軌道交通列車前端吸能結(jié)構(gòu)碰撞研究

（1．中車長春軌道客車股份有限公司工程實(shí)驗(yàn)室，130062，長春；2．吉林大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院，130012，長春∥第一作者，高級工程師）

軌道交通列車前端吸能結(jié)構(gòu)碰撞研究

王科飛1滕萬秀1崔城瑋2

（1．中車長春軌道客車股份有限公司工程實(shí)驗(yàn)室，130062，長春；2．吉林大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院，130012，長春∥第一作者，高級工程師）

利用LS－DYNA軟件建立列車前端吸能結(jié)構(gòu)的有限元模型，通過仿真分析對試驗(yàn)臺車吸能結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化以及試件材料選擇；通過受力對比分析確定整車模型與試驗(yàn)臺車模型對于吸收結(jié)構(gòu)碰撞試驗(yàn)的一致性。臺車吸能結(jié)構(gòu)碰撞試驗(yàn)結(jié)果及其分析表明：利用臺車吸能結(jié)構(gòu)碰撞試驗(yàn)可以替代整車碰撞試驗(yàn)，用于驗(yàn)證列車前端吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。采用仿真分析與臺車試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對列車端部吸能結(jié)構(gòu)的耐碰撞性能進(jìn)行驗(yàn)證，可以有效地壓縮設(shè)計(jì)與試驗(yàn)的成本和周期。

軌道交通列車；吸能結(jié)構(gòu)；碰撞試驗(yàn)；有限元分析

First－author′saddressCRRC Changchun Railway Vehicles Co．，Ltd．，130062，Changchun，China

隨著軌道交通客運(yùn)車輛國際化的快速發(fā)展，按國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行車體設(shè)計(jì)的情況將會越來越多，以便滿足各類市場需求。尤其在以被動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格而著稱的北美城市軌道交通客運(yùn)車輛市場，合理的碰撞能量分配管理以及合理的車體吸能結(jié)構(gòu)越來越成為滿足設(shè)計(jì)要求的關(guān)鍵。通過碰撞仿真分析和吸能結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，尤其是對底架吸能結(jié)構(gòu)進(jìn)行碰撞試驗(yàn)，可以用來驗(yàn)證結(jié)構(gòu)是否滿足碰撞吸能設(shè)計(jì)要求。

本文依據(jù)美國機(jī)械工程師協(xié)會（ASME）相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，利用有限元分析軟件LS－DYNA，采用仿真分析與吸能區(qū)碰撞試驗(yàn)結(jié)合的方法，研究了某新型不銹鋼地鐵車輛的耐碰撞性。通過整車受力與底架吸能結(jié)構(gòu)受力的對比分析，得出受力差別較小的結(jié)論，確定了可用試驗(yàn)臺車代替整車試驗(yàn)的方法來壓縮設(shè)計(jì)周期和節(jié)約設(shè)計(jì)成本。該方法為今后應(yīng)用仿真分析來指導(dǎo)車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

1 碰撞機(jī)理及相關(guān)依據(jù)

1．1 碰撞機(jī)理

機(jī)車車輛的碰撞是一個(gè)瞬態(tài)過程，是一個(gè)包含幾何非線性、材料非線性和邊界非線性變化的復(fù)雜過程。這些非線性過程的綜合表現(xiàn)使得機(jī)車車輛的碰撞仿真非常困難。盡管存在這些非線性因素，但機(jī)車車輛碰撞過程仍然遵守基本的力學(xué)定律，這些力學(xué)定律包括動(dòng)量定律、質(zhì)量守恒定律及能量守恒定律。

1．2 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)碰撞的規(guī)定，車體需滿足：當(dāng)遭受超過它靜態(tài)載荷能力的端部負(fù)荷時(shí)，能以可控的方式產(chǎn)生塑性變形并吸收能量；結(jié)構(gòu)吸能區(qū)應(yīng)該位于車體結(jié)構(gòu)的端部，并且應(yīng)該按規(guī)定的順序和壓潰量級，在其他車體結(jié)構(gòu)破壞前產(chǎn)生作用，以保護(hù)乘客和駕駛員免受結(jié)構(gòu)穿透的影響。

其中關(guān)于能量管理部分，最嚴(yán)格的情況為運(yùn)動(dòng)車輛以40km／h的速度與另一列靜止車輛相互撞擊時(shí)，車體端部吸能區(qū)能夠吸收大部分撞擊能量，而客室無損壞。根據(jù)相關(guān)理論，碰撞分析采用試驗(yàn)樣件以20km／h速度撞擊剛性墻工況來考察吸能區(qū)的能量吸收及其他指標(biāo)。

2 主要結(jié)構(gòu)及材料模型

2．1 吸能區(qū)結(jié)構(gòu)

由于國內(nèi)條件限制，目前無法開展整車碰撞試驗(yàn)。中車長春軌道客車股份有限公司工程實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過多輪計(jì)算分析及優(yōu)化分析，驗(yàn)證了可通過簡化整車模型，采用車體端部吸能區(qū)的分析及試驗(yàn)來校核整車的碰撞吸能能力，通過局部模型來驗(yàn)證整車吸能能力的要求。車端吸能區(qū)設(shè)計(jì)可通過局部模型來驗(yàn)證吸能區(qū)設(shè)計(jì)的合理性，并驗(yàn)證吸能元件的吸能動(dòng)作順序合理性（見圖1）。

圖1 車體端部吸能區(qū)臺車試驗(yàn)結(jié)構(gòu)

2．2 有限元模型

碰撞響應(yīng)中的物理現(xiàn)象是非常復(fù)雜的非線性行為，包括：結(jié)構(gòu)大尺度變形、材料破壞及失效、復(fù)雜的碰撞響應(yīng)。有限元分析軟件LS－DYNA在大變形分析領(lǐng)域有長期應(yīng)用歷史，并在各領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，采用其作為列車碰撞分析軟件，可保障分析結(jié)果的合理性。

車體端部吸能區(qū)主體結(jié)構(gòu)的有限元模型采用Belytschko－Tsay單元（見圖2），為4節(jié)點(diǎn)4積分點(diǎn)殼單元，可以準(zhǔn)確捕捉結(jié)構(gòu)的彎曲變形；防爬器等端部結(jié)構(gòu)則采用單點(diǎn)積分的8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，其廣泛應(yīng)用于LS－DYNA計(jì)算中；點(diǎn)焊應(yīng)用于連接不同的結(jié)構(gòu)件，通常作為殼單元的連接點(diǎn)，故焊點(diǎn)區(qū)域采用Huges－Liu單元的2節(jié)點(diǎn)梁單元（見圖3）。

2．3 材料模型

對材料本構(gòu)模型的首要要求是能夠反映非線性真實(shí)應(yīng)力－應(yīng)變特性的變化，這種要求明確了材料的力學(xué)響應(yīng)并限定了材料的變形（應(yīng)變）。

通常來講，分段線性彈塑性本構(gòu)模型的構(gòu)建是基于拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)。對板材試樣，一般在縱向和橫向進(jìn)行一系列的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗(yàn)，如圖4所示。圖4所示的數(shù)據(jù)是實(shí)測工程應(yīng)力－應(yīng)變數(shù)據(jù)。工程應(yīng)力為測得的負(fù)載除以試驗(yàn)件的原截面積，工程應(yīng)變?yōu)樵囼?yàn)件長度變化除以原來的長度。

圖2 車體端部吸能區(qū)臺車有限元模型

圖3 點(diǎn)焊梁單元在殼單元間的傳遞關(guān)系示例

圖4 材料拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)示例

有限元分析中的本構(gòu)模型，要求將工程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為真實(shí)的應(yīng)力和應(yīng)變。有些是基于材料（拉格朗日）坐標(biāo)和空間（歐拉）坐標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系，即

其中：

σT——真實(shí)應(yīng)力；

σeng——工程應(yīng)力；

e——工程應(yīng)變。

真實(shí)應(yīng)變εT定義為

式中：

l——試件當(dāng)前長度；

l0——試件初始長度。

真實(shí)應(yīng)變的增加量定義為長度變化量除以當(dāng)前長度，

工程應(yīng)變定義為長度變化量Δl除以原長度l0，

由于車體端部吸能區(qū)涉及ASTM標(biāo)準(zhǔn)中A588－A類的多種不同厚度碳鋼，故取不同厚度材料做材料拉伸試驗(yàn)。分別取板材或棒材制成試驗(yàn)樣件（如圖5所示），分別得到的應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖6所示，并轉(zhuǎn)化為真實(shí)應(yīng)力－應(yīng)變曲線，用于碰撞模型分析。采用真實(shí)材料的力學(xué)性能，可以保證材料性能的準(zhǔn)確性。材料特性如表1所示。

圖5 A588－A試樣樣件

圖6 工程應(yīng)力－應(yīng)變曲線

表1 ASTM A588－A鋼材料特性

3 分析及試驗(yàn)

3．1 試驗(yàn)結(jié)構(gòu)

因各方面條件限制，國內(nèi)暫不具備做整車吸能碰撞試驗(yàn)的能力，故可通過吸能區(qū)試驗(yàn)來間接驗(yàn)證車體吸能能力。通過對比分析整車及試驗(yàn)臺車受力，可基本確定整車模型與試驗(yàn)臺車模型的一致性，如圖7所示。

圖7 整車與試驗(yàn)臺車對剛性墻的撞擊力對比

吸能區(qū)試驗(yàn)的目的是提供有效的吸能區(qū)實(shí)際能量吸收特性，證明吸能區(qū)的實(shí)際結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計(jì)要求。吸能區(qū)試驗(yàn)完全按照實(shí)際結(jié)構(gòu)來制定試驗(yàn)大綱，并著重考慮關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的吸能特性；通過多輪分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化確定吸能區(qū)的測試結(jié)構(gòu)，其中關(guān)鍵是底架結(jié)構(gòu)，要能夠安裝在按照實(shí)車配重的試驗(yàn)臺車上，以保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

碰撞車體總重量35t，由于該型車端部吸能區(qū)設(shè)計(jì)為多級吸能結(jié)構(gòu)，本次分析及試驗(yàn)考慮除車鉤吸能之外吸能區(qū)的吸能能力，總能量大約為780kJ，以滿足整體吸能能力設(shè)計(jì)要求（如圖8所示）。

圖8 車體吸能區(qū)能量計(jì)算

3．2 試驗(yàn)分析

通過用LS－DYNA軟件進(jìn)行碰撞分析計(jì)算，進(jìn)行多次吸能區(qū)碰撞仿真分析以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，最終得到可信的吸能區(qū)結(jié)構(gòu)。分析結(jié)果表明：在吸能區(qū)結(jié)構(gòu)前端接觸剛性墻作為碰撞時(shí)刻的始發(fā)點(diǎn)（t＝0），此時(shí)整個(gè)吸能區(qū)開始動(dòng)作；當(dāng)t＝120ms時(shí)，吸能區(qū)壓潰管行程完全走完（如圖9所示），各吸能模塊按照吸能順序依次動(dòng)作，無產(chǎn)生較大應(yīng)變，初步滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 t＝120ms時(shí)刻吸能區(qū)動(dòng)作完成情況

3．3 試驗(yàn)結(jié)果

整個(gè)吸能區(qū)臺車的試驗(yàn)速度為22km／h，滿足ASME標(biāo)準(zhǔn)中對速度的要求。

本次試驗(yàn)通過高速攝影來記錄整個(gè)試驗(yàn)過程，關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)部分的試驗(yàn)結(jié)果如下：t＝0時(shí)，吸能區(qū)前端開始接觸剛性墻，吸能區(qū)開始依次動(dòng)作；t＝121ms時(shí)，整個(gè)吸能區(qū)吸能過程結(jié)束（見圖10）；t＝122ms時(shí)，吸能區(qū)繼續(xù)整體向后壓縮至后部縱向梁，并于t＝136ms時(shí)測力墻受力開始持續(xù)下降，最終在t＝151ms時(shí)下降至零，即試件與剛性墻分離。

圖10 t＝121ms時(shí)刻吸能區(qū)壓潰管行程完全走完情況

3．4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)高速攝影儀記錄的試件碰撞序列圖像，對主要吸能部件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，其中兩根壓潰管的行程－時(shí)間曲線如圖11所示，壓潰管的行程基本走完，與設(shè)計(jì)需求及分析結(jié)果一致，符合要求。

本次試驗(yàn)剛性墻處使用4個(gè)測力傳感器，經(jīng)過處理后，得到的剛性墻撞擊力－時(shí)間曲線如圖12所示。由圖12可知，撞擊力處于合理區(qū)間范圍內(nèi)。由于測力傳感器記錄到的數(shù)據(jù)比實(shí)際設(shè)計(jì)吸能區(qū)承載力稍小，故測得的數(shù)據(jù)僅作為參考，仍需要以設(shè)計(jì)的承載力作為基準(zhǔn)，以保證吸能區(qū)的吸能能力。

圖11 壓潰管行程－時(shí)間曲線

圖12 剛性墻撞擊力－時(shí)間曲線

4 結(jié)論

利用列車端部碰撞吸能區(qū)仿真分析與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，得出的試驗(yàn)及分析結(jié)果表明：

（1）經(jīng)過多輪碰撞分析及優(yōu)化，增強(qiáng)薄弱區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使車體前端吸能區(qū)在碰撞過程中主要吸能結(jié)構(gòu)依次動(dòng)作，以保證碰撞過程中的能量吸收。該設(shè)計(jì)可以滿足ASME碰撞標(biāo)準(zhǔn)中對能量吸收管理要求。

（2）碰撞模擬采用真實(shí)材料的動(dòng)態(tài)應(yīng)力－應(yīng)變曲線，以提高仿真分析的正確性。

（3）通過對比分析整車及試驗(yàn)臺車受力變化過程，確定可用試驗(yàn)臺車代替整車進(jìn)行碰撞試驗(yàn)；前端吸能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)通過多次優(yōu)化分析，確定試驗(yàn)樣件的選擇；車體吸能區(qū)的試驗(yàn)對整車的吸能能力有很好的驗(yàn)證作用，可以省時(shí)高效地驗(yàn)證整車的碰撞性能。

（4）在吸能區(qū)試驗(yàn)樣件正式試驗(yàn)前，開展針對試驗(yàn)樣件的碰撞分析，具有現(xiàn)實(shí)意義，可以用于指導(dǎo)試驗(yàn)，同時(shí)對仿真分析有修正作用。

［1］ 李本懷．軌道客車車體碰撞吸能研究［D］．長春：吉林大學(xué)，2014．

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Study on the Energy Absorption Structure of Railway Vehicle Front End

WANG Kefei，TENG Wanxiu，CUI Chengwei

The software LS DYNA is used to establish a finite element model of energy absorption structure on railway vehicle front end．Through simulation analysis of a testing trolley，the structure and materials are optimized，then a force contrast analysis is used to decide the consistency of the testing trolley and the crash test of the absorption structure．The test result shows that the testing trolley could replace the real vehicle in the crash test of the absorption structure，and verify the design of the energy absorption structure on railway vehicle front end．With a combination of simulation analysis and trolley crash test，the crashworthiness of the front end absorption structure could be verified，the design cycle be shortened and testing cost be reduced effectively．

rail transit vehicle；energy absorption structure；crash test；finite element analysis

U270．1＋2

10．16037／j．1007－869x．2017．02．006

2016－09－25）