軌道臥鋪客車碰撞吸能特性研究

修瑞仙， 劉艷文， 高允峰， 丁 頌

(1.長春師范大學(xué) 工程學(xué)院， 吉林 長春 130032;2.中國北車長春軌道客車股份有限公司， 吉林 長春 130062)

軌道臥鋪客車碰撞吸能特性研究

修瑞仙1， 劉艷文2， 高允峰1， 丁 頌1

(1.長春師范大學(xué) 工程學(xué)院， 吉林 長春 130032;2.中國北車長春軌道客車股份有限公司， 吉林 長春 130062)

根據(jù)耐碰撞車體結(jié)構(gòu)原理設(shè)計(jì)出具有吸能效果的耐碰撞性車體，進(jìn)行了車體結(jié)構(gòu)一、二位車端撞擊剛性墻仿真研究，結(jié)果表明,該車體中車端結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塑性大變形，客室結(jié)構(gòu)無塑性變形，車體耐碰撞性明顯得到改善，車體縱向剛度分布合理。建立了單節(jié)客車碰撞動(dòng)力學(xué)模型，仿真研究車鉤緩沖特性，結(jié)果表明，帶有車鉤及防爬吸能裝置的車體結(jié)構(gòu)具有較好的吸能特性，在防爬吸能元件壓潰行程全部壓縮后，車體端部產(chǎn)生塑性變形吸能碰撞能量，客室未發(fā)生塑性變形。

軌道臥鋪客車； 耐撞性； 非線性有限元； LS-DYNA

0 引 言

列車的安全防御系統(tǒng)分為主動(dòng)安全防御系統(tǒng)和被動(dòng)安全防御系統(tǒng)[1-3]。主動(dòng)安全防御系統(tǒng)闡述為防止碰撞所采取的各項(xiàng)措施，包括車輛系統(tǒng)的檢測、操作、運(yùn)用、維修和人員素質(zhì)等多個(gè)方面，需要制定詳細(xì)的規(guī)則和多方面的合作，是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程；被動(dòng)安全防御系統(tǒng)也就是所謂的第二安全措施，通過車輛自身結(jié)構(gòu)耐撞性能來緩減碰撞影響，并通過內(nèi)部設(shè)計(jì)來減少人員傷亡。

鐵路系統(tǒng)的復(fù)雜性致使其主動(dòng)安全防御系統(tǒng)不能完全杜絕碰撞事故的發(fā)生，世界范圍內(nèi)近兩年多時(shí)間里就發(fā)生了數(shù)十起列車碰撞事故，造成了生命和財(cái)產(chǎn)的巨大損失，其中無論是印度、中國等發(fā)展中國家，還是日本、德國、阿根廷等發(fā)達(dá)國家都未能幸免，其中不乏重特大碰撞事故[4-5]。因此，在積極主動(dòng)地采取合理手段盡最大可能避免列車碰撞事故的同時(shí)，研究在碰撞事故發(fā)生時(shí)列車自身結(jié)構(gòu)特性及司乘人員的安全性，開發(fā)一種在碰撞事故發(fā)生時(shí)車體結(jié)構(gòu)耐碰撞且可以給司乘人員提供保護(hù)的鐵路客車結(jié)構(gòu)顯得尤為重要。

1 動(dòng)態(tài)非線性有限元理論基礎(chǔ)

描述碰撞現(xiàn)象的主要方法有：Euler法、Lagrange法和ALE法。Euler法多用于流體力學(xué)問題，在固體力學(xué)中用的很少；ALE法是處理流體-固體相互作用的較好方法，適用高速碰撞現(xiàn)象的描述，其理論和算法較復(fù)雜，在具體編程和工程中不易實(shí)現(xiàn)；而Lagrange法是目前描述固體碰撞行為的最成熟、最方便的方法。采用Lagrange法描述的有限元法可以處理高速碰撞工程中復(fù)雜的邊界條件和復(fù)雜的材料本構(gòu)關(guān)系，并且對(duì)接觸滑移面描述非常方便。LS-DYNA程序主要采用Lagrange描述增量法，利用虛功原理建立非線性大變形的有限元控制方程。

考慮一個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，某質(zhì)點(diǎn)在初始時(shí)刻t=0時(shí)位于B處，在固定的笛卡爾坐標(biāo)系下其坐標(biāo)為xα(α=1,2,3) 。 經(jīng)時(shí)間t，該質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到位置b，在同一笛卡爾坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為xi(i=1,2,3)，采用Lagrange描述增量法可得：

(1)

在t=0時(shí)，初始條件為：

(2)

(3)

式中:Vi----初始速度。

根據(jù)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)原理，整個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)必須保持質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒。系統(tǒng)的質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程分別如下：

(4)

(5)

(6)

式中:ρ----當(dāng)前質(zhì)量密度；

J----體積變化率；

ρ0----初始質(zhì)量密度;

σij,j----柯西張量;

fi----單位質(zhì)量體積力;

E----當(dāng)前能量;

V----當(dāng)前體積;

Sij----偏應(yīng)力張量;

p----壓力;

q----體積粘性阻力。

根據(jù)虛功原理，可以得出碰撞系統(tǒng)的控制方程：

(7)

式中,各個(gè)積分項(xiàng)分別表示單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)的慣性力、內(nèi)力、體積力和表面力所作的虛功。

對(duì)式(7)進(jìn)行離散化，得到離散方程：

(8)

式中:M----總體質(zhì)量矩陣;

P----總體載荷矢量，由節(jié)點(diǎn)載荷、面力、體力等組成;

F----由單元應(yīng)力場的等效節(jié)點(diǎn)力矢量組合而成。

考慮到粘性阻尼項(xiàng)，式(8)變?yōu)椋?/p>

(9)

2 車體原結(jié)構(gòu)碰撞吸能特性研究

200 km/h客車車體為不銹鋼、全點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)，只有在車體局部結(jié)構(gòu)(如枕梁與邊梁連接處)采用鉚接和螺栓連接。以車體主結(jié)構(gòu)用殼單元shell163來模擬，車體設(shè)備用質(zhì)量單元mass166來模擬，車體點(diǎn)焊用梁單元beam188來模擬，車體上的鑄造件用體單元solid164來模擬。

在數(shù)值仿真模擬中，200 km/h客車車體一位端、二位端分別以36 km/h的初速度撞擊剛性墻，研究車體鋼構(gòu)自身的碰撞力學(xué)性能及動(dòng)態(tài)響應(yīng)。仿真過程中采用三類接觸類型，車體端部與剛性墻的自動(dòng)面面接觸(automatic surface-to-surface contact)；車體端部發(fā)生大變形時(shí)的自動(dòng)單面接觸(automatic single-surface contact)；輪對(duì)在軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)的自動(dòng)點(diǎn)面接觸(automatic node-to-surface contact)。靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)分別取0.20和0.15，材料采用隨動(dòng)硬化彈塑性材料模型，忽略初始穿透，且在計(jì)算中考慮殼單元的厚度[6-8]，其碰撞動(dòng)力學(xué)模型(以一位端為例說明)如圖1所示。

圖1 客車碰撞動(dòng)力學(xué)模型

200 km/h客車車體一位端、二位端碰撞仿真結(jié)束時(shí)的結(jié)構(gòu)變形圖分別如圖2和圖3所示。

圖2 客車車體一位端碰撞仿真變形圖

圖3 客車車體二位端碰撞仿真變形圖

由圖中可以看出，碰撞變形過程中，車體一位端沿著枕梁附近的車體中部發(fā)生塑性大變形；車體二位端變形則更為嚴(yán)重，其位置為客車側(cè)墻第二個(gè)車窗，而車體端部的無乘客區(qū)域變形很小，這將嚴(yán)重危及乘員的生命安全。車體的縱向剛度分布不合理，車體不滿足耐碰撞車輛的要求，需要對(duì)車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

3 吸能車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及耐撞性分析

3.1車體端部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)上面碰撞仿真結(jié)果可知，200 km/h客車車體縱向剛度分布不合理，車端剛度大于客室剛度，導(dǎo)致發(fā)生碰撞時(shí)客室先于車端發(fā)生塑性大變形，乘員的生命安全將受到嚴(yán)重威脅，這與耐碰撞吸能車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)嚴(yán)重相悖。耐碰撞吸能車體的設(shè)計(jì)理念主要是基于對(duì)車體縱向剛度的合理分布，即車體結(jié)構(gòu)應(yīng)該在其縱向的兩端設(shè)置弱剛度的吸能車端，車體縱向剛度按“弱-強(qiáng)-弱”設(shè)置，這樣當(dāng)車端受到嚴(yán)重碰撞時(shí)，其弱剛度區(qū)將發(fā)生大變形而吸收碰撞能量，保護(hù)客室的安全。本節(jié)正是基于耐碰撞吸能車體的設(shè)計(jì)理念對(duì)200 km/h客車車體端部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，減弱其縱向剛度，同時(shí)增加安裝防爬吸能裝置的接口，使其成為具有兩級(jí)吸能結(jié)構(gòu)的耐碰撞性車體。車體端部結(jié)構(gòu)修改如圖4和圖5所示。

(a) 一位端門框

(b) 車體端墻

(a) 底架一位端

(b) 底架二位端

3.2防爬吸能元件設(shè)計(jì)

防爬吸能裝置主要由防爬器和吸能元件兩個(gè)功能模塊組成，一般通過螺栓等連接方式安裝在車體底架端部。防爬器主要為防止列車碰撞時(shí)產(chǎn)生“爬車”現(xiàn)象；吸能元件可以有效吸收碰撞沖擊動(dòng)能。防爬器一般為鑄造件，其結(jié)構(gòu)形式較為單一，而吸能元件作為防爬吸能裝置的吸能主體，其結(jié)構(gòu)如何設(shè)計(jì)可以使得其在碰撞過程中能夠吸收更多的撞擊能量,受到更多設(shè)計(jì)者的關(guān)注。

因此，把設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在了吸能元件上，根據(jù)耐碰撞性車體吸能元件的設(shè)計(jì)要求，通過分析現(xiàn)在常用的吸能裝置，研究設(shè)計(jì)了4種新型吸能元件方案，見表1。

吸能元件所用材料為Q235，利用準(zhǔn)靜態(tài)軸向壓縮仿真得到各設(shè)計(jì)方案的吸能指標(biāo)，并且以第一種方案為基準(zhǔn)，比較各設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，準(zhǔn)靜態(tài)壓縮有限元模型如圖6所示。

圖6 吸能元件準(zhǔn)靜態(tài)仿真模型

表1 吸能元件設(shè)計(jì)方法

通過剛性墻施加速度載荷對(duì)吸能元件進(jìn)行壓縮，速度為1 m/s，仿真時(shí)間0.29 s。

對(duì)于不同的實(shí)際問題，能量吸能裝置性能優(yōu)劣的評(píng)價(jià)可以采用各種各樣的指標(biāo)。其中比吸能、最大軸壓力、平均軸壓力、緩沖指數(shù)等是研究人員最常用的幾個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

各種方案耐撞性能比較，以第一種方案為基準(zhǔn)，比較分析各種方案的參數(shù)變化，見表2。

由表2可知，吸能元件設(shè)計(jì)方案2比吸能最大，而緩沖指數(shù)較小，質(zhì)量和最大界面力峰值相對(duì)較小，為吸能元件設(shè)計(jì)最優(yōu)方案。200 km/h客車選取設(shè)計(jì)方案2作為車體端部的防爬吸能元件。

吸能元件設(shè)計(jì)方案2相對(duì)應(yīng)的防爬吸能裝置如圖7所示。

圖7 防爬吸能裝置設(shè)計(jì)方案2

3.3吸能車體結(jié)構(gòu)碰撞吸能特性研究

按照3.2仿真研究方法，對(duì)改進(jìn)后車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐碰撞性分析。動(dòng)力學(xué)模型的建模過程、載荷、邊界條件及相關(guān)參數(shù)的設(shè)置和3.2中完全相同。

表2 吸能元件耐撞性指標(biāo)對(duì)比

改進(jìn)后車體結(jié)構(gòu)一位端和二位端碰撞仿真變形圖分別如圖8和圖9所示。

圖8 改進(jìn)后車體結(jié)構(gòu)一位端碰撞仿真變形圖

圖9 改進(jìn)后車體結(jié)構(gòu)二位端碰撞仿真變形圖

4 兩級(jí)吸能車體結(jié)構(gòu)耐碰撞性考核

將3.3設(shè)計(jì)好的吸能車體結(jié)構(gòu)和方案2吸能元件進(jìn)行組合，生成具有雙重吸能作用的耐碰撞性車體。組合后車體底架端部一位端、二位端結(jié)構(gòu)如圖10所示。

(a) 底架一位端

(b) 底架二位端

按照標(biāo)準(zhǔn)EN15227附錄D4中對(duì)單節(jié)客車的耐撞性進(jìn)行考核。碰撞仿真工況示意圖如圖11所示。

圖11 單節(jié)客車設(shè)計(jì)碰撞仿真工況示意圖

碰撞計(jì)算中考慮車鉤緩沖裝置的剪切失效特性，鉤緩裝置用離散梁單元來進(jìn)行模擬，其輸入特性曲線如圖12所示。

圖12 密接式車鉤緩沖器特性曲線

碰撞仿真結(jié)束后,A1,A2,A3界面碰撞結(jié)束后車端變形圖分別如圖13～圖15所示。

仿真結(jié)束后，A4界面車端沒發(fā)生接觸(在此只給出圖13～圖15)。由仿真結(jié)果可知，碰撞過程中車鉤失效脫落后，防爬吸能裝置接觸產(chǎn)生變形吸收碰撞能量，吸能元件有效行程走完后，車體端部開始接觸并發(fā)生塑性大變形，吸收余下的碰撞動(dòng)能。在整個(gè)碰撞過程中，僅車端結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性大變形，而客室結(jié)構(gòu)未發(fā)生塑性變形。

圖13 A1界面碰撞結(jié)束后車端變形圖

圖14 A2界面碰撞結(jié)束后車端變形圖

圖15 A3界面碰撞結(jié)束后車端變形圖

待評(píng)估客車縱向長度隨時(shí)間的變化曲線及縱向平均加速度隨時(shí)間的變化曲線分別如圖16和圖17所示。

由曲線可知，在碰撞中客車車體縱向變形最大為145.2 mm，遠(yuǎn)小于車體縱向長度的10%(車體縱向長度為25.8 m)，待評(píng)估客車的平均縱向加速度為4.622g，小于規(guī)定的5g，滿足標(biāo)準(zhǔn)EN15227的要求。

整個(gè)碰撞過程中能量、碰撞界面力隨時(shí)間的變化曲線分別如圖18和圖19所示。

圖18 整個(gè)碰撞過程中能量-時(shí)間曲線

圖19 整個(gè)碰撞過程中界面力-時(shí)間曲線

從整個(gè)碰撞情況來看，碰撞能量主要由車鉤、吸能防爬器、車體端部結(jié)構(gòu)吸收，此外接觸面的滑移耗散能也相當(dāng)可觀。

5 結(jié) 語

1)200 km/h客車車體原結(jié)構(gòu)縱向剛度分布不合理，通過對(duì)其端部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)出吸能效果較好的耐撞性車體。通過仿真結(jié)果可知，改進(jìn)后的車體結(jié)構(gòu)縱向剛度分布合理，其端部結(jié)構(gòu)具有良好的吸能特性，碰撞過程中可以有效保護(hù)客室結(jié)構(gòu)，滿足耐碰撞性車體的要求。

2)根據(jù)耐碰撞車體吸能元件的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)出耐碰撞性能較好的吸能元件。將設(shè)計(jì)的吸能車體和吸能元件進(jìn)行組合，生成兩級(jí)吸能車體結(jié)構(gòu)，按照標(biāo)準(zhǔn)EN15227附錄D4工況對(duì)200 km/h客車進(jìn)行耐碰撞性考核。仿真結(jié)果表明，在整個(gè)碰撞過程中，僅車端結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性大變形，客室結(jié)構(gòu)未發(fā)生塑性變形，車體的各項(xiàng)響應(yīng)均滿足標(biāo)準(zhǔn)EN15227的要求。

3)以200 km/h客車車體為研究對(duì)象，成功設(shè)計(jì)出具有兩級(jí)吸能結(jié)構(gòu)的耐撞性車體，為客車被動(dòng)安全防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了一次有意義的嘗試，為以后客車吸能車體的設(shè)計(jì)研究提供了理論和工程依據(jù)。

[1] 陳漢珍．城際列車耐碰撞性車體研究[D]：[碩士學(xué)位論文].成都：西南交通大學(xué)，2008.

[2] 單其雨.高速列車車體耐碰撞結(jié)構(gòu)研究[D]：[碩士學(xué)位論文].成都：西南交通大學(xué)，2010.

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[4] 張志新.高速列車耐撞性結(jié)構(gòu)及安全性研究[D]：[碩士學(xué)位論文].成都：西南交通大學(xué)，2012.

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[7] 白金澤.LS-DYNA3D理論基礎(chǔ)與實(shí)例分析[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

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Simulation study on crashworthiness of railway sleeper vehicle

XIU Rui-xian1, LIU Yan-wen2, GAO Yun-feng1, DING Song1

(1.School of Mechanical Engineering, Changchun Normal University, Changchun 130032, China;2.CNR Changchun Railway Vehicles Co., Ltd., Changchun 130062, China)

According to design concepts of the car-body structure of crashworthiness vehicle, a vehicle car-body structure with improved crashworthiness property is designed, and simulation of crash features of the improved car-body structure is carried. The results show that the large plastic deformation is produced only at the ends of the car-body but no deformation in passenger space. The crashworthiness of the car-body is obviously improved and the longitudinal stiffness distribution of the car-body is reasonable. An impact dynamic modal to assess the crashworthiness of a single railway vehicle was built and tested with simulation, and it is showed the car-body with coupler-buffering and the anti climbing energy absorption device has better energy-absorption ability. After crushing stroke test, the ends of the car-body absorb energy with plastic deformation but no deformation in passenger space.

railway sleeper vehicle; crashworthiness; nonlinear finite element; LS-DYNA.

2014-09-29

長春師范大學(xué)自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目

修瑞仙(1987-)，女，漢族，遼寧莊河人，長春師范大學(xué)助教，碩士，主要從事軌道車輛強(qiáng)度及疲勞研究,E-mail:liu494495151@163.com.

TU 270.12

A

1674-1374(2014)06-0723-08