A型不銹鋼地鐵車(chē)體耐撞性研究

胡基貴 韋海菊 王興文（南車(chē)南京浦鎮(zhèn)車(chē)輛有限公司技術(shù)中心，江蘇 南京 210031）

A型不銹鋼地鐵車(chē)體耐撞性研究

胡基貴 韋海菊 王興文
（南車(chē)南京浦鎮(zhèn)車(chē)輛有限公司技術(shù)中心，江蘇 南京 210031）

軌道車(chē)輛車(chē)體基本性能的研究需要考慮多方面的因素，車(chē)體耐碰撞性是重要指標(biāo)之一。以A型不銹鋼地鐵車(chē)體為研究對(duì)象，基于LS-DYNA碰撞仿真平臺(tái)，分析了車(chē)輛在不同碰撞速度下車(chē)體的耐撞性能；然后，采用逼近法，獲取了該型地鐵車(chē)的最大碰撞安全速度，為車(chē)體的耐撞性設(shè)計(jì)提供了理論支撐。

A型不銹鋼地鐵；車(chē)體耐撞性；逼近法；最大碰撞安全速

1 引言

城市軌道交通車(chē)輛是一種跨學(xué)科、跨領(lǐng)域、綜合性強(qiáng)的現(xiàn)代交通運(yùn)輸工具，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中城市軌道車(chē)輛主要以A型和B型車(chē)輛為主。A型車(chē)相對(duì)B型車(chē)具有軸重大、車(chē)輛尺寸大的特點(diǎn)，不銹鋼材質(zhì)的車(chē)體具有較強(qiáng)的耐腐蝕性能，車(chē)體涂裝維修成本也較低，在車(chē)體材料的選擇方面受到極大地青睞。不銹鋼A型車(chē)的顯著優(yōu)勢(shì)使得在市場(chǎng)上得到了廣泛的應(yīng)用，目前國(guó)內(nèi)對(duì)A型不銹鋼車(chē)體的耐碰撞性能研究較少，因此本文以A型不銹鋼車(chē)體為研究對(duì)象，建立了列車(chē)碰撞仿真力學(xué)模型，以20km/h、25km/h的初始碰撞速度對(duì)列車(chē)進(jìn)行了耐撞性計(jì)算分析。同時(shí)，為得到該型地鐵車(chē)的最大碰撞安全速度，采用逼近法， 確定了該型車(chē)輛結(jié)構(gòu)損壞時(shí)的最小速度。

2 地鐵車(chē)輛耐碰撞性能要求

為了使軌道車(chē)輛車(chē)體滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的耐撞性要求，軌道車(chē)輛在一定速度的碰撞過(guò)程中，其能量轉(zhuǎn)換應(yīng)以一種合理有序的方式進(jìn)行。按照此思想設(shè)計(jì)的耐碰撞軌道車(chē)輛應(yīng)能滿足如下要求：

（1）軌道車(chē)輛在發(fā)生碰撞時(shí)，不可逆的塑性變形應(yīng)首先從車(chē)輛端部吸能區(qū)及其附近區(qū)域開(kāi)始，并按設(shè)定的變形過(guò)程漸進(jìn)式變形性能；

（2）列車(chē)發(fā)生碰撞時(shí)的減速度應(yīng)保持在一個(gè)適度的水平，以便保護(hù)乘務(wù)人員及乘客的安全，并避免設(shè)備安裝、內(nèi)裝及轉(zhuǎn)向架連接裝置脫落或損壞。

3 車(chē)體的有限元模型

由于不銹鋼車(chē)體的零部件基本是薄壁構(gòu)件，車(chē)體結(jié)構(gòu)全部采用殼單元模擬，板殼之間的點(diǎn)焊連接通過(guò)梁?jiǎn)卧M。

為了提高計(jì)算效率，考慮到車(chē)體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，采用半車(chē)進(jìn)行模型耐撞性分析計(jì)算。為提高仿真的精確性，車(chē)體端部變形吸能區(qū)的單元尺寸細(xì)化，中間客室結(jié)構(gòu)的單元尺寸則取較大，有限元力學(xué)模型中共有1063096個(gè)單元。仿真模型的網(wǎng)格劃分如圖1所示。

4 不銹鋼車(chē)體耐撞性分析

4.1 20km/h車(chē)體耐撞性分析

車(chē)輛的仿真場(chǎng)景為頭車(chē)以20km/h的速度與剛性墻發(fā)生正面碰撞，仿真時(shí)間為180ms。圖2為頭車(chē)司機(jī)室及吸能元件在180ms時(shí)刻的變形圖。

從圖2中可以看出，碰撞過(guò)程中，只有吸能元件出現(xiàn)塑性變形，碰撞后吸能元件吸收大部分的動(dòng)能，由于吸能元件未達(dá)到其飽和行程，頭車(chē)司機(jī)室結(jié)構(gòu)沒(méi)有出現(xiàn)塑性變形，客室也沒(méi)有出現(xiàn)塑性變形。因此列車(chē)在碰撞時(shí)，頭車(chē)各部分在碰撞過(guò)程中均沒(méi)有出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效。

圖3給出了車(chē)體中部位置的加速度時(shí)間曲線，其平均加速度為-2.12g，該加速度能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)中的要求。

4.2 25km/h車(chē)體耐撞性分析

車(chē)輛的仿真場(chǎng)景為頭車(chē)以25km/h的速度與剛性墻發(fā)生正面碰撞，仿真時(shí)間為180ms。圖4為頭車(chē)司機(jī)室及吸能元件在180ms時(shí)刻的變形圖。從圖4中可以看出，碰撞過(guò)程中，在縱向沖擊力作用下吸能元件有規(guī)律地先后出現(xiàn)幾個(gè)對(duì)稱的皺折，其變形方式為穩(wěn)定的軸對(duì)稱模式，吸能元件在達(dá)到其最大有效行程，司機(jī)室結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)明顯塑性變形，吸收剩余的動(dòng)能。

圖5給出了車(chē)體中部點(diǎn)的加速度時(shí)間曲線，其平均加速度是-4.656g，該加速度能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)中的要求。

4.3 車(chē)輛結(jié)構(gòu)損壞的最小碰撞速度確定

根據(jù)20km/h和25km/h碰撞的計(jì)算結(jié)果可以看出，實(shí)際結(jié)構(gòu)損壞時(shí)的最小速度應(yīng)大于20km/h小于25km/h，采用逐漸逼近法計(jì)算結(jié)構(gòu)損壞時(shí)的最小速度，選擇23km/h和24km/h的碰撞速度進(jìn)行分析。

圖6為列車(chē)在碰撞速度為23km/h時(shí)，車(chē)體局部在126ms、180ms時(shí)刻的變形圖。從變形圖中可以看出，在120ms左右車(chē)體一位端枕梁內(nèi)側(cè)地板發(fā)生變形，在碰撞結(jié)束后，車(chē)體局部發(fā)生反彈，該變形回復(fù)。由此可知列車(chē)碰撞速度為23km/h時(shí)，車(chē)體在碰撞過(guò)程中都沒(méi)有出現(xiàn)結(jié)構(gòu)塑性變形。

圖7為列車(chē)在碰撞速度為24km/h時(shí)，車(chē)體局部在96ms、180ms時(shí)刻的變形圖，從變形圖7中可以看出，在96ms左右第二個(gè)車(chē)門(mén)左側(cè)底架邊梁和地板發(fā)生變形，碰撞結(jié)束時(shí)該變形沒(méi)有恢復(fù)。由此可知列車(chē)碰撞速度為24km/h時(shí)，車(chē)體結(jié)構(gòu)發(fā)生了塑性變形，因此可以確定24km/h的碰撞速度不是車(chē)體結(jié)構(gòu)實(shí)際損壞的最小速度。

結(jié)語(yǔ)

（1）碰撞速度為20km/h時(shí)，能量由吸能裝置的失效變形吸收和耗散，車(chē)輛客室的乘客保護(hù)區(qū)無(wú)任何損傷，司機(jī)室也沒(méi)有發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。車(chē)體中部平均加速度是-2.12g，車(chē)體端部能量吸收區(qū)沒(méi)有發(fā)生塑性變形。

（2）碰撞速度為25km/h時(shí)，能量由吸能裝置的失效變形和車(chē)體結(jié)構(gòu)的變形來(lái)吸收和耗散，司機(jī)室出現(xiàn)了較大的塑性變形。車(chē)體中部平均加速度是-4.656g。

（3）碰撞速度為23km/h時(shí)，車(chē)輛客室無(wú)任何損傷，司機(jī)室也沒(méi)有發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞；碰撞速度為24km/h時(shí)，地鐵車(chē)輛頭車(chē)客室產(chǎn)生塑性變形，因此發(fā)生碰撞時(shí)，結(jié)構(gòu)損壞的最小速度為23km/h。

[1]田華軍.軌道交通運(yùn)營(yíng)車(chē)輛選型[J].都市快軌交通，2010，23（01）：47-49.

[2]高春宏，屈海洋.城市軌道交通車(chē)輛總體設(shè)計(jì)研究[J].城市軌道交通研究，2009，1（11）：44-48.

[3]徐寅忠.不銹鋼車(chē)輛和輕合金車(chē)輛的優(yōu)缺點(diǎn)[J].國(guó)外鐵道車(chē)輛，1984，4（05）：15-19.

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