞速度20～25 km/h來(lái)設(shè)計(jì)其吸能容量。一個(gè)完整的、具有多級(jí)能量耗散系統(tǒng)的耐碰撞機(jī)車(chē)車(chē)輛的結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足如下要求:

(1)調(diào)車(chē)沖擊:沖擊速度 2.0～2.8 m/s(約7～10 km/h),碰撞動(dòng)能的吸收和耗散主要靠車(chē)鉤緩沖器。在這種情況下,車(chē)鉤緩沖器系統(tǒng)不應(yīng)喪失使用性能,結(jié)構(gòu)保持完好狀態(tài);

(2)輕度碰撞:沖擊速度小于5 m/s(18 km/h),碰撞動(dòng)能依靠緩沖器和部分吸能元件(如套筒、吸能裝置等)來(lái)耗散;

(3)中度碰撞:沖擊速度5.0～10.0 m/s(18～36 km/h),碰撞動(dòng)能依靠機(jī)車(chē)車(chē)輛端部弱剛度結(jié)構(gòu)的吸能裝置和部分承載結(jié)構(gòu)的塑性變形來(lái)耗散,所產(chǎn)生的加速度不致使乘客受到傷害;

(4)嚴(yán)重碰撞:沖擊速度大于10.0 m/s(36 km/h),碰撞動(dòng)能由多個(gè)車(chē)體端部弱剛度區(qū)的塑性變形來(lái)耗散,最大變形量一般不超過(guò)1 m,而司機(jī)室及客室結(jié)構(gòu)應(yīng)該是安全和穩(wěn)定的。

2 吸能結(jié)構(gòu)容量的確定

(1)碰撞能量的確定

設(shè)碰撞前兩列車(chē)總質(zhì)量和運(yùn)行速度分別為 M1、M2、v1和v2,撞擊后的速度為u,則撞擊前總動(dòng)能為:

撞擊后總動(dòng)能為:

由動(dòng)量守恒定理得撞擊前的動(dòng)量和等于撞擊后的動(dòng)量和,這樣,當(dāng)一列車(chē)與另一列車(chē)發(fā)生追尾時(shí):

當(dāng)兩列車(chē)迎面相撞時(shí):

由以上兩個(gè)公式可得碰撞過(guò)程中所需耗散的能量為:

式中“-”為追尾時(shí),“+”為迎面相撞時(shí)。

(2)碰撞能量的分配

文獻(xiàn)[5]發(fā)現(xiàn)機(jī)車(chē)吸收的能量是列車(chē)動(dòng)能的87%～90%,后面車(chē)輛吸收的能量少于機(jī)車(chē)吸收能量的45%。當(dāng)一列以速度v運(yùn)行的列車(chē)與一列靜止的列車(chē)相撞時(shí),機(jī)車(chē)所要吸收的能量可以按式(6)計(jì)算:

式(6)中R1為能量吸收率,即吸收的塑性變形能與動(dòng)能之比,其值約為0.873～0.904,文獻(xiàn)推薦值為0.9;fd為動(dòng)荷系數(shù),與材料應(yīng)變率和結(jié)構(gòu)阻尼有關(guān),推薦值為1.2;k1為機(jī)車(chē)動(dòng)能,其值為:

式(7)中 M1為機(jī)車(chē)質(zhì)量;v為列車(chē)碰撞速度。

3 吸能裝置結(jié)構(gòu)

在設(shè)計(jì)過(guò)程中,使用ANSYS/LS-DYNA軟件比較分析了吸能裝置多個(gè)結(jié)構(gòu)方案所能吸收的能量、界面力等參數(shù),擇優(yōu)選取了最佳方案。吸能裝置主要由外箱板、前后蓋板、吸能元件及吸能安裝座等組成。外箱板由鋼板制成,吸能元件是由薄壁圓柱組成(圖1),縱向剛度較低,碰撞過(guò)程中在較低界面力的作用下出現(xiàn)塑性變形,吸收能量。每臺(tái)車(chē) 2個(gè)吸能裝置,額定容量200 kJ。

4 機(jī)車(chē)車(chē)體碰撞仿真模型

耐碰撞機(jī)車(chē)車(chē)輛的吸能結(jié)構(gòu)可分為承載式吸能結(jié)構(gòu)和附加式吸能裝置。本文采用附加式吸能裝置。在建立車(chē)體碰撞仿真模型時(shí)根據(jù)碰撞時(shí)變形大小將車(chē)體司機(jī)室部位的單元?jiǎng)澐州^細(xì),而設(shè)備間的單元?jiǎng)t從細(xì)逐漸過(guò)渡到較粗。司機(jī)室(安裝吸能元件時(shí),包含吸能元件)與剛性墻的面—面接觸,車(chē)體司機(jī)室及部分設(shè)備間的自接觸。所研究機(jī)車(chē)車(chē)體的碰撞模型如圖2(a),共有401 179個(gè)節(jié)點(diǎn),413 330個(gè)單元。圖2(b)為吸能裝置的碰撞仿真模型,共有25 767個(gè)節(jié)點(diǎn),438 178個(gè)單元。

圖1 吸能元件結(jié)構(gòu)圖

圖2 車(chē)體整車(chē)及吸能裝置仿真模型

本次分析選用15,20,36 km/h作為機(jī)車(chē)車(chē)體碰撞仿真速度,各速度下機(jī)車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)需吸收的能量以及等效于與剛性墻的碰撞速度如表1所示。

5 仿真結(jié)果

機(jī)車(chē)車(chē)體與其他車(chē)發(fā)生碰撞按是否安裝吸能裝置計(jì)算碰撞結(jié)果如下。機(jī)車(chē)車(chē)體的變形和能量與時(shí)間曲線關(guān)系如圖3所示。

5.1 列車(chē)碰撞速度為15 km/h

車(chē)體不安裝碰撞吸能裝置,列車(chē)碰撞速度為 15 km/h時(shí),等效為機(jī)車(chē)以2.133 m/s的初速度與剛性墻正面碰撞,仿真時(shí)間為120 ms,車(chē)體碰撞后,司機(jī)室前端沖擊座處發(fā)生了有限的塑性變形,最大變形發(fā)生在96 ms時(shí)刻,最大變形為0.113 m,整車(chē)吸收的能量為170 kJ,結(jié)構(gòu)界面力的第一個(gè)峰值1 250 kN出現(xiàn)的時(shí)間為7.2 ms,直到2 069.55 kN,繼續(xù)上升到最大值2 157.38 kN。碰撞結(jié)束后,車(chē)體前端沖擊座的塑性形變?yōu)?.108 m。

當(dāng)車(chē)體安裝碰撞吸能裝置,列車(chē)以同等碰撞速度與剛性墻正面碰撞,仿真時(shí)間為120 ms,車(chē)體動(dòng)能大部分被吸能裝置吸能元件吸收,此時(shí)吸能元件最大的縱向變形為0.147 m,整車(chē)吸收的能量為170 kJ。機(jī)車(chē)車(chē)體碰撞過(guò)程中第一個(gè)界面力峰值577.15 kN,降低了53.8%,出現(xiàn)的時(shí)間為5 ms,此時(shí)吸能元件產(chǎn)生首次屈服,并形成第一個(gè)皺折吸收能量。整車(chē)界面力最大值為2 358.6 kN。碰撞結(jié)束后,吸能裝置吸能元件的縱向結(jié)構(gòu)塑性變形為0.147 m,機(jī)車(chē)車(chē)體司機(jī)室結(jié)構(gòu)沒(méi)有出現(xiàn)塑性變形。

5.2 列車(chē)碰撞速度為20 km/h

車(chē)體不安裝碰撞吸能裝置,機(jī)車(chē)碰撞速度為20 km/h時(shí),等效為機(jī)車(chē)以3.1 m/s的初速度與剛性墻正面碰撞,仿真時(shí)間為120 ms。車(chē)體動(dòng)能在89 ms時(shí)基本上被車(chē)體前端沖擊座和端梁的變形所吸收,此時(shí)結(jié)構(gòu)的最大縱向變形為0.172 m,整車(chē)吸收的能量為355.83 kJ。界面力第一次峰值出現(xiàn)的時(shí)間為4.8 ms,整車(chē)界面力為1 244.69 kN,此時(shí)前端沖擊座產(chǎn)生塑性變形失效,隨后界面力繼續(xù)上升,界面力的最大值出現(xiàn)時(shí)間為86 ms,整車(chē)界面力最大值為4 872.74 kN;碰撞過(guò)程中,司機(jī)室前端沖擊座以及底架端梁的塑性變形吸收了大部分的能量。碰撞結(jié)束后,車(chē)體前端沖擊座出現(xiàn)較大的塑性變形,值為0.153 m,同時(shí)底架端梁出現(xiàn)明顯的塑性變形,但車(chē)體司機(jī)室后的設(shè)備間沒(méi)有出現(xiàn)明顯的塑性變形。

圖3 列車(chē)速度36 km/h下碰撞曲線

當(dāng)車(chē)體安裝碰撞吸能裝置,列車(chē)碰撞速度同上,在180 ms時(shí)刻,吸能裝置中吸能元件的縱向變形為0.192 m,即其行程為0.192 m。此時(shí),車(chē)體動(dòng)能基本上被吸能裝置中的吸能元件吸收,整車(chē)吸收的能量為352.2 kJ。車(chē)體前端沖擊座出現(xiàn)明顯的塑性變形,其他的動(dòng)能則在碰撞過(guò)程中因結(jié)構(gòu)之間的摩擦而耗散。界面力的首個(gè)峰值出現(xiàn)的時(shí)間為18 ms,此時(shí)吸能元件發(fā)生屈服失效并形成第一個(gè)皺折,整車(chē)界面力為1 642.13 kN,此后,吸能元件相繼形成多個(gè)皺折,界面力曲線震蕩。在90 ms吸能元件壓縮變形最大為0.211 m,吸收能量312.02 kJ,界面力為 2 952.16 kN;在108 ms,最大界面力3 105.97 kN,比不裝吸能裝置時(shí)降低了36.3%;在119 ms時(shí)刻,吸能元件吸收能量最大356.9 kJ,整車(chē)界面力為2 985.22 kN。碰撞結(jié)束后,機(jī)車(chē)車(chē)體其他部位結(jié)構(gòu)的彈性變形恢復(fù),只有吸能裝置以及車(chē)體前端沖擊座中仍然存在塑性變形,吸能裝置的塑性變形值為0.192 m,司機(jī)室整體結(jié)構(gòu)、司機(jī)室與設(shè)備間連接處以及設(shè)備間均沒(méi)有發(fā)生塑性變形。變形云圖如圖4所示。

圖4 速度20 km/h時(shí)結(jié)構(gòu)變形圖

5.3 列車(chē)碰撞速度為36 km/h

車(chē)體不安裝碰撞吸能裝置,列車(chē)碰撞速度為36 km/h時(shí),等效為機(jī)車(chē)以5.96 m/s的初速度與剛性墻正面碰撞,仿真時(shí)間為120 ms。車(chē)體動(dòng)能在79 ms時(shí)基本上被車(chē)體的結(jié)構(gòu)變形吸收了,此時(shí)結(jié)構(gòu)的最大縱向變形為0.299 m,全車(chē)吸收的能量為1 370 kJ。界面力第一次峰值出現(xiàn)的時(shí)間為 17 ms,整車(chē)界面力為2 056.71 kN,此時(shí)前端沖擊座產(chǎn)生屈服失效,隨后界面力上升,司機(jī)室結(jié)構(gòu)出現(xiàn)屈服失效,界面力的最大值出現(xiàn)時(shí)間為41 ms,整車(chē)界面力最大值為14 336.5 kN;碰撞過(guò)程中,車(chē)體前端沖擊座、底架前端部分、司機(jī)室結(jié)構(gòu)的塑性破壞吸收了大部分的能量。碰撞結(jié)束后,車(chē)體的縱向塑性變形為0.258 m,車(chē)體前部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大的塑性變形,但中后部的塑性變形不明顯。

當(dāng)車(chē)體安裝碰撞吸能裝置,列車(chē)碰撞速度同上,整車(chē)吸收最大能量為1 331.18 kJ,界面力的峰值首次出現(xiàn)的時(shí)間為9.6 ms,此時(shí)吸能裝置吸能元件出現(xiàn)屈服失效并形成第一個(gè)皺折,整車(chē)界面力為1 645.83 kN。此后,吸能元件相繼形成多個(gè)皺折,界面力上升。在72 ms時(shí)刻,車(chē)體沖擊座與剛性墻接觸,界面力急劇上升達(dá)到最大值10 676.8 kN,降低了25.53%。在91 ms時(shí),整車(chē)結(jié)構(gòu)吸能元件吸收的能量達(dá)到最大為1 331.18 kJ,界面力為8 533.5 kN,吸能裝置吸能元件達(dá)到最大行程0.306 m,司機(jī)室結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大的塑性破壞而吸收能量,碰撞結(jié)束后,車(chē)體前部主要結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯塑性變形,而司機(jī)室后的設(shè)備間的塑性變形不明顯。

6 結(jié)論

通過(guò)以上設(shè)計(jì)和計(jì)算分析,得出如下結(jié)論:

(1)隨著列車(chē)碰撞速度的提高,碰撞界面力峰值延遲,變化趨于平緩;(2)所研究機(jī)車(chē)車(chē)體司機(jī)室結(jié)構(gòu)不損傷的臨界速度為20 km/h;(3)安裝碰撞吸能裝置后,機(jī)車(chē)車(chē)體的耐碰撞性能得到很大改善。

[1] M.S.Pereira,M.Hecht,Vanessa Segurado.LRV Static-passive Safety in Urban Railway Systems[R].SAFET RAM report,December,2000.

[2] Thoms Hawksley.Development of crashworthiness for railway vehicle structures[J].Proc Instn Mech Engrs,1995,2(7):11-17.

[3] EN 15227:Railway Application-Crashworthiness Requirements for Railway Vehicle[S].

[4] GM/RT2100:Structural Requirements for Railway Vehicle[S].

[5] LU G.Energy absorption requirement for crashworthy vehicles[J].IMechE,2002,21b(Part F):31-39.