軌道車輛曲線碰撞研究

黃敬輝

摘 要：隨著軌道交通建設(shè)速度不斷加快，各大城市軌道交通線路也越來(lái)越多。由于城市土地以及發(fā)展規(guī)劃的限制，大多軌道交通都是在小半徑曲線上運(yùn)行，曲線運(yùn)行里程占比越發(fā)突出。而在曲線段中，軌道車輛曲線碰撞是一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)?；诖?，本文首先闡述課題研究背景及意義，并重點(diǎn)從軌道車輛耐碰撞性、軌道車輛曲線段碰撞以及軌道車輛曲線段碰撞響應(yīng)三方面進(jìn)行國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)綜述梳理，最后提出了軌道車輛曲線碰撞研究的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，以期本文研究對(duì)相關(guān)研究者有所幫助。

關(guān)鍵詞：軌道列車;列車曲線碰撞;耐碰撞性

1 研究背景與意義

我國(guó)目前擁有世界上規(guī)模最大、運(yùn)行速度最快的鐵路網(wǎng)。然而，隨著鐵路運(yùn)行密度和速度的不斷提高，列車碰撞事故發(fā)生的概率有所增大。自甬溫線列車事故以來(lái)，我國(guó)各大高校和科研院所相繼開(kāi)展了針對(duì)提高軌道車輛防碰撞安全性方面的相關(guān)研究，但在曲線線路上，對(duì)列車發(fā)生碰撞時(shí)動(dòng)力學(xué)性能和耐碰撞性能運(yùn)用數(shù)字仿真試驗(yàn)進(jìn)行分析研究很少。

因此，總結(jié)梳理軌道車輛曲線段碰撞研究方法和成果，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 軌道車輛耐碰撞性相關(guān)研究

在關(guān)于軌道車輛耐碰性研究中，國(guó)外學(xué)者Taguchi M[1]研究了列車碰撞時(shí)不同列車的能量分布，每輛車在碰撞時(shí)的能量消耗比例是不同的，頭模型車吸收的碰撞能量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他車輛。

Guan W[2]選擇列車與剛性障礙物碰撞、嚴(yán)重碰撞和輕微碰撞作為碰撞設(shè)計(jì)的事故場(chǎng)景。采用有限元方法對(duì)KHST的碰撞安全性進(jìn)行了評(píng)估，并通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值分析結(jié)果的可靠性。韓國(guó)成均館大學(xué)的金俊和趙勛開(kāi)發(fā)了拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，來(lái)設(shè)計(jì)框架結(jié)構(gòu)，提高了其不同沖擊下的吸能能力，并與現(xiàn)有的框架結(jié)構(gòu)相比具有較好的耐碰撞性。

在國(guó)內(nèi)研究中，陳淑琴[3]以某城市軌道車輛頭車與剛性固壁碰撞為研究對(duì)象，利用LS-DYNA對(duì)不同參數(shù)（材料、截面、截面等）的吸能結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，研究影響防爬裝置防爬能力的主要因素。

2.2 軌道車輛曲線段碰撞相關(guān)研究

在軌道車輛曲線段碰撞研究中，國(guó)外主要是通過(guò)模型仿真進(jìn)行試驗(yàn)分析碰撞的安全性。

Shao G[4]研究表明列車頭部吸收的能量遠(yuǎn)大于其他車輛末端吸收的能量，曲線過(guò)程列車產(chǎn)生耦合水平旋轉(zhuǎn)角度，耦合的縱向力在輪軌接觸面上產(chǎn)生橫向力，最終影響車身，顯著降低車輛穩(wěn)定性。

Bounds S[5]選擇列車在曲線段與剛性障礙物碰撞、嚴(yán)重碰撞和輕微碰撞作為碰撞設(shè)計(jì)場(chǎng)景。采用有限元方法對(duì)KHST的碰撞安全性進(jìn)行了評(píng)估，并通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值分析結(jié)果的可靠性。

在國(guó)內(nèi)研究中，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)有關(guān)軌道車輛碰撞的研究主要是針對(duì)線路上車輛的縱向碰撞響應(yīng)，包括多級(jí)吸能、爬車、減速度、生存空間評(píng)估等，對(duì)列車曲線碰撞的安全研究涉及較少。

楊皓杰[6]利用LS-DYNA分別模擬了一列動(dòng)態(tài)列車與另一列靜態(tài)列車在曲線上的三種碰撞情況，對(duì)比列車在曲線上相撞結(jié)果與直線相撞結(jié)果。分析得出，軌道半徑的減小增大了車輛的加速度。

2.3 軌道車輛曲線段碰撞響應(yīng)相關(guān)研究

Kirkpatrick[7]建立了一列五節(jié)編組列車三維碰撞模型，對(duì)其在曲線線路中的脫軌行為進(jìn)行了研究，如圖1所示。研究發(fā)現(xiàn)，列車開(kāi)始時(shí)為鋸齒式褶曲行為，然后逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閆形褶曲，這種行為不斷放大，最后表現(xiàn)為大位移橫向褶曲行為。

3 碰撞研究方法

3.1 非線性有限元解法

軌道車輛的碰撞過(guò)程涉及復(fù)雜的非線性問(wèn)題，例如幾何非線性，邊界非線性和材料非線性。因此，通過(guò)傳統(tǒng)的研究方法較為復(fù)雜。非線性有限元分析方法在各種應(yīng)用中得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步。

3.2 碰撞接觸搜尋

選擇合適的接觸類型，預(yù)測(cè)接觸面積，并考慮到接觸面之間的摩擦行為，可以提高模型分析的準(zhǔn)確性。在地鐵碰撞過(guò)程的仿真分析中，尋找接觸點(diǎn)是保證分析結(jié)果可靠性的關(guān)鍵。

4 未來(lái)研究趨勢(shì)

在關(guān)于軌道車輛曲線碰撞研究中，隨著深度學(xué)習(xí)以及人工智能技術(shù)的發(fā)展，在軌道車輛曲線段碰撞中通過(guò)仿真得到最佳安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并運(yùn)用防撞預(yù)警算法對(duì)列車碰撞進(jìn)行提前預(yù)警，該系統(tǒng)能夠預(yù)測(cè)兩車的受損程度，以使得在碰撞不可避免的情況下，幫助駕駛員做出減輕受傷程度的措施。

參考文獻(xiàn)：

[1]Taguchi M，F(xiàn)ujimoto A，Yamada T，et al.Analysis of railway level crossing accident using numerical simulations （Study of crash safety evaluation for railway vehicles）[J].transactions of the japan society of mechanical engineers，2015.

[2]Guan W，Gao G，Yu Y，et al.Crashworthiness analysis and multi-objective optimization of expanding circular tube energy absorbers with cylindrical anti-clamber under eccentric loading for subway vehicles[J].Structural and Multidisciplinary Optimization，2020，61（4）：1711-1729.

[3]陳淑琴.城軌車輛碰撞仿真分析及其耐撞性研究[D]. 蘭州交通大學(xué)，2015.

[4]Shao G.Analysis and Prevention Measures for Damaged Shield Segment of Small Radius Curve Section in Soft Soil Layer.2016.

[5]Bounds S.Summary Report on Dynamic Behavior of the Whole Train in Collisions and the Improvement of the Crashworthiness，2017.

[6]楊皓杰，肖守訥，李鐸.地鐵列車曲線碰撞仿真研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2019，337（3）：8-11.

[7]Kirkpatrick，O，Sills，et al.Estimating the Impacts of Local Policy Innovation： The Synthetic Control Method Applied to Tropical Deforestation.[J].Plos One，2015.