缺口導向分級觸發(fā)吸能結(jié)構(gòu)研究*

李本懷 李成林 鄭育龍

(中車長春軌道客車股份有限公司工程實驗室， 130062， 長春//第一作者， 教授級高級工程師)

軌道客車耐撞性設計是將車輛端部結(jié)構(gòu)作為吸能結(jié)構(gòu)的設計方法。吸能結(jié)構(gòu)一般設置在帶司機室的車輛端部。當列車發(fā)生碰撞時，吸能結(jié)構(gòu)通過可控的撞擊變形吸收沖擊能量，耗散列車的碰撞能量，減小沖擊加速度，保護車輛和乘客安全。

本文以軌道客車司機室端吸能結(jié)構(gòu)為研究對象，提出一種基于缺口導向分級觸發(fā)的吸能結(jié)構(gòu)，并采用三維仿真分析方法對該吸能區(qū)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化分析。另外，對優(yōu)化后的吸能區(qū)結(jié)構(gòu)進行全尺寸沖擊試驗驗證。試驗結(jié)果表明，仿真分析在能量吸收、壓潰行程和平臺力方面的誤差可保持在10%以內(nèi)。

1 耐撞性設計方法

軌道客車耐撞性吸能結(jié)構(gòu)的研究目的是實現(xiàn)列車在發(fā)生撞擊時，按列車碰撞速度等級分級觸發(fā)各吸能結(jié)構(gòu)。車鉤緩沖器(類型有EFG3緩沖器、氣液緩沖器、膠泥緩沖器)用于列車重聯(lián)或撞擊車檔時的低速(5～10 km/h)沖擊緩沖，此時緩沖器吸收全部撞擊能量，車鉤壓潰管不觸發(fā)；車鉤壓潰管(形式有膨脹式、刨削式、翻管等)，用于吸收列車中低速(10～25 km/h)撞擊時產(chǎn)生的能量，此時壓潰管壓潰，剪切螺栓不剪斷；主吸能結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)有防爬器、吸能箱、車體吸能區(qū)等)，用于吸收列車中高速(25～48 km/h)撞擊時產(chǎn)生的能量[1]，此時剪切螺栓剪斷，主吸能結(jié)構(gòu)壓潰，當速度超出該范圍時，通過車體結(jié)構(gòu)變形吸收剩余能量。

基于軌道客車耐撞性吸能結(jié)構(gòu)研究的耐撞性設計方法主要包括：列車能量分配方法、確定各界面吸能量方法、吸能區(qū)結(jié)構(gòu)設計及設計驗證。

1.1 列車能量分配方法

軌道客車能量分配通常是采用質(zhì)量-彈簧的一維單元模型來模擬的，其中車體質(zhì)量以質(zhì)點或剛性單元模擬，車端車鉤緩沖器、壓潰管、剪切螺栓、防爬器(主吸能結(jié)構(gòu))分別以線彈性和非線性彈簧元等效模擬，并以力-行程曲線信息形式輸入。一維的能量分配模型可以應用ADAMS、Simpack等動力學軟件或LS-DYNA、PAM-CRASH等非線性有限元軟件程序來運行。由于一維能量分配模型的運行時間短，因此，可以用于列車吸能單元及各撞擊界面的能量分配及優(yōu)化工作，從而得出滿足標準及設計要求的列車各界面吸能結(jié)構(gòu)的平臺力、壓潰行程及吸能量等參數(shù)信息，并依據(jù)列車各界面最佳能量吸收的力-行程特性，給出吸能結(jié)構(gòu)的設計參數(shù)，同時，可在確定車體的靜態(tài)壓縮載荷、列車碰撞后最優(yōu)維修方案等方面起到指導作用[2]。

1.2 確定各界面吸能量方法

各界面吸能結(jié)構(gòu)的吸能量取決于列車碰撞過程中需要吸收的能量等級。依據(jù)碰撞吸能原理，列車碰撞過程中更多的能量由前端碰撞界面吸收，后續(xù)界面吸能依次減少。如上所述，列車中、低速碰撞沖擊過程中，能量全部由車鉤吸能裝置吸收。當列車發(fā)生中高速碰撞時，車鉤緩沖、吸能裝置無法吸收碰撞過程中產(chǎn)生的全部能量，因此，根據(jù)列車碰撞吸能量的大小，需要在車體的端部底架區(qū)域設置一個可更換的吸能結(jié)構(gòu)(如防爬器)，其具體的觸發(fā)力及壓潰行程由能量分配計算來確定。列車在真實碰撞過程中，除了壓潰管、吸能結(jié)構(gòu)外，車鉤緩沖器、轉(zhuǎn)向架一二系懸掛等阻尼結(jié)構(gòu)在碰撞過程中也吸收能量，車體彈性變形及乘客運動等也會吸收部分能量，因此，在進行一維能量分配計算時，吸能結(jié)構(gòu)壓潰行程可以不必考慮過多的吸能裕量[2]。

1.3 吸能區(qū)結(jié)構(gòu)設計

列車端部吸能結(jié)構(gòu)設計時通?？刹捎靡子诟鼡Q的吸能單元(如蜂窩結(jié)構(gòu)、膨脹結(jié)構(gòu)、刨削結(jié)構(gòu)等)，也可以設計成底架端部結(jié)構(gòu)的一部分，通過結(jié)構(gòu)變形來吸收能量，或者采用可更換吸能結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)自身吸能組合的吸能方式吸能?？筛鼡Q吸能結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是平臺力穩(wěn)定、重復性好、維修維護方便，但受到吸能空間及平臺力的限制，吸能量有限；車體自身結(jié)構(gòu)吸能優(yōu)點是可充分利用吸能空間，碰撞平臺力高，吸能量大且垂向承載力大，防爬車性能好，但缺點是碰撞力波動較大，設計優(yōu)化時需要豐富的分析經(jīng)驗和技巧。 一個全新的吸能結(jié)構(gòu)設計需借助3D非線性有限元分析軟件完成，通常采用單車帶吸能結(jié)構(gòu)或臺車+吸能結(jié)構(gòu)的方式進行優(yōu)化驗證分析。同時，需要考慮吸能結(jié)構(gòu)在碰撞壓潰過程中，車體結(jié)構(gòu)不發(fā)生失穩(wěn)，保證吸能結(jié)構(gòu)有序變形，即吸能單元與車體結(jié)構(gòu)一體化[2]。

1.4 設計驗證

吸能結(jié)構(gòu)的設計驗證通常采用動態(tài)測試與碰撞仿真兩種方式進行。試驗測試驗證是通過相同的配重及速度條件下仿真分析力、壓潰行程和吸收能量與試驗結(jié)果誤差在10%以內(nèi)。列車仿真驗證是建立列車三維編組碰撞仿真分析模型(包括車體結(jié)構(gòu)、吸能系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)及軌道模型等)，應用三維碰撞仿真分析軟件進行分析，依據(jù)碰撞吸能評價標準，對車體防撞防爬性能、防脫軌性能、司機室生存空間等列車碰撞吸能參數(shù)進行驗證[2]。

2 吸能區(qū)結(jié)構(gòu)設計

2.1 吸能區(qū)結(jié)構(gòu)

本文設計了一種多級觸發(fā)駕駛室端部的底架吸能結(jié)構(gòu)。設計目標是吸能結(jié)構(gòu)在列車發(fā)生碰撞時能以有序和可控的方式壓潰變形，實現(xiàn)所需的載荷-位移特性[3]。從能量分配分析中選取期望的載荷-位移特性端部吸能結(jié)構(gòu)進行初步設計。同時：考慮降低吸能結(jié)構(gòu)的碰撞初始觸發(fā)峰值力，增加缺口結(jié)構(gòu)；考慮平臺力的平穩(wěn)性，采取結(jié)構(gòu)分級觸發(fā)形式。吸能結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，其觸發(fā)缺口特征細節(jié)如圖3、圖4所示。

圖1 吸能結(jié)構(gòu)二維平面圖

圖2 吸能結(jié)構(gòu)三維幾何模型

圖3 吸能結(jié)構(gòu)觸發(fā)缺口外形

2.2 有限元分析

2.2.1 有限元模型及工況

應用 Hypermesh軟件建立仿真分析模型，如圖5、圖6所示。結(jié)合碰撞試驗條件，確定分析模型由一個吸能結(jié)構(gòu)與碰撞臺車組成，采用LS-DYNA軟件進行分析。分析工況如下：質(zhì)量為55.3 t的臺車和吸能結(jié)構(gòu)，以速度16.24 km/h撞擊剛性墻，直至形成剛性屏障。模型鎮(zhèn)流器的質(zhì)量作為試驗車質(zhì)量，相當于一個完整的有限元模型質(zhì)量。

圖4 吸能結(jié)構(gòu)觸發(fā)缺口模型

圖5 帶吸能結(jié)構(gòu)的臺車有限元模型

圖6 吸能結(jié)構(gòu)有限元模型

2.2.2 材料本構(gòu)模型

圖7為吸能結(jié)構(gòu)所用材料的工程應力-應變特性曲線，將其轉(zhuǎn)換為圖8所示的真實應力-應變曲線，用于仿真分析。

圖7 吸能結(jié)構(gòu)材料的工程應力-應變曲線

2.2.3 結(jié)果分析

應用顯式有限元求解器LS-DYNA軟件對吸能結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析。分析結(jié)果表明，吸能結(jié)構(gòu)是以受控有序、分級觸發(fā)的方式變形，如圖9所示；碰撞后結(jié)構(gòu)的最大壓潰行程為432 mm，如圖10所示；碰撞力最大峰值為1 800 kN，最小值為700 kN，平均為1 300 kN，如圖11所示；碰撞過程中吸能結(jié)構(gòu)吸收的能量為561.7 kJ，如圖12所示。

圖8 吸能結(jié)構(gòu)材料的真實應力-應變曲線

圖9 吸能結(jié)構(gòu)變形情況

圖10 吸能結(jié)構(gòu)的壓潰時間曲線

圖11 吸能結(jié)構(gòu)的力-時間曲線

圖12 吸能結(jié)構(gòu)的能量-時間曲線

2.3 碰撞試驗

碰撞試驗的條件與仿真分析相同，如圖13、圖14所示。碰撞時吸能結(jié)構(gòu)以可控、有序的方式變形，碰撞后防撞梁后端有局部撕裂現(xiàn)象出現(xiàn)，如圖15所示。最大碰撞力為23 00 kN，最小碰撞力為500 kN，平均力為1 221 kN，如圖16所示。碰撞過程中吸能結(jié)構(gòu)吸收的能量為561.6 kJ[4]。

圖13 碰撞試驗用剛性碰撞墻

圖14 碰撞臺車和試驗樣件

圖15 碰撞試驗后的樣件變形情況

圖16 吸能結(jié)構(gòu)的力-行程曲線

2.4 結(jié)果分析

樣件撞擊后的實際吸能可通過力-位移-響應曲線下的面積計算求得，而碰撞力則由實際吸能除以最大壓潰行程來計算[5]。影響能量吸收的因素包括：結(jié)構(gòu)中的彈性應變；試驗過程中熱和聲產(chǎn)生的能量損耗。而仿真分析中除彈性應變能之外未考慮其他影響因素，但這種差異很小，可以忽略不計。

從變形趨勢看，實件試驗結(jié)果和有限元分析之間具有一致性，壓潰的模式相同，均為受控的吸能方式[6]，如圖17所示。從試驗數(shù)據(jù)擬合的力-位移響應曲線可看出，碰撞力波動與壓潰行程變化一致，如圖18所示。其中吸能結(jié)構(gòu)的最大壓潰行程、碰撞力及吸能量誤差在10%以內(nèi)，如表2所示，滿足 EN 15227標準的要求。

a) 仿真分析b) 實件試驗

圖17 吸能結(jié)構(gòu)撞擊變形的仿真與試驗對比

圖18 吸能結(jié)構(gòu)撞擊過程的力-行程曲線對比

項目系統(tǒng)動能吸收能量最大壓潰行程碰撞力實件試驗560.0 kJ561.6 kJ460 mm1 221 kN仿真分析560.0 kJ561.7 kJ432 mm1 300 kN誤差0.1%-6.5%6.1%

3 結(jié)論

(1) 本文提出了一種基于缺口導向分級觸發(fā)吸能結(jié)構(gòu)。通過對該吸能結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析、試驗驗證及試驗結(jié)果對比分析表明，缺口導向結(jié)構(gòu)能夠有效降低吸能結(jié)構(gòu)的觸發(fā)峰值力，并能夠誘導吸能結(jié)構(gòu)按次序吸能；分級觸發(fā)結(jié)構(gòu)可以有效控制結(jié)構(gòu)碰撞過程中的力值波動，使吸能結(jié)構(gòu)的碰撞力更加平穩(wěn)。

(2) 盡管分析過程中存在材料動態(tài)性能參數(shù)及試驗過程中一些潛在的不確定性因素影響，但試驗結(jié)果相關性表明，該吸能結(jié)構(gòu)的整體碰撞吸能仿真分析與實件試驗的結(jié)果趨勢一致。這種相關性說明，用仿真分析手段對吸能結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化分析方法合理可靠，分析和試驗結(jié)果誤差在10%以內(nèi)，能夠真實反映實際結(jié)構(gòu)的碰撞性能。

(3) 該吸能結(jié)構(gòu)的分析優(yōu)化和試驗驗證表明，吸能結(jié)構(gòu)能以有序、可控的方式變形，吸能行程及碰撞力滿足預期要求，吸能結(jié)構(gòu)滿足EN 15227標準要求。