高速列車吸能結(jié)構(gòu)設計和耐撞性分析*

李松晏,鄭志軍,虞吉林

(中國科學技術大學中國科學院材料力學行為與設計重點實驗室， 安徽 合肥 230026)

?

高速列車吸能結(jié)構(gòu)設計和耐撞性分析*

李松晏,鄭志軍,虞吉林

(中國科學技術大學中國科學院材料力學行為與設計重點實驗室， 安徽 合肥 230026)

建立了高速列車頭車的有限元模型，運用有限元軟件LS-DYNA模擬了頭車碰撞剛性墻的沖擊過程。在碰撞發(fā)生時，原有設計方案的牽引梁主體的變形以整體屈曲為主，不利于緩沖吸能。在對原設計的耐撞性分析的基礎上，建議對原有牽引梁結(jié)構(gòu)加以改進，并在前端增加兩組不同尺寸和厚度的帶圓角的方管作為緩沖吸能管，考慮了在緩沖管中填充泡沫鋁與否，形成了4種設計方案。數(shù)值模擬結(jié)果表明，與原設計方案相比，新方案的整個頭車的吸能量有大幅度提高，剛性墻反力的峰值也有一定程度的降低，采用大的圓角半徑的厚管并填充泡沫鋁的方案的改進效果最明顯。

固體力學；耐撞性；有限元方法；吸能結(jié)構(gòu)；高速列車

列車安全問題備受關注，在各國相繼展開了車輛碰撞研究[1-4]。在英國，提出了碰撞車體結(jié)構(gòu)設計和可控大變形的吸能方式[1]。在美國，經(jīng)過對大量的列車碰撞實驗和數(shù)值模擬研究，提出了碰撞能量管理設計思想[3]，強調(diào)將變形區(qū)域控制在非乘員區(qū)域。在日本，在E217系電動車組上首次設計了兩個不同沖擊能量吸收的區(qū)域[4]。

通過碰撞實驗和數(shù)值模擬對鐵道車輛進行耐撞性設計與分析[5]，以及在車體的主要變形區(qū)域安裝吸能裝置，盡可能多地吸收撞擊產(chǎn)生的能量，并降低碰撞作用的峰值[6]，可增強車輛的被動安全性。余同希[7]提出利用金屬塑性變形原理可以設計碰撞能量吸收裝置。田紅旗[8]對列車吸能裝置進行了模擬實驗并提出耐撞性客車設計方法。蔣家橋等[9]根據(jù)泡沫金屬材料的動態(tài)特性，設計了新型金屬緩沖器。丁晨等[10]應用耐撞性系統(tǒng)設計思想，設計了采用新型結(jié)構(gòu)和填充物的排障器設計方案。雷成等[11]對高速列車吸能裝置吸能原理進行了研究，分析結(jié)果表明薄壁結(jié)構(gòu)軸向壓潰吸能是一種非常理想的碰撞能量耗散形式。宋宏偉等[12]發(fā)現(xiàn)多孔材料填充的薄壁結(jié)構(gòu)多孔材料與管壁的相互作用，薄壁結(jié)構(gòu)的吸能有所增加，多孔材料的吸能增加40%左右。王蕊等[13]對軸壓作用下圓管的力學行為進行了實驗研究，結(jié)果表明圓管壁厚對撕裂能和塑性彎曲變形能在總能耗中所占比例的影響效果明顯。

在一些國家，建立了列車的耐撞性標準，但現(xiàn)有標準大都是針對常規(guī)的集中動力型低速列車的。目前，涉及動車組列車的車體耐撞性標準有歐洲標準EN 15227:2008+A1[14]。該標準認為，要求車體結(jié)構(gòu)在任何碰撞情況下都可以保證乘客安全是不現(xiàn)實的，設計目標應是在一些經(jīng)常發(fā)生的碰撞事故中對乘客提供一定程度的保護。標準要求車輛設計中采取措施降低爬車風險，以可控方式吸收沖擊能量，保持救生空間和乘客區(qū)域的結(jié)構(gòu)完整性，限制減速度并防止脫軌和減輕撞擊軌道障礙物產(chǎn)生的后果。

本文中，采用有限元方法模擬某型動車組頭車以一定速度撞擊剛性墻的沖擊過程，對原頭車的牽引梁結(jié)構(gòu)進行適當改進，并增加專門的吸能緩沖管結(jié)構(gòu)，探討提高列車耐撞性的方法。

1 有限元模型

1.1 模型的簡化

動車車組一般由8節(jié)或者16節(jié)車廂構(gòu)成。其中頭車的結(jié)構(gòu)相對復雜，主要由車鉤、牽引梁、排障器、頭部蒙皮、車身三層板結(jié)構(gòu)、加強筋、司機室等部分組成。本文幾何模型中主要考慮了頭車的整體結(jié)構(gòu)，確保與實際車體保持一致，尤其是參與沖擊碰撞的部分。對于一些經(jīng)過分析對計算影響不大的部分，進行了合理的簡化，如底架、門把手、焊接件等。圖1為完整的動車組頭車的有限元模型，采用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA進行模擬。經(jīng)過質(zhì)量校核，頭車車體的有限元模型總質(zhì)量為23.57 t，除去轉(zhuǎn)向架、車鉤、排障器的質(zhì)量，其余部分6.68 t，比實際車體的質(zhì)量7.728 t少了13.56%，這是因為忽略了吊飾等一些次要的結(jié)構(gòu)。

圖1 某型動車組頭車的有限元模型Fig.1 The finite element model of a head car of a high-speed train

1.2 材料和單元類型

動車組車體的主要結(jié)構(gòu)材料為鋁合金板材和型材，如頭車的流線型蒙皮、車身的三層板鋁制型材，以及各種橫梁、縱梁、司機室結(jié)構(gòu)等，幾何尺寸(如厚度)隨具體位置而不同。在轉(zhuǎn)向架以及局部加強結(jié)構(gòu)(如司機室門框)采用鋼結(jié)構(gòu)。所用的主要材料及其力學性能見表1，計算中各材料采用雙線性各向同性硬化模型。車體鋁制材料大部分結(jié)構(gòu)采用SHELL 163單元，轉(zhuǎn)向架等實體材料采用SOLID 164單元。考慮到對稱性，計算中采用一半的模型，其單元數(shù)量為約26萬個，分為45個部分，并采用自動單面接觸模式。

表1 材料參數(shù)Table 1 Material properties

1.3 邊界條件和計算工況

頭車模型關于YZ平面對稱，在對稱面上約束X方向的平動和Y、Z方向的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對稱邊界條件。數(shù)值模型為車頭以v=10,20 m/s初始速度撞擊剛性墻(相當于列車以2v，即72或144 km/h的運行速度追尾一列相同的靜止列車)。該型列車的日常行駛速度在200 km/h以下，在遇到危險時，司機通常會采取緊急剎車減速，因此很少情況會全速撞擊。文中所考慮的撞擊速度可以滿足該型列車的撞擊安全性能評估的需要。車鉤在較大速度的碰撞中在較短的時間內(nèi)會脫落，對耐撞性分析影響很小，因此計算中忽略了車鉤在撞擊事件中的作用。計算中，事件時長為300 ms。

圖2 頭車撞擊剛性墻時的變形情況Fig.2 Structural deformation of the head car crashing a rigid wall

2 頭車的耐撞性分析

2.1 頭車的整體和局部變形

圖3 撞擊剛性墻時牽引梁的變形情況Fig.3 Structural deformation of the draft sill crashing a rigid wall

由圖2(未顯示蒙皮，下同)可見，撞擊變形主要集中在司機室前端的牽引梁區(qū)域和排障器部分。撞擊速度為10 m/s時司機室前部變形相對較小。撞擊速度20 m/s時，破壞明顯更加嚴重，邊梁和加強筋部分也發(fā)生了塑性形變，司機室整體破壞比較嚴重，排障器和前端的底架均發(fā)生翹曲導致地板變形嚴重。司機室的嚴重變形不利于人員的安全，底架和梁的彎曲變形也不利于能量的吸收。

由圖3可見，牽引梁的變形模式均是以整體屈曲為主，即在牽引梁的中部發(fā)生彎曲，隨著碰撞的進行，彎曲愈加明顯。與撞擊速度10 m/s的情況相比，在20 m/s的速度撞擊下，牽引梁整體彎曲更加嚴重，還伴隨著前端出現(xiàn)一些局部的塑性變形。整體屈曲不利于緩沖撞擊力和吸收能量。

2.2 剛性墻反力和牽引梁的吸能量

剛性墻反力的峰值出現(xiàn)過早和過大，均不利于乘員的安全。圖4給出頭車以10和20 m/s的速度撞擊剛性墻時，剛性墻反力隨時間變化曲線。10 m/s時，剛性墻的最大反力為約1 MN，此時對應頭車的牽引梁結(jié)構(gòu)與剛性墻開始發(fā)生碰撞。20 m/s時，并可以看出明顯的雙峰結(jié)構(gòu)：第1個峰值出現(xiàn)在50 ms左右，峰值為約1.7 MN，對應于頭部蒙皮與剛性墻的撞擊過程；第2個峰值出現(xiàn)在100 ms左右，峰值為約3.5 MN，對應于牽引梁主體結(jié)構(gòu)與剛性墻的撞擊過程。

牽引梁是主要承載結(jié)構(gòu)，在撞擊過程中發(fā)生屈曲時，其吸能量的多少將會直接影響頭車的變形破壞情況和乘員的安全。圖5為牽引梁的吸能量隨時間變化曲線。10 m/s時，吸能過程比較平緩，最大吸能量不到80 kJ；而20 m/s時，撞擊更劇烈，牽引梁塑性變形更明顯，最大吸能量為約170 kJ，是前者的兩倍多。

圖4 剛性墻反力Fig.4 Force on the rigid wall

圖5 牽引梁的吸能量Fig.5 Energy absorbed by the draft sill

3 吸能結(jié)構(gòu)的設計和性能分析

3.1 提高耐撞性的方法

提高車體的耐撞性是指，在撞擊發(fā)生過程中，通過合適的吸能結(jié)構(gòu)盡可能多地吸收撞擊過程所產(chǎn)生的能量，而且在吸能的同時又不能產(chǎn)生過高的撞擊反力。對動車組來講，管狀的吸能結(jié)構(gòu)在安裝和使用方面都比較合適。

從增加吸能量角度考慮，可以采取兩種方式改進。一是對原有的主要受力部件(如牽引梁)進行改造，使其在撞擊時可以發(fā)生漸進屈曲，通過穩(wěn)定、重復的變形方式(塑性耗散)吸收更多能量。二是額外增加吸能元件，新增加的元件在列車正常運行時不承載，在撞擊時發(fā)生變形以吸收能量。但需確保撞擊力的峰值不能過大。

在撞擊力受限制的情況下，只有加大吸能元件的行程，才能提高車輛的耐撞性。在高速動車組原有結(jié)構(gòu)下，增加吸能部件行程，意味著要加長司機室前端的車鼻部分的長度，這將牽扯到頭部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部總體結(jié)構(gòu)的布局。本文設計只限于對現(xiàn)有頭車設計的局部改進，因此只考慮對牽引梁的改進和在適當位置增加緩沖管。

3.2 新吸能結(jié)構(gòu)的設計方案

為提高牽引梁的吸能量，改進方案主要分為兩步。第1步，在滿足強度校核的前提下，將原有的牽引梁主體部分由方管結(jié)構(gòu)改為帶圓角的方管，并減少壁厚、降低其壓垮載荷，使其在撞擊過程中更好地吸收能量。第2步，在牽引梁前端的空余位置增加與牽引梁共軸的帶圓角的緩沖管，當發(fā)生碰撞時，在車鉤脫離后，緩沖管首先起到吸能作用，在排障器嚴重破壞前，壓迫牽引梁發(fā)生壓縮變形，這樣做可以保證其按照預想的變形模式發(fā)揮作用。同時也考慮了在緩沖管中添加泡沫鋁，以達到更好的緩沖和吸能效果。改進后牽引梁和吸能管的位置見圖6。改進后，牽引梁的外部尺寸與原設計相同，為200 mm。數(shù)值模擬部分的改進方案詳情見表2。表中，c為方管厚度，r為圓角半徑，d為緩沖管厚度。

圖6 改進設計后的牽引梁和吸能管Fig.6 The draft sill and the energy-absorbing tubes in the improvement schemes

方案c/mmr/mmd/mm填充泡沫鋁17205否27205是38355否48355是

3.3 改進方案的吸能性能

通過數(shù)值模擬，比較了4種牽引梁改進方案的吸能性能(見圖7)，并分析了不同改進方案下，牽引梁的主要變形模式和吸能規(guī)律。結(jié)果表明：

(1)4種改進方案在吸能量的提升方面，比原設計均有明顯的提高。原設計在發(fā)生撞擊時，主要吸能結(jié)構(gòu)牽引梁發(fā)生整體屈曲，不利于持續(xù)、穩(wěn)定地吸收能量，改進后的牽引梁在撞擊時吸能管首先發(fā)生壓縮，然后牽引梁主體由于受到壓縮載荷作用也發(fā)生部分壓縮，繼而彎曲失穩(wěn)。

(2)在壁厚和圓角半徑相同的條件下，填充泡沫鋁的結(jié)構(gòu)在吸能方面要優(yōu)于空管，主要原因是泡沫鋁本身以及通過與管壁相互作用都會吸收部分能量[12]。同時，吸能管由于有填充物，相比于空管較難發(fā)生彎曲失穩(wěn)，因此更容易沿著軸向逐級壓縮。

(3)方案4的設計在吸能性方面表現(xiàn)最優(yōu)。10 m/s時，牽引梁加上吸能管的吸能量相比原設計提高了322%，20 m/s時，吸能量相比原來提高了288%。

圖7 不同方案的吸能量Fig.7 Energy absorbed in the different schemes

3.4 改進方案的剛性墻反力

理想的緩沖吸能裝置應該是，在吸收撞擊能量的同時，又可以適當降低撞擊力的峰值，并延緩峰值出現(xiàn)的時間，從而最大程度地保護乘員的安全。圖8給出了剛性墻反力，通過比較可見：

(1)10 m/s時，剛性墻反力的峰值和原設計相比變化不明顯；20 m/s時，反力峰值的降低效果比較明顯。

(2)10 m/s時，剛性墻反力在30 ms左右產(chǎn)生一個原設計不會產(chǎn)生的峰值，原因是增加吸能管后，吸能管與剛性墻發(fā)生碰撞，但是產(chǎn)生的新峰值大小沒有超過原設計中的最大峰值。20 m/s時，沒有產(chǎn)生新的峰值，因為速度較高時，緩沖管和排障器一起與剛性墻發(fā)生撞擊并立即發(fā)生軸向屈曲；而方案3、4的最大峰值出現(xiàn)的時間由原來的100 ms左右推遲到140 ms左右。

(3)方案4的改進效果最好：10 m/s時，反力峰值降低了12%；20 m/s時，反力峰值降低了36%。

圖8 不同方案的剛性墻反力Fig.8 The force on the rigid wall in the different schemes

3.5 牽引梁的變形模式和司機室破壞情況

通過對原頭車的耐撞性分析和對4種改進方案的比較發(fā)現(xiàn)，方案4的牽引梁改進和增加的吸能管結(jié)構(gòu)不僅在吸收撞擊能量方面表現(xiàn)出色，而且在延遲和降低剛性墻反力峰值方面效果良好，其主要原因是吸能模式的改變。原設計的牽引梁在碰撞發(fā)生時，由于壁厚較厚，容易直接發(fā)生整體屈曲，不利于緩沖和能量吸收。改進后的牽引梁在同樣滿足強度校核要求的前提下，厚度方面有所降低，并添加了圓角，使得牽引梁更容易發(fā)生軸向屈曲，和原設計相比，4個圓角也避免了牽引梁和吸能管在屈曲過程中因過大的應力集中造成撕裂。改進后的牽引梁，前端的吸能管在撞擊發(fā)生時最先發(fā)生屈曲以吸收能量，使得司機室的破壞程度減小，更利于乘員的逃生。圖9為在兩種速度撞擊下方案4的主要吸能結(jié)構(gòu)牽引梁和吸能管的變形情況。圖10是在兩種速度撞擊下方案4的頭車司機室整體在撞擊后的變形圖。通過比較可見：在兩種速度撞擊下，改進方案4的吸能管均發(fā)生了可觀的壓縮變形，吸收了較多能量，尤其是20 m/s時，變形更為充分。方案4的司機室隔板后端的結(jié)構(gòu)相對于原設計，破壞降低，尤其是邊梁和枕梁在改進后，破壞明顯減輕。牽引梁的彎曲主要是由排障器在撞擊時傳遞來的彎矩造成的，目前的改進設計仍無法避免這一問題。進一步提高頭車的耐撞性，需要改變排障器與主梁的連接方式。

圖9 方案4的牽引梁和吸能管的變形情況Fig.9 The deformation of the draft sill and the energy absorber in scheme 4

圖10 方案4的司機室變形情況Fig.10 The deformation of the cab in scheme 4

4 結(jié) 論

利用ANSYS/LS-DYNA模擬了高速列車頭車以一定速度撞擊剛性墻的過程。通過對原有車輛的耐撞性分析，發(fā)現(xiàn)原有頭車結(jié)構(gòu)在撞擊發(fā)生時，沒有專門的吸能機構(gòu)，主要撞擊部件牽引梁以彎曲變形為主，不利于能量的吸收和沖擊力的緩沖。針對只能對原有頭車設計作局部改進以及車體不加長等實際情況，提出了4種改進方案，將牽引梁的主體部分由原來的方管結(jié)構(gòu)改為帶圓角的方管，并在牽引梁的前端添加同樣結(jié)構(gòu)的吸能管使其與牽引梁共軸。通過數(shù)值模擬，得到了4種方案兩種撞擊速度下牽引梁吸能曲線和剛性墻反力曲線，并比較了4種改進方案的吸能性能和4種方案下主要吸能結(jié)構(gòu)的變形模式和吸能規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，方案4的改進效果最好：10 m/s時，牽引梁和吸能管的吸能量相比原設計提高了322%，反力峰值降低了12%；20 m/s時，吸能量相比原來提高了288%，反力峰值降低了36%。

[1] 張振淼,逢增幀.軌道車輛碰撞能量吸收裝置原理及結(jié)構(gòu)設計(待續(xù))[J].國外鐵道車輛,2001,38(3):13-19. Zhang Zhen-miao, Feng Zeng-zhen. Principles and structure design of collision energy absorption equipment for rail cars (to be continued)[J]. Foreign Rolling Stock, 2001,38(3):13-19.

[2] Lu G. Energy absorption requirement for crashworthy vechicles[J]. Journal of Rail and Rapid Transit, 2002,216(F3):31-39.

[3] Tyrell D, Severson K, Marquis B. Crashworthiness of passenger trains: Safety of high-speed ground transportation systems[R]. Washington DC: US Department of Transportation, 1998.

[4] 畑弘敏,劉克鮮.運用碰撞仿真技術進行提高鐵道車輛安全性的研究[J].國外鐵道車輛,2004,41(6):22-31. Tian Hong-min, Liu Ke-xian. Research on improvement of rolling stock safety with the collision simulation technology[J]. Foreign Rolling Stock, 2004,41(6):22-31.

[5] 陸冠東.鐵道車輛的耐碰撞性設計[J].鐵道車輛,2007,45(10):1-5. Lu Guan-dong. The bumping resistance design for rolling stock[J]. Rolling Stock, 2007,45(10):1-5.

[6] 楊俊杰,王立杰,李幸人.機車車體碰撞吸能裝置結(jié)構(gòu)設計與仿真分析[J].鐵道機車車輛,2011,31(1):72-75. Yang Jun-jie, Wang Li-jie, Li Xing-ren. Development and simulation of crashworthniess device for locomotive body[J]. Railway Locomotive & Car, 2011,31(1):72-75.

[7] 余同希.利用金屬塑性變形原理的碰撞能量吸收裝置[J].力學進展,1986,16(1):28-38. Yu Tong-xi. Impact energy absorbing devices based upon the plastic deformation of metallic element[J]. Advances in Mechanics, 1986,16(1):28-38.

[8] 田紅旗.客運列車耐沖擊吸能車體設計方法[J].交通運輸工程學報,2001,1(1):110-114. Tian Hong-qi. Crashworthy energy absorbing car-body design method for passenger train[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2001,1(1):110-114.

[9] 蔣家橋,黃西成,胡時勝.泡沫金屬緩沖器的設計新方法及應用[J].爆炸與沖擊,2004,24(6):519-523. Jiang Jia-qiao, Huang Xi-cheng, Hu Shi-sheng. Application and design of the foam matalic buffer[J]. Explosion and Shock Waves, 2004,24(6):519-523.

[10] 丁晨,趙洪倫.高速列車頭車吸能排障器設計與仿真研究[J].鐵道車輛,2011,49(1):1-4. Ding Chen, Zhao Hong-lun. Design and simulation research on energy absorption fender on the head car of a high speed train[J]. Rolling Stock, 2011,49(1):1-4.

[11] 雷成,肖守訥,羅世輝.基于顯式有限元的高速列車吸能裝置吸能原理研究[J].鐵道機車車輛,2012,32(2):7-11. Lei Cheng, Xiao Shou-ne, Luo Shi-hui. Research on the energy-absorbing theory of high speed train energy-absorbing component based on the explicit finite element[J]. Railway Locomotive & Car, 2012,32(2):7-11.

[12] 宋宏偉,虞鋼,范子杰,等.多孔材料填充薄壁結(jié)構(gòu)吸能的相互作用效應[J].力學學報,2005,37(6):697-703. Song Hong-wei, Yu Gang, Fan Zi-jie, et al. Interaction effect in energy absorption of porous material filled thin-walled structure[J]. Acta Mechanica Sinica, 2005,37(6):697-703.

[13] 王蕊,秦慶華,程國強,等.壁厚對金屬圓管撕裂卷曲耗能影響的研究[J].力學學報,2005,37(2):244-248. Wang Rui, Qin Qing-hua, Cheng Guo-qiang, et al. Research for the influence of thickness on the energy distribution of splitting and curling circular steel tube[J]. Acta Mechanica Sinica, 2005,37(2):244-248.

[14] EN 15227:2008+A1:2010, Railway applications: Crashworthiness requirements for railway vehicle bodies[S]. European Committee for Standardization, 2010.

(責任編輯 丁 峰)

Energy-absorbing structure design and crashworthiness analysis of high-speed trains

Li Song-yan, Zheng Zhi-jun, Yu Ji-lin

(CASKeyLaboratoryofMechanicalBehaviorandDesignofMaterials,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230026,Anhui,China)

A finite element model was established for the head car of a high-speed train and its crashing progresses with a rigid wall at different speeds, simulated by using LS-DYNA software. It is found that when a crash occurs the draft sill deforms mainly in the Euler bending mode, which is harmful to buffering and energy absorption. Based on the understanding from the crashworthiness analysis of the original design, we propose to redesign the structure of the draft sill through adding square tubes with round corners as energy-absorbing tubes, which are either filled with aluminum foam or not. Two different sizes are chosen, thus four schemes are formed. The results of numerical simulation show that, compared to the original design, the energy absorption capacity in all of the new schemes has greatly improved, and the peak force on the rigid wall decreases in a certain extend. The scheme with the tubes having large radius of round corner, thick thickness and aluminum foam filler has the most obvious improvement.

solid mechanics; crashworthiness; finite element method; energy-absorbing structure; high-speed train

10.11883/1001-1455(2015)02-0164-07

2013-07-23；

2013-11-06

國家自然科學基金項目(11372307);中國科學院創(chuàng)新工程方向項目(KJCX2-EW-L03)

李松晏(1984— )，男，博士研究生; 通訊作者： 鄭志軍,zjzheng@ustc.edu.cn。

O342 國標學科代碼： 1301565

A