地鐵車輛吸能裝置耐碰撞性分析

韓增盛，馬松花

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院車輛工程學(xué)院，河南鄭州450052)

0 引言

為改善和提高地鐵車輛碰撞安全性能，減少地鐵車輛的結(jié)構(gòu)損壞，最大限度地避免或減輕司乘人員的傷亡，在地鐵車輛上設(shè)置高性能的吸能裝置尤為重要.性能優(yōu)良的吸能元件要求車輛碰撞所產(chǎn)生的能量應(yīng)盡可能不可逆地轉(zhuǎn)換為變形能，而不是以彈性變形能的形式來儲存［1］，因此在進(jìn)行吸能裝置的優(yōu)化設(shè)計時，應(yīng)優(yōu)先考慮選用薄壁結(jié)構(gòu)的金屬材料.這些薄壁結(jié)構(gòu)的金屬材料在受到撞擊時，能按照預(yù)先設(shè)計的要求發(fā)生大的塑性變形來吸收巨大的碰撞能量，同時會產(chǎn)生較大的壓潰行程，延長車輛碰撞過程的作用時間，進(jìn)而降低碰撞的減速度，提高車輛碰撞的安全性.由于薄壁結(jié)構(gòu)的壁厚、橫截面等對其吸能特性的影響較大，所以筆者運用非線性顯式有限元軟件，仿真上述因素對碰撞性能的影響，對薄壁結(jié)構(gòu)的吸能裝置進(jìn)行設(shè)計研究.

1 非線性顯式有限元碰撞仿真

由于受經(jīng)濟(jì)等條件的制約，目前在國內(nèi)開展地鐵車輛碰撞破壞性實驗研究是相當(dāng)困難的，所以運用計算機模擬仿真已成為研究車輛碰撞的主要途徑.車輛碰撞計算機模擬仿真的方法主要有采用多剛體動力學(xué)法和有限元法兩種.由于多剛體動力學(xué)法在工程運用中的局限性，不能很好地反映地鐵車輛碰撞過程中金屬材料的非線性及塑性變形;而有限元法則考慮到了結(jié)構(gòu)的幾何非線性，材料非線性以及邊界非線性［2］.運用非線性有限元法對整個碰撞過程進(jìn)行仿真，能夠得到碰撞過程中地鐵車輛各個元件的變形和應(yīng)力應(yīng)變的分布［3］，通過各種結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的對比和改進(jìn)，從而較好地解決了這一問題.

由于地鐵車輛碰撞接觸過程具有幾何、材料、接觸等很強的非線性特征，而且是一個瞬態(tài)的復(fù)雜物理過程，這就決定了地鐵車輛碰撞仿真只能采用足夠小的時間步長，否則將帶來收斂和計算誤差過大的問題.由于隱式仿真算法在非線性問題的求解時，必須采用迭代求解，這對于碰撞過程高度非線性問題的求解極為不利.相比而言，顯式仿真算法只需找出所有單元的內(nèi)部矢量，求解效率較高.因此，通常應(yīng)用顯式中心差分法(顯式仿真算法)對地鐵車輛的碰撞仿真進(jìn)行求解.

2 薄壁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

筆者所研究的吸能裝置采用了鋼制材料方形薄壁結(jié)構(gòu)這一型式，它利用薄壁結(jié)構(gòu)材料的塑性變形來吸收碰撞能量，薄壁的橫截面形狀和壁厚要根據(jù)吸能特性來擇優(yōu)選取.在模擬薄壁結(jié)構(gòu)碰撞仿真過程中，采用將薄壁結(jié)構(gòu)的一端固定，用一個質(zhì)量為300 kg的重錘，以10 m/s的速度對薄壁結(jié)構(gòu)另一端進(jìn)行撞擊.考慮到重錘在碰撞過程中變形很少且剛度較大，因此建模時重錘用剛性材料模擬，薄壁結(jié)構(gòu)的材料為具有良好延伸性的彈塑性材料［4］.

2.1 橫截面與吸能特性

薄壁結(jié)構(gòu)的橫截面形狀有多種形式，但由于薄壁結(jié)構(gòu)的變形應(yīng)當(dāng)有穩(wěn)定變形模式，而且可靠性要高，因此吸能裝置薄壁結(jié)構(gòu)的橫截面形狀必須為對稱的形狀規(guī)則的截面，這就確保了薄壁結(jié)構(gòu)在受到軸向沖擊載荷的作用下產(chǎn)生最穩(wěn)定的軸對稱變形模式［5］.下面主要針對3種橫截面形狀薄壁結(jié)構(gòu)的吸能特性進(jìn)行研究，如圖1所示.

圖1 薄壁結(jié)構(gòu)橫截面形狀Fig.1 Cross-section of thin-walled structure

不同橫截面形狀薄壁裝置碰撞時動能與時間之間的關(guān)系，如圖2所示.

圖2 不同橫截面碰撞時動能－時間歷程Fig.2 Time history of kinetic energy when cross-section is different

由圖2可以看出，上述3種不同橫截面形狀的薄壁結(jié)構(gòu)在極短的碰撞過程中都將產(chǎn)生塑性變形而被壓潰，從而耗散掉巨大的碰撞能量，使重錘撞擊薄壁結(jié)構(gòu)的動能呈現(xiàn)急劇下滑趨勢.在同樣的時間范圍內(nèi)，c形截面形狀的薄壁結(jié)構(gòu)吸能特性最優(yōu).

2.2 壁厚與吸能特性

薄壁結(jié)構(gòu)的壁厚與吸能特性密切相關(guān)，為了進(jìn)一步研究壁厚的變化對吸能特性的影響，采用圖1(c)c截面形狀的薄壁結(jié)構(gòu)，選取4.5 mm、4.0 mm和3.5 mm3種情況壁厚進(jìn)行分析，其碰撞動能、界面力與時間的關(guān)系，如圖3和圖4所示.

由圖3可知，在相同的碰撞時間范圍內(nèi)，薄壁結(jié)構(gòu)的橫截面形狀相同，但壁厚不同，其吸收碰撞能量的能力大小也不相同.薄壁結(jié)構(gòu)的壁厚增加，其耗散的碰撞動能增大，吸收能量的能力增強.由圖4又可看出，薄壁結(jié)構(gòu)的壁厚增加，其碰撞時的界面力也有所增大，尤其是碰撞初始階段的界面力較大，這對地鐵車輛運營安全極為不利.因此，在薄壁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計中，壁厚的選擇要對薄壁結(jié)構(gòu)的吸能能力和碰撞時的界面力進(jìn)行綜合考慮.要在保證一定的緩沖性能的前提下，使薄壁結(jié)構(gòu)具有足夠大的吸收碰撞能量的能力［6］，基于上述考慮，選取薄壁結(jié)構(gòu)的壁厚為4.0 mm.

3 車體有限元模型

由于地鐵車輛碰撞分析主要是計算車體結(jié)構(gòu)的變形，它與一般靜態(tài)有限元分析是不同的，因此，在車體建模時主要針對可變形部件進(jìn)行考慮.當(dāng)車輛車體發(fā)生碰撞時，碰撞部位的薄壁結(jié)構(gòu)型式的吸能裝置是最主要的變形部件，這些部件具有共同的尺寸變化較大、形狀復(fù)雜的幾何特點，碰撞時對外界施加的載荷及邊界條件較為敏感，其結(jié)構(gòu)上的一些開口、凹槽及凸起等變化都會影響到碰撞變形模型及載荷的傳遞路徑.所以，在建立薄壁結(jié)構(gòu)吸能裝置的幾何模型時，必須準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的幾何特征.地鐵車輛車體大都是采用更加緊湊和強化的整體承載結(jié)構(gòu)，車體由大型中空擠壓成型的鋁合金型材整體焊接構(gòu)成［7］，在碰撞過程中其剛度大，變形基本上可以忽略，因此，在建立車體有限元模型時，不必如薄壁金屬那樣準(zhǔn)確和細(xì)化，圖5為地鐵車輛車體模型.

圖5 帶吸能裝置的車體模型Fig.5 The body model with energy-absorbing component

4 地鐵列車耐碰撞要求

根據(jù)地鐵列車耐碰撞性要求，一列地鐵列車與另一列同等質(zhì)量靜止的、不制動的地鐵列車在AW0(空載)狀態(tài)下碰撞，碰撞速度在15 km/h以下，碰撞時所產(chǎn)生的能量將全部由車鉤緩沖裝置吸收;而當(dāng)碰撞速度達(dá)到15～25 km/h時，碰撞產(chǎn)生的超過車鉤緩沖裝置所能吸收的過載能量將由吸能裝置參與吸收;當(dāng)碰撞速度在25 km/h以上時，前面兩部分裝置吸收的能量將達(dá)到極限，其余的能量則由地鐵車輛車體結(jié)構(gòu)發(fā)生大的變形來吸收［8］.由此可知，筆者研究的吸能裝置主要用于地鐵車輛發(fā)生碰撞的第二階段的能量吸收過程.吸能裝置和車鉤緩沖裝置在車體上的安裝位置關(guān)系如圖6所示.

5 帶吸能裝置地鐵車輛頭車的碰撞仿真

為簡化計算模型并減少仿真分析時間，提高計算效率，采用ANSYS/LS-DYNA軟件建立了有限元模型.安裝吸能裝置后的地鐵列車頭車以25 km/h的速度與另一個處于靜止、不制動的相同頭車的正面碰撞的半車有限元模型如圖7所示.碰撞過程中吸能裝置的變形情況如圖8所示.頭車的動能、吸能裝置和車鉤緩沖裝置吸收的能量如圖9所示.

由圖8可以看出，薄壁結(jié)構(gòu)吸能裝置的變形為沿縱向皺折變形的理想變形模式.

圖9 安裝了吸能裝置后碰撞能量－時間歷程Fig.9 Time history of energy after installation of the energy-absorbing component

圖9 中，A表示車輛動能，B表示吸能裝置吸收的能量，C表示車鉤緩沖裝置吸收的能量.結(jié)果表明，采用薄壁結(jié)構(gòu)型式的吸能裝置在0.1 s內(nèi)吸收了占整車初始動能約80%以上的能量，吸能效果良好.

6 結(jié)論

(1)顯式有限元分析軟件可為地鐵車輛吸能部件的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù).

(2)吸能裝置的碰撞性能與其橫截面的形狀、壁厚的選擇緊密相關(guān).條件相同時，壁厚增加吸能裝置的吸能能力提高，但碰撞力也隨之增大，在吸能結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，需綜合進(jìn)行考慮.

(3)在地鐵車輛上安裝薄壁結(jié)構(gòu)型式的吸能裝置能有效地減少地鐵車輛的結(jié)構(gòu)損壞，最大限度地避免或減輕司乘人員的傷亡.

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