列車收縮管吸能防爬器耐撞性研究

高廣軍，舒康，關(guān)維元，于堯

(中南大學(xué)交通運輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

吸能結(jié)構(gòu)是列車車輛耐撞性設(shè)計的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，其在列車碰撞的過程中耗散了絕大部分的沖擊動能。許多研究人員對高速列車吸能結(jié)構(gòu)的耐撞性進行了研究[1?3]。安裝在列車車輛上的吸能結(jié)構(gòu)各式各樣，按其變形的形式可以分為軸向折疊(MAHDI等[4])，鼓脹(CHOI等[5])，撕裂(LI等[6])，反向拉伸(NIKNEJAD 等[7])以及切削(GUAN 等[8?10])。其中收縮式吸能結(jié)構(gòu)由于能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的縱向變形，且收縮后的結(jié)構(gòu)還能承受一定的彎矩，因此可直接應(yīng)用于列車吸能防爬器設(shè)計中。YAO 等[11]從鐵路車輛能量吸收和過載保護的角度，提出了一種新型直錐形收縮(STS)圓管吸能結(jié)構(gòu)，并研究了管壁厚(t)，傾斜角(α)和管長度(L)等幾何參數(shù)對最大撞擊力(Fmax)和比吸能(SEA)的影響。標(biāo)準(zhǔn)EN 15227[12]提出了驗收情景1 的首要標(biāo)準(zhǔn)限制條件，當(dāng)撞擊點初始垂直偏移為40 mm 時，減速度必須小于5g和生存空間不能減小。YAO 等[13]進行了不同水平偏置下地鐵車輛蜂窩式吸能結(jié)構(gòu)偏心碰撞的仿真計算與分析。相關(guān)研究人員對傾斜載荷下吸能結(jié)構(gòu)的吸能特性也展開了研究。OTHMAN等[14]提出了一種新型的泡沫填充橢圓管(FET)，其研究結(jié)果表明FET 管在斜向沖擊載荷下具有更好的耐撞性。亓昌等[15]通過試驗和數(shù)值仿真，對傾斜載荷下錐形多胞薄壁管的耐撞性展開了研究。相關(guān)研究人員對吸能防爬器結(jié)構(gòu)的耐撞性也展開了研究，張斌瑜等[16]提出了一種帶孔槽形狀的吸能防爬器，并對孔槽形狀設(shè)計參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計，提升了吸能防爬器的耐撞性。本文提出用于列車車輛的收縮管吸能防爬器，通過試驗和數(shù)值仿真方法，研究該吸能結(jié)構(gòu)在垂向偏心40 mm 和水平偏心40%D(其中收縮管吸能防爬器撞擊端防爬結(jié)構(gòu)水平寬度D=520 mm)下2車對撞以及臺車撞擊傾斜10°剛性墻場景下的吸能特性，并研究結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計對吸能特性的影響規(guī)律。

1 研究方法

1.1 耐撞性評估指標(biāo)

需要通過耐撞性參數(shù)來定量評估收縮管吸能防爬器的耐撞性。本文使用了以下5 個指標(biāo)參數(shù)：總吸能量(EA)，比吸能(SEA)，平均撞擊力(MCF)，峰值撞擊力(PCF)和最大撞擊力Fmax(GAO 等[17]，KAMRAN等[18]，TAGHIPOOR等[19])。

EA 表示吸能結(jié)構(gòu)在列車碰撞變形過程中吸收的總能量，公式表示為：

式中：F(l)為撞擊力關(guān)于時間的函數(shù)；l為有效吸能行程。

比吸能SEA 是一個重要的耐撞性評價參數(shù)，SEA 是指吸能結(jié)構(gòu)單位質(zhì)量吸收的能量，公式表示為：

式中：Wm，ρ，ld，rd，t分別是收縮圓管的質(zhì)量、密度、長度、內(nèi)徑和壁厚。

峰值力PCF 是指變形過程中出現(xiàn)的最大撞擊力。

平均撞擊力MCF在給定有效吸能行程l時可公式表示為：

1.2 幾何描述

本文所提出的收縮管吸能防爬器包含以下6個部分：底座、支撐管、連接板、吸能座、吸能管和防爬齒，該吸能結(jié)構(gòu)各部分結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸如圖1所示。關(guān)于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和吸能機理需要特別說明的是，如圖1(c)所示，吸能管盈虧量為2 mm，碰撞時吸能管受到軸向力，當(dāng)吸能管大端進入吸能座圓錐面時，吸能管大端受到徑向擠壓變形，其外表面與吸能座圓錐面產(chǎn)生摩擦，吸能耗散。該結(jié)構(gòu)在列車實際應(yīng)用中的安裝方式如圖2(a)所示，該吸能結(jié)構(gòu)安裝在列車車頭端部。本文通過數(shù)值仿真模擬了2輛相同的裝有該吸能結(jié)構(gòu)的臺車車輛垂向和水平偏心碰撞場景，垂向偏心距和水平偏心距分別表示為h和d。同時通過數(shù)值仿真模擬了裝有該吸能結(jié)構(gòu)的臺車車輛碰撞傾斜剛性墻的場景。具體場景分別如圖2(b)，2(c)和2(d)所示。

圖1 吸能結(jié)構(gòu)各部分尺寸Fig.1 Size of each part of the energy absorption structure

圖2 列車吸能結(jié)構(gòu)安裝及碰撞場景示意圖Fig.2 Installation of energy absorption structure and collision scenes for trains

1.3 試驗及有限元模型驗證

1.3.1 準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗

本文所提出的收縮管吸能防爬器的吸能管選用AISI 1020 鋼材，通過準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗獲取了該材料的本構(gòu)模型。如圖3(a)所示，按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1?2010(ISO 6892?1:2009，修改版)(GB/T 228.1?2010)，采用MTS 647液壓楔形夾持拉伸試驗機對AISI 1020 鋼材進行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗，試驗拉伸的速度為2 mm/min。試驗斷裂試樣如圖3(b)所示，標(biāo)準(zhǔn)尺寸的材料試樣示意圖如圖3(c)所示。

圖3 準(zhǔn)靜態(tài)試驗裝置及試件尺寸Fig.3 Quasi-static test device and specimen size

圖3(c)中，d0：原始直徑12.5 mm；d1：夾持部分直徑20 mm；l0：原始標(biāo)距長度60 mm；lc：平行段長度75 mm；lt：總長度200 mm；lg：夾持部分長度50 mm；R：圓角半徑20 mm。

收縮管吸能防爬器中吸能管有限元模型選用“Mat.03 分段線性塑性”材料與AISI 1020 鋼材對應(yīng)，其中材料密度ρ=7 850 kg/m3，楊氏模量E=210 GPa，泊松比值ν=0.3。AISI 1020 鋼的具體材料參數(shù)如表1所述。

表1 AISI 1020鋼管的材料參數(shù)Table 1 Material parameters of AISI 1020 steel tube

1.3.2 有限元模型

將用于評估實驗室條件下吸能結(jié)構(gòu)動態(tài)沖擊性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗臺車引入了有限元模型，在顯式有限元軟件LS-DYNA(Hallquist[20])仿真平臺中進行收縮管吸能防爬器的臺車碰撞試驗，以滿足歐洲鐵路標(biāo)準(zhǔn)EN 15227[12]的鐵路車輛的耐撞性要求。收縮管吸能防爬器及標(biāo)準(zhǔn)試驗臺車有限元模型如圖5 所示，臺車有限元模型質(zhì)量為26.1 t，保證了有限元模型臺車重量和實際臺車重量保持一致。吸能圓管采用“Mat.03 分段線性塑性”材料，吸能座和支撐管采用“Mat.01 分段線性塑性”材料，其他部分使用“Mat.020剛性”材料。

圖4 吸能結(jié)構(gòu)及碰撞試驗臺車有限元模型Fig.4 Finite element model of energy absorption structure and impact test trolley

1.3.3 臺車沖擊試驗及有限元模型驗證

為了驗證收縮管吸能防爬器有限元模型的正確性，進行了臺車沖擊試驗。沖擊試驗在中南大學(xué)碰撞試驗臺進行，其中，碰撞試驗臺主要設(shè)備由6 部分組成：沖擊試驗臺車、軌道、高速攝影儀、測速儀、剛性墻以及車載加速度傳感器等。沖擊試驗工況為：臺車質(zhì)量為26.1 t，試驗臺車沖擊速度v為6 m/s。收縮管吸能防爬器臺車沖擊試驗碰撞前后具體場景如圖5所示。

圖5 吸能結(jié)構(gòu)沖擊試驗前后場景Fig.5 Scenes before and after the impact test of the energy absorption structure

仿真計算與上述沖擊試驗工況保持一致。收縮管吸能防爬器的仿真與實驗力?位移曲線對比如圖6(a)所示，可以看出，由仿真得到的力?位移曲線與試驗的力?位移具有相同的變化特征，試驗與仿真的變形模式如圖6(c)和6(d)所示，吻合良好，其中圖6(b)為仿真變形局部放大圖。最終計算了試驗結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果之間的EA和MCF的相對誤差，試驗和仿真的EA 依次為454 kJ 和450 kJ，MCF 依次為969 kN 和970 kN，試驗和仿真的EA和MCF的相對誤差分別為0.881%和0.103%。上述誤差很小，足以說明數(shù)值仿真結(jié)果與試驗一致。

圖6 試驗與仿真計算的力-位移曲線及變形模式Fig.6 Force-displacement curves and deformation mode of test and simulation

2 參數(shù)分析

2.1 吸能管壁厚t對吸能特性的影響

保持該結(jié)構(gòu)其他原始設(shè)計尺寸不變的前提下，設(shè)定吸能管壁厚t依次為9，11，13 和15 mm，研究上述不同壁厚厚度下該吸能結(jié)構(gòu)在不同碰撞工況下的耐撞性，以及吸能管壁厚t的變化對吸能特性的影響。不同壁厚厚度下該吸能結(jié)構(gòu)在不同碰撞工況下的力位移曲線如圖7所示。

圖7(a)所示為正心碰撞工況下不同壁厚t吸能結(jié)構(gòu)的力?位移曲線，不同壁厚t吸能結(jié)構(gòu)撞擊力曲線變化趨勢大致相同，各條曲線在位移約20 mm時出現(xiàn)初始峰值力后整體波動較小，有明顯的平臺力作用階段，且隨著壁厚t增加，對應(yīng)的峰值力PCF和平臺力MCF也隨之增加。另外，3種非正心碰撞工況下撞擊力曲線變化規(guī)律與正心碰撞類似。

圖7 不同吸能管壁厚t吸能結(jié)構(gòu)在不同碰撞工況下的力?位移曲線Fig.7 Force-displacement curves of energy absorption structures with different wall thicknesses t of energy absorption tubes under different collision conditions

對不同壁厚t吸能結(jié)構(gòu)在不同碰撞工況下的耐撞性參數(shù)SEA和PCF展開了研究，圖8所示為其在不同碰撞工況下的耐撞性參數(shù)。對于正心碰撞、傾斜10°碰撞和水平偏心40%D碰撞工況，SEA 隨著吸能管壁厚t的增加而增加，對于垂向偏心40 mm 碰撞工況下，SEA 隨著吸能管壁厚t的增加而減少。對于正心碰撞和傾斜10°碰撞工況，PCF隨著吸能管壁厚t的增加而增加。

圖8 不同吸能管壁厚t吸能結(jié)構(gòu)在不同碰撞工況下的耐撞性指標(biāo)參數(shù)Fig.8 Crashworthiness index parameters of energy absorption structures with different wall thicknesses t of energy absorption tube under different collision conditions

2.2 吸能管小端外徑Ld對吸能特性的影響

保持該結(jié)構(gòu)其他原始設(shè)計尺寸不變的前提下，設(shè)定吸能管小端外徑Ld依次為100，102，104，106，108 和110 mm，研究上述不同吸能管小端外徑Ld吸能結(jié)構(gòu)在不同碰撞工況下的耐撞性，以及吸能管小端外徑Ld的變化對吸能特性的影響。不同吸能管小端外徑Ld吸能結(jié)構(gòu)在不同碰撞工況下的力位移曲線如圖9所示。

圖9(a)所示為正心碰撞工況下吸能管小端外徑Ld吸能結(jié)構(gòu)的力-位移曲線，當(dāng)Ld為100～108 mm時，各條力?位移曲線變化趨勢基本相同，當(dāng)位移約為20 mm時，撞擊力曲線出現(xiàn)峰值力，且隨后有穩(wěn)定的平臺力作用階段，隨著Ld的增加，相應(yīng)的PCF和MCF 變化不大；當(dāng)Ld為110 mm 時，其撞擊力曲線出現(xiàn)了較大的峰值力和最大撞擊力，沒有穩(wěn)定的平臺力作用階段。另外，3 種非正心碰撞工況下撞擊力曲線的變化規(guī)律與正心碰撞類似。

圖9 不同吸能管小端外徑Ld吸能結(jié)構(gòu)在不同碰撞工況下的力?位移曲線Fig.9 Force-displacement curves of energy absorption structures with different outer diameter Ld of small end of energy absorption tubes under different collision conditions

對不同吸能管小端外徑Ld吸能結(jié)構(gòu)在不同碰撞工況下的耐撞性參數(shù)SEA 和PCF 展開了研究，如圖10 所示為其在不同碰撞工況下的耐撞性參數(shù)圖?？傮w來看，SEA 隨著吸能管小端外徑Ld的增加而有增有減，其中對于正心碰撞、傾斜10°碰撞和水平偏心40%D碰撞工況，當(dāng)Ld由108 mm 增加到110 mm 時，其對應(yīng)的SEA 和PCF 有一個較大的增加。

圖10 不同吸能管小端外徑Ld吸能結(jié)構(gòu)在不同碰撞工況下的耐撞性指標(biāo)參數(shù)Fig.10 Crashworthiness index parameters of energy absorption structures with different outer diameter Ld of small end of energy absorption tubes under different collision conditions

3 結(jié)論

1) 收縮管吸能防爬器適用于較大偏心距對撞和傾斜碰撞工況，收縮變形穩(wěn)定，均勻吸能耗散，且其撞擊力曲線均有穩(wěn)定的平臺力作用階段。

2)吸能管壁厚t對吸能特性的影響：對于正心碰撞、傾斜10°碰撞和水平偏心40%D碰撞工況，SEA 隨著吸能管壁厚t的增加而增加；對于正心碰撞和傾斜10°碰撞工況，PCF 隨著吸能管壁厚t的增加而增加。吸能管小端外徑Ld對吸能特性的影響：SEA 隨著吸能管小端外徑Ld的增加而有增有減；吸能管小端外徑Ld對PCF 影響不大。兩者比較而言，吸能管壁厚t對吸能特性影響更為明顯。