基于材料與結(jié)構(gòu)一體化的車輛吸能結(jié)構(gòu)碰撞仿真

劉小波等

摘要： 從車輛耐撞結(jié)構(gòu)和吸能材料兩方面入手，基于材料與結(jié)構(gòu)一體化思想，利用數(shù)值仿真技術(shù)研究某高速動(dòng)車被動(dòng)安全性問題.設(shè)計(jì)5種適用于高速動(dòng)車的吸能結(jié)構(gòu)，分別為普通雙層吸能管結(jié)構(gòu)，3種端部帶有不同薄弱環(huán)節(jié)的雙層吸能管結(jié)構(gòu)和泡沫鋁材料夾心雙層吸能管結(jié)構(gòu)；利用PAMCRASH軟件，分別將5種不同吸能結(jié)構(gòu)安裝到整車上進(jìn)行相同編組對(duì)撞試驗(yàn)仿真；針對(duì)碰撞仿真結(jié)果評(píng)價(jià)車輛的整體被動(dòng)安全性，并通過各工況結(jié)果的對(duì)比分析找出最優(yōu)吸能裝置.結(jié)果表明：泡沫鋁夾心吸能裝置在加速度和逃生空間評(píng)價(jià)指標(biāo)中表現(xiàn)最好，在以后的吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可適當(dāng)采用.

關(guān)鍵詞： 高速動(dòng)車； 被動(dòng)安全； 吸能結(jié)構(gòu)； 碰撞仿真； 加速度； 逃生空間

中圖分類號(hào)： U270.2；TB115.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Abstract： Based on the integration of materials and structures， the numerical simulation technology is used to study the passive safety issues of a highspeed motor car from the vehicle crashworthiness structure and energyabsorbing materials. Five energyabsorbing structures are designed for highspeed car， including ordinary double energyabsorbing tube structure， three double energyabsorbing tube structure with different weaknesses and aluminum foam sandwich double energyabsorbing tube structure； by PAMCRASH， the five kinds of energyabsorbing structures are installed on the same vehicle collision test group to perform collision test simulation； the overall passive safety of the vehicle is evaluated according to the collision simulation results， and the optimal energyabsorbing device is obtained by comparing the results of various conditions. The results indicate that the aluminum foam sandwich energyabsorbing device has the best performance in several indicators of acceleration and escape space， which can be applied appropriately in the future design of energyabsorbing structure.

Key words： highspeed motor car； passive safety； energyabsorbing structure； crash simulation； acceleration； escape space

引言

近年來，隨著大型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，數(shù)值仿真技術(shù)越來越多地被應(yīng)用于大變形碰撞仿真分析.各種先進(jìn)有限元軟件的出現(xiàn)也加速數(shù)值仿真分析的應(yīng)用.數(shù)值仿真分析技術(shù)可以在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段對(duì)車輛進(jìn)行被動(dòng)安全性分析，通過分析可以較好地對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行再設(shè)計(jì)，保證產(chǎn)品在虛擬碰撞中的安全性.

20世紀(jì)90年代，專門從事鐵路車輛碰撞問題的部門在英國(guó)首先成立，采用理論分析、試驗(yàn)研究和計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真分析的方法對(duì)車體的耐撞性和吸能元件進(jìn)行較為深入的研究，成功總結(jié)出車輛的耐撞性設(shè)計(jì)原理.[1]德國(guó)將耐沖擊車體結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用在城市輕軌車輛和ICE第三代列車上.[2]歐盟和國(guó)際鐵路協(xié)會(huì)共同承擔(dān)名為SAFETRAIN的歐洲列車防碰撞性項(xiàng)目，涉及鐵道車輛的設(shè)計(jì)和乘客的保護(hù).[38]目前，我國(guó)鐵路車輛的大變形碰撞分析技術(shù)尚處于起步階段，大多數(shù)的車輛耐撞性研究基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行分析.姚松等[9]研究客運(yùn)列車耐沖擊吸能車體并提出新的設(shè)計(jì)方法.劉金朝等[1]用PAMCRASH對(duì)25型客車進(jìn)行單節(jié)車體與靜止剛性墻、單節(jié)車體與單節(jié)車體和車體與剛性墻斜撞等大變形碰撞進(jìn)行仿真，并對(duì)車內(nèi)假人模型的傷害情況進(jìn)行研究.劉作廣等[10]運(yùn)用耐撞性仿真技術(shù)對(duì)高速列車上的基本吸能元件進(jìn)行試驗(yàn)分析，其研究成果成功應(yīng)用于北京8號(hào)線地鐵.賈宇[11]用ANSYS/LSDYNA對(duì)DF8B型內(nèi)燃機(jī)車和高速動(dòng)車組進(jìn)行仿真并根據(jù)蜂窩結(jié)構(gòu)原理設(shè)計(jì)吸能裝置.謝素明等[1213]和陳秉智等[14]近年來也開展對(duì)機(jī)車車輛大變形碰撞仿真工作的研究.

本文以某高速列車車體為研究對(duì)象，基于材料與結(jié)構(gòu)一體化思想和大變形碰撞理論，通過對(duì)車輛吸能和防撞裝置的結(jié)構(gòu)和材料的研究提高車輛的被動(dòng)安全性能.建立5種適用于高速動(dòng)車的吸能結(jié)構(gòu)，分別為普通雙層吸能管結(jié)構(gòu)、3種端部帶有薄弱環(huán)節(jié)的典型雙層吸能管結(jié)構(gòu)和泡沫鋁材料夾心雙層吸能管結(jié)構(gòu).用PAMCRASH分別將5種不同的吸能結(jié)構(gòu)安裝到整車上進(jìn)行相同編組對(duì)撞試驗(yàn).針對(duì)碰撞仿真結(jié)果評(píng)價(jià)車輛的整體被動(dòng)安全性，并通過各工況結(jié)果的對(duì)比，分析各個(gè)吸能裝置的優(yōu)劣.

1碰撞有限元仿真理論基礎(chǔ)

在整個(gè)撞擊過程中，鉤緩吸能裝置變形模式較好，為順序褶皺變形，但運(yùn)動(dòng)頭車的車鉤吸能管的外層鋼板沒有發(fā)生完全壓潰，產(chǎn)生部分滑移.從整體上看，車鉤吸能管沒有發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，當(dāng)前端吸能管吸能完成后，車體開始接觸，車體前端開始發(fā)生塑性變形.變形區(qū)域主要集中在車輛司機(jī)室附近的地板和下部的牽引梁處.從車輛車身變形角度看，車輛鉤緩裝置和防撞裝置起到很好的作用，車輛司機(jī)室和乘客區(qū)域沒有發(fā)生褶皺和翹曲，為乘客和司機(jī)保留足夠的生存空間.

3.2工況2下車輛碰撞仿真分析

工況2下車體前端不同時(shí)刻變形見圖8，可知，鉤緩吸能裝置順序發(fā)生褶皺變形，直至完全壓潰.前端吸能管的薄弱環(huán)節(jié)設(shè)置起到很好的變形引導(dǎo)作用，沒有發(fā)生不規(guī)則的失穩(wěn)現(xiàn)象.當(dāng)前端吸能管吸能完成后，車體開始接觸，車體前端開始發(fā)生塑性變形.變形區(qū)域主要集中在車輛司機(jī)室附近的地板和下部的牽引梁處.

4.3碰撞過程中車體各部位加速度結(jié)果分析

根據(jù)EN 15227標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，需要對(duì)相互碰撞的車輛加速度進(jìn)行評(píng)價(jià)，因此在車體的各個(gè)位置分別選取加速度考察點(diǎn).運(yùn)動(dòng)頭車的加速度考察點(diǎn)選擇如下：車體前端防撞裝置考察點(diǎn)1746828，車體前端底架考察點(diǎn)1753469，車體后端考察點(diǎn)1921340.靜止車體加速度考察點(diǎn)選擇如下：車體前端防撞裝置考察點(diǎn)10191561，車體司機(jī)室地板考察點(diǎn)10198247，車體后端考察點(diǎn)10369524.運(yùn)動(dòng)頭車考察點(diǎn)加速度時(shí)間曲線見圖14，靜止頭車考察點(diǎn)加速度時(shí)間曲線見圖15.根據(jù)各考察點(diǎn)的最大加速度值和平均減速度值可以看出，當(dāng)車輛發(fā)生碰撞時(shí)，車輛前端產(chǎn)生的最大加速度值和平均減速度值明顯高于車體其他部位，說明車體前端的司機(jī)和乘客最容易受傷.在整個(gè)碰撞過程中車身的加速度值都沒有超過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定；標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定平均減速度值小于5g，考察點(diǎn)全部滿足要求.輔助參考美國(guó)的“旅客列車設(shè)備安全標(biāo)準(zhǔn)（621FR49727）”和“聯(lián)邦汽車安全標(biāo)準(zhǔn)（FMVSS208）”規(guī)定，最大加速度小于60g，全部考察點(diǎn)滿足要求，說明前端的鉤緩裝置和車體前端的防撞裝置設(shè)置合理，滿足車輛的被動(dòng)安全性要求.

4.4各方案對(duì)比分析

虛擬碰撞試驗(yàn)參照歐洲EN 15227標(biāo)準(zhǔn).該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車輛碰撞安全性的衡量主要體現(xiàn)在2個(gè)指標(biāo)上：一個(gè)是車輛發(fā)生碰撞后的加速度，另一個(gè)是發(fā)生碰撞后車輛的逃生空間（車輛中有人員乘坐或通過的區(qū)域）的變形量.所以，對(duì)不同吸能裝置的評(píng)價(jià)主要從以上2個(gè)指標(biāo)考察.

由表1和2可知，工況5即裝有泡沫鋁夾心雙層管車鉤的車輛，碰撞后的加速度表現(xiàn)最好，所有考察點(diǎn)的最大加速度和平均減速度都小于其他工況的數(shù)值.由表3可知，在車身縱向壓縮百分比和司機(jī)室垂向壓縮百分比中，工況5即裝有泡沫鋁夾心雙層管車鉤的車輛的壓縮量最小.

工況5所用車鉤唯一的不足就是車輛撞擊力不是在所有對(duì)比工況中最小的，主要原因是由于裝有泡沫鋁夾心的車鉤剛度過大，導(dǎo)致車鉤過早脫離車體，車輛過早接觸，從而撞擊力過大.在EN 15227標(biāo)準(zhǔn)中沒有對(duì)撞擊力做出明確要求，補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)英國(guó)鐵路組織標(biāo)準(zhǔn)GM/RT2100的第9.1條規(guī)定：對(duì)于非動(dòng)車組和固定編組的列車，撞擊力不應(yīng)超過4 000 kN，最好限制為3 000 kN以內(nèi).工況5的撞擊力沒有超過補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)中3 000 kN的規(guī)定.

5結(jié)論

基于材料與結(jié)構(gòu)一體化思想，利用虛擬數(shù)值仿真技術(shù)，對(duì)5種不同的吸能管結(jié)構(gòu)進(jìn)行碰撞仿真分析.仿真結(jié)果表明：裝有泡沫鋁夾心裝置的吸能管在整車碰撞仿真中性能最好，其在最大加速度、平均減速度和逃生空間這3大指標(biāo)中都最優(yōu)秀.所以，在今后鐵路車輛吸能裝置的設(shè)計(jì)上，可以適當(dāng)引入泡沫鋁夾心材料，以此來提高車輛的吸能效果.

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