基于有限元仿真計(jì)算現(xiàn)代地鐵列車被動(dòng)安全研究

孫騰飛 王晉樂(lè) 鄭偉

摘?要：基于歐洲被動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)要求，利用HyperWorks、LS-DYNA有限元仿真計(jì)算軟件對(duì)某型地鐵列車碰撞過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明該型地鐵列車滿足歐洲標(biāo)準(zhǔn)要求。

關(guān)鍵詞：地鐵列車;有限元計(jì)算;被動(dòng)安全

中圖分類號(hào)：TB?????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??????doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2021.01.072

0?引言

隨著城市軌道交通行業(yè)的發(fā)展，地鐵列車線路日益增多，截至2020年，全國(guó)已有40多個(gè)城市開(kāi)通地鐵，地鐵列車載客量大、速度較高，且主要運(yùn)行在人口密度較大的市區(qū)，一旦發(fā)生碰撞事故，將會(huì)造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

被動(dòng)安全防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)所設(shè)置的目的在于： 防止列車載客區(qū)變形過(guò)大或是外部物品侵入載客區(qū)，導(dǎo)致乘客的生存空間破壞而引起損傷，防止“一次碰撞”引起較大減速度，超過(guò)人體承受極限和防止成員與車體及內(nèi)裝件發(fā)生“二次碰撞”導(dǎo)致乘員重要部位損傷。

本文根據(jù)EN15227標(biāo)準(zhǔn)要求，依據(jù)某型地鐵列車頭車、中間車的車體結(jié)構(gòu)、車體材料特性、總體布置和車鉤緩沖裝置特性，利用有限元分析軟件HyperWorks/LS-DYNA，針對(duì)主動(dòng)列車以25 km /h 的速度正面碰撞另一列相同的靜止列車時(shí)的情況，建立有限元模型，對(duì)該型地鐵列車被動(dòng)安全性能進(jìn)行研究。

1?列車編組及碰撞工況

1.1?列車編組

如圖1所示，列車采用6輛編組方式：

其中，Tc車：帶司機(jī)室不帶受電弓的拖車;M車：無(wú)司機(jī)室不帶受電弓的動(dòng)車;Mp車：無(wú)司機(jī)室?guī)茈姽膭?dòng)車;“=”全自動(dòng)車鉤;“-”半永久牽引桿。

1.2?碰撞工況

根據(jù)EN 15227：2008+A1：2010《Railway applications-Crashworthiness requirements for railway vehicle bodies》中設(shè)定的C-II類車碰撞場(chǎng)景相關(guān)規(guī)定，確定該列車碰撞工況如下：一列6節(jié)編組的該地鐵列車（整備質(zhì)量加50%座席乘客質(zhì)量）以25km/h速度撞擊另一列處于靜止、無(wú)制動(dòng)狀態(tài)的同類列車。其中，兩列車存在40mm的初始垂向位移。

該工況碰撞場(chǎng)景及車輛、界面編號(hào)如圖2所示。

2?計(jì)算對(duì)象

2.1?車體結(jié)構(gòu)

Tc車車體結(jié)構(gòu)如圖3所示，采用大型薄壁擠壓鋁合金型材，由車頂、底架、側(cè)墻、端墻和司機(jī)室等大部件組成，各大部件間采用焊接方式完成車體的組裝。

Mp車車體結(jié)構(gòu)如圖4所示，采用大型薄壁擠壓鋁合金型材，由車頂、底架、側(cè)墻、端墻等大部件組成，各大部件間采用焊接方式完成車體的組裝。

2.2?車鉤緩沖裝置

地鐵列車司機(jī)室端設(shè)置全自動(dòng)鉤緩裝置，車輛間設(shè)置半永久鉤緩裝置。

車鉤緩沖裝置技術(shù)參數(shù)如下。

表1是司機(jī)室端全自動(dòng)鉤緩裝置技術(shù)參數(shù)。

表2是司機(jī)室端全自動(dòng)鉤緩裝置技術(shù)參數(shù)。

2.3?車體材料

車體結(jié)構(gòu)采用輕型高強(qiáng)度鋁合金材料，主要包括5000系合金的5083及6000系合金的6005A和6082。

2.4?撞擊質(zhì)量

根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 15227∶2008+A1∶2010中第3.3章節(jié)所述，撞擊質(zhì)量為車輛整備重量與50%座席乘客的質(zhì)量之和，將各車輛的撞擊質(zhì)量統(tǒng)計(jì)如表3。

3?有限元模型

根據(jù)各車體三維幾何模型、所用材料、設(shè)備布置及車鉤緩沖裝置力學(xué)特性等資料，建立了詳細(xì)的列車碰撞有限元模型，如圖5所示。其中，將前端防爬吸能裝置細(xì)化為尺寸為10mm的單元，頭車司機(jī)室及其他車體端部吸能結(jié)構(gòu)細(xì)化為尺寸為25mm的單元，為了簡(jiǎn)化計(jì)算模型并減少仿真分析時(shí)間，提高計(jì)算效率，其他部位單元尺寸定為80mm;Tc車共離散單元691555個(gè)，節(jié)點(diǎn)570482個(gè);Mp車共離散單元673981個(gè)，節(jié)點(diǎn)546922個(gè)。

列車碰撞有限元模型中車體和轉(zhuǎn)向架之間連接關(guān)系模擬的準(zhǔn)確性在一定程度上影響著仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。本次碰撞模型中引入了離散梁?jiǎn)卧漭斎雲(yún)?shù)為梁?jiǎn)卧?向剛度值，來(lái)模擬一系簧和二系簧的力學(xué)性能;引入了彈簧減振單元，其輸入?yún)?shù)為減振器阻尼系數(shù)曲線，來(lái)模擬各向減振器。

4?仿真結(jié)果及分析

4.1?生存空間

列車碰撞模擬中主動(dòng)車速度為25km/h，被動(dòng)車靜止，碰撞仿真時(shí)間為1300ms。S6界面處兩列車頭車端部結(jié)構(gòu)在碰撞后的變形圖如圖6所示，頭車與中間車間界面，碰撞結(jié)束后變形圖如圖7所示?？梢钥闯?，碰撞結(jié)束后，僅S6界面處端部吸能區(qū)結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的塑性變形吸能，頭車司機(jī)室和客室結(jié)構(gòu)區(qū)域無(wú)明顯變形產(chǎn)生，其生存空間可以得到保障;各中間車車端結(jié)構(gòu)間都未發(fā)生碰撞接觸，客室結(jié)構(gòu)未產(chǎn)生明顯變形，乘客的生存空間可以得到保障，且兩列車間未發(fā)生爬車現(xiàn)象。

在整個(gè)碰撞過(guò)程中各節(jié)車乘客生存空間縱向長(zhǎng)度變化量的最大值如表4所示，最大變形量?jī)H為8.3mm，滿足標(biāo)準(zhǔn)EN 15227中“乘客生存空間中的任意5m長(zhǎng)度內(nèi)縮小值都不能超過(guò)50mm”的規(guī)定。

圖8給出了A1、B1車司機(jī)室鄰近主駕駛位置處地板和車頂間高度變化量隨時(shí)間變化曲線，在整個(gè)碰撞過(guò)程中A1、B1車司機(jī)室鄰近主駕駛位置處地板和車頂間的最大高度變化量分別為15.0mm和30.6mm，均不大于變形前各自高度（約2353mm）的20%即470mm，司機(jī)室生存空間滿足標(biāo)準(zhǔn)EN 15227的要求。

4.2?減速度

碰撞過(guò)程中主動(dòng)車逐漸減速，被動(dòng)車逐漸加速，后各節(jié)車輛速度趨于相同。計(jì)算得出各節(jié)車的縱向最大平均減速度值如圖9所示，可以看出最大平均減速度為0.87g，小于5g，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.3?抬升量

如圖10～圖11所示，同統(tǒng)計(jì)各節(jié)車車輪最大抬升量，可以發(fā)現(xiàn)各節(jié)車車輪最大抬升量為24mm，滿足標(biāo)準(zhǔn)EN15227中“車輛穩(wěn)定連鎖條件下，車輪抬離軌道最大高度不得超過(guò)100mm”規(guī)定。

5?結(jié)論

通過(guò)以上分析可以得出以下結(jié)論：

（1）碰撞過(guò)程中，地鐵列車僅頭車車體前端吸能區(qū)（主要為防爬吸能裝置和吸能梁）發(fā)生塑性變形，客室和司機(jī)室區(qū)域無(wú)明顯變形。

（2）碰撞過(guò)程中，各車輛乘客生存空間縱向長(zhǎng)度變化量的最大值為8.3mm，小于50mm;司機(jī)室垂向最大變形量為30.6mm，司機(jī)室鄰近主駕駛位置處地板和車頂間高度最小值大于標(biāo)準(zhǔn)要求的80%。

（3）碰撞過(guò)程中，各車輛最大平均減速度為0.87g，小于標(biāo)準(zhǔn)可允許極限5g。

（4）碰撞過(guò)程中，兩列車端部防爬齒間實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定互鎖，且各節(jié)車輛車輪最大抬升量為24mm，小于標(biāo)準(zhǔn)要求的100mm，不存在爬車風(fēng)險(xiǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]雷成，肖守訥，羅世輝，等.地鐵列車頭車耐碰撞性研究[J].城市軌道交通研究，2013，（11）：32.

[2]劉青波，侯本虎，王雷，等.基于EN15227標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)編動(dòng)車組耐撞性研究 [J].大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，（41）：34.