新型高速動車組碰撞仿真分析

熊 力,沈立偉,高國燕,王秀丹,閆文云,沈體強(qiáng)

(中車唐山機(jī)車車輛有限公司,河北 唐山 063035)

高速動車組由8輛編組而成,編組方式為:-Tc+M+Tp+M+M+Tp+M+Tc-,+為半永久車鉤,-為全自動車鉤和防爬吸能裝置,如圖1所示。

圖1 高速動車組編組布局

動車組基本技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 動車組基本技術(shù)參數(shù)

1 車體結(jié)構(gòu)

車體為鋁合金材質(zhì),由底架、側(cè)墻、端墻、車頂和司機(jī)室等組成,采用大斷面鋁合金型材焊接整體承載,承受垂直、縱向、橫向、扭轉(zhuǎn)等載荷。車體結(jié)構(gòu)按照標(biāo)準(zhǔn)EN 12663:2000《鐵路應(yīng)用 軌道車輛車體結(jié)構(gòu)要求》[1]中關(guān)于P-Ⅱ級靜強(qiáng)度的要求進(jìn)行設(shè)計(jì),滿足最大縱向壓縮載荷1 500 kN和最大縱向拉伸載荷1 000 kN的承載要求。頭車車體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 頭車車體結(jié)構(gòu)示意圖

2 防爬吸能系統(tǒng)裝置

動車組的質(zhì)量沿縱向?qū)ΨQ分布。以Tc01車輛為碰撞端研究對象,在動車組1位端設(shè)計(jì)了壓潰吸能、防爬裝置,如圖3所示。當(dāng)兩列車發(fā)生碰撞時(shí),自動車鉤接觸并自動連掛,同時(shí)防爬吸能系統(tǒng)中的各個裝置按順序壓潰,車鉤緩沖器完全壓縮吸能后,車鉤后置壓潰管開始壓潰吸能動作;車鉤后置壓潰管完全被壓縮后,車鉤安裝板在碰撞力的作用下,剪斷剪切螺栓,車鉤安裝板后面的主吸能塊開始壓潰吸能;車鉤安裝板后退一定行程后,兩車防爬齒發(fā)生接觸,防爬齒的后置壓潰管發(fā)生作用,與主吸能塊協(xié)同動作直至壓實(shí),完成整個防爬吸能系統(tǒng)的壓潰吸能。

圖3 防爬吸能系統(tǒng)裝置

3 鉤緩裝置簡介

動車組的車鉤分為自動和半永久兩種形式。自動車鉤牽引裝置通過緩沖裝置和壓潰管來吸收連掛和撞擊的能量。半永久車鉤由帶壓潰管半永久車鉤和帶緩沖器半永久車鉤兩個大部件組成,通過緩沖裝置和壓潰管來吸收連掛和撞擊的能量。自動車鉤和半永久車鉤的功能參數(shù)如表2所示。

表2 自動車鉤和半永久車鉤的功能參數(shù)

4 車體材料

車體各部位采用了符合標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3260.4—2011《動車組用鋁及鋁合金 第4部分:型材》[2]的鋁合金材料。其中,側(cè)墻、車頂、地板和邊梁部位的型材主要應(yīng)用了6005A-T6,牽枕緩部位所用材料是6082-T6,司機(jī)室蒙皮所用材料是6008-T6,板材所用材料是5083-H111[3]。鋁合金材料的彈性模量為70 GPa,泊松比為0.29,力學(xué)性能參數(shù)如表3所示。

5 仿真分析的建模

按照標(biāo)準(zhǔn)EN 15227:2008+A1:2010《鐵路應(yīng)用 鐵路車體的防撞性要求》[4]中關(guān)于C-Ⅰ類型車輛車體的耐撞性要求,評估整列車在各個碰撞工況下的加速度、防爬性能、乘客和司機(jī)的逃生空間等,并核實(shí)各級吸能裝置在碰撞過程中的行為以及與車體司機(jī)室結(jié)構(gòu)的匹配性。

在建立碰撞仿真模型時(shí),動車組碰撞安全防護(hù)設(shè)計(jì)的主體為Tc01車體1位端的防爬吸能系統(tǒng)裝置。在發(fā)生意外碰撞時(shí),防爬吸能系統(tǒng)裝置在吸收碰撞能量的同時(shí),使碰撞力分散傳遞給第1節(jié)車廂車體結(jié)構(gòu),再通過帶有壓潰管的半永久車鉤,把碰撞力限制在給定范圍內(nèi)向第2節(jié)、第3節(jié)及后續(xù)車廂傳遞,使整列車滿足碰撞安全防護(hù)的變形要求。

因此,在建立有限元模型時(shí),取動車組前3節(jié)車廂為本次碰撞仿真的對象。對前3節(jié)車廂車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模,整體上采用4節(jié)點(diǎn)等參殼單元完成非一致化網(wǎng)格剖分,車體易屈曲部位采用典型長度為10 mm的局部網(wǎng)格細(xì)化,以保證撞擊仿真過程中的準(zhǔn)確性與真實(shí)性。頭車車體結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格[5]示意圖如圖4所示。

在對前3節(jié)車廂車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模時(shí),關(guān)注對大質(zhì)量部件(如空調(diào)、轉(zhuǎn)向架)的結(jié)構(gòu)影響,并保障車廂的重心位置與動車組車輛結(jié)構(gòu)保持一致。對第4節(jié)及第5節(jié)車廂車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化,以4節(jié)點(diǎn)等參殼單元進(jìn)行劃分,殼單元的尺寸(長度)在結(jié)構(gòu)部件中的典型長度為250 mm,并在重心位置用剛性質(zhì)量點(diǎn)輔助描述車體的質(zhì)量、慣性矩等結(jié)構(gòu)特征。

Tc01車體1位端的防爬吸能系統(tǒng)裝置和連接各節(jié)車體的鉤緩裝置采用一維單元建模,單元的縱向吸能特性在與相應(yīng)的吸能裝置的壓縮動態(tài)響應(yīng)特性相一致的條件下,通過相應(yīng)的載荷特征曲線(壓縮行程-壓潰力曲線)來反映相應(yīng)裝置在碰撞壓縮期間的吸能特性。

6 碰撞仿真計(jì)算工況與評估要求

6.1 碰撞仿真計(jì)算工況

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN 15227:2008+A1:2010中對C-Ⅰ類型的碰撞工況要求,對動車組的碰撞安全情況進(jìn)行仿真計(jì)算,以正常運(yùn)行狀態(tài)下的車輛整備質(zhì)量為列車的碰撞質(zhì)量。動車組列車各節(jié)車廂的車輛質(zhì)量信息、載客信息等如表4所示,其中每位乘客的質(zhì)量定義為80 kg。

表4 列車各車體的質(zhì)量信息

對動車組耐碰撞性能的考察與評估,按照標(biāo)準(zhǔn)EN 15227:2008+A1:2010中C-Ⅰ類型等級下的3種碰撞工況進(jìn)行:

(1) 工況一:兩列相同編組列車,靜止列車停于平直軌道沒有制動,運(yùn)動列車以36 km/h速度撞擊靜止列車。此外,為了考察列車碰撞中的防爬性能,靜止列車設(shè)定在低于運(yùn)動列車40 mm的位置。

(2) 工況二:編組列車以36 km/h的速度撞擊80 t貨車,80 t貨車的幾何性質(zhì)、緩沖特性、撞擊位置參照標(biāo)準(zhǔn)EN 15227:2008+A1:2010中附錄C中C.1障礙物的描述。質(zhì)量為80 t貨車只在平移的方向有1個自由度,其幾何形狀如圖5所示。側(cè)緩沖器行程為105 mm,其壓縮力-壓縮行程的響應(yīng)特性如圖6所示。

1—貨車端部;2—鋼軌頂部。

圖6 側(cè)緩沖器的壓縮力-壓縮行程的響應(yīng)特性

(3) 工況三:編組列車以30 km/h的速度撞擊15 t可變形障礙物,15 t可變形障礙物的幾何性質(zhì)、緩沖特性和撞擊位置參照標(biāo)準(zhǔn)EN 15227:2008+A1:2010中附錄C中C.3障礙物的描述?？勺冃握系K物的幾何形狀如圖7所示,A、B為障礙物的兩部分。障礙物的剛度符合圖8所示的關(guān)于縱向接觸力-壓縮位移曲線的要求。

圖7 可變形障礙物的幾何形狀

圖8 可變形障礙物的剛度

依據(jù)以上碰撞仿真計(jì)算工況的規(guī)定,在有限元碰撞仿真分析模型中施加合理的邊界條件,進(jìn)一步進(jìn)行計(jì)算求解。

6.2 碰撞被動安全的評估要求

按照標(biāo)準(zhǔn)EN 15227:2008+A1:2010中的相關(guān)規(guī)定,動車組需要具備一定的碰撞被動安全防護(hù)能力,具體的評估要求包括以下幾個方面。

6.2.1 關(guān)于逃生空間的評估

對于逃生空間的評估,將動車組車體結(jié)構(gòu)分成乘客逃生空間、司機(jī)室逃生空間、臨時(shí)占用區(qū)三部分,并分別進(jìn)行考察。

(1) 乘客逃生空間。乘客逃生空間為囊括所有乘客座椅的車體空間,乘客逃生空間不應(yīng)發(fā)生任何侵入性變形;車體主結(jié)構(gòu)的任何區(qū)域,塑性應(yīng)變都不應(yīng)大于材料本身的延伸率,以防發(fā)生主結(jié)構(gòu)斷裂風(fēng)險(xiǎn);整個客室區(qū)域的塑性變形量不應(yīng)大于原長的1%,局部塑性應(yīng)變不應(yīng)大于10%。

(2) 司機(jī)室逃生空間。司機(jī)室逃生空間為從司機(jī)室前墻內(nèi)部平面到司機(jī)室座椅后方的區(qū)域,司機(jī)室上部的流線型曲面為玻璃鋼外罩結(jié)構(gòu),司機(jī)室逃生空間的具體定義如圖9中L長度所示的區(qū)域。當(dāng)撞毀區(qū)達(dá)到最大壓縮狀態(tài)時(shí),按照標(biāo)準(zhǔn)EN 15227:2008+A1:2010,不應(yīng)發(fā)生操作臺侵入司機(jī)最低凈空空間的情況;司機(jī)座椅在寬度方向上應(yīng)有750 mm的凈空空間;司機(jī)的最低凈空空間內(nèi)不應(yīng)出現(xiàn)侵入變形,司機(jī)位置對應(yīng)附近區(qū)域不應(yīng)發(fā)生主結(jié)構(gòu)材料失效,不存在侵入司機(jī)的凈空空間的風(fēng)險(xiǎn);撞擊后,從地板到頂板的高度應(yīng)大于原高度的80%以上,司機(jī)室內(nèi)逃生通道和內(nèi)端墻門口的寬度方向上變形量不應(yīng)大于原長的1%,以保證司機(jī)的逃生通道正常使用。

圖9 司機(jī)室逃生空間示意圖

(3) 臨時(shí)占用區(qū)。頭車2位端和中間車車輛兩端從轉(zhuǎn)向架中心線外側(cè)到車輛端部的區(qū)域。具體要求是:非人占用區(qū)可以不做縱向壓縮空間的要求;乘客的臨時(shí)占用區(qū),在其縱向尺寸上空間壓縮距離不可大于原縱向尺寸的30%;每節(jié)車輛至少有一端的門口位置不出現(xiàn)較大的變形量,否則會導(dǎo)致門系統(tǒng)無法開啟。

6.2.2 關(guān)于減速度的評估

用于考查車輛平均減速度的時(shí)間段:從車體碰撞凈壓縮力不為0時(shí)起,直至車體碰撞凈壓縮力又降回0的時(shí)間區(qū)間。具體要求是:在第一碰撞工況和第二碰撞工況下,車輛的平均減速度小于5g;在第三碰撞工況下,車輛的平均減速度小于7.5g。

6.2.3 關(guān)于爬車的評估

在第一碰撞工況下評估列車的防爬性能。在保障逃生空間和滿足減速度要求的前提下,當(dāng)防爬器裝置完全嚙合使撞擊車輛穩(wěn)定聯(lián)鎖時(shí),選擇轉(zhuǎn)向架輪對的特征點(diǎn)評估爬車,要求其垂向位移量不大于輪緣高度的75%。

7 兩列列車以36 km/h的相對速度碰撞的仿真結(jié)果

在仿真模型中,兩列列車以36 km/h的速度相對碰撞,靜止列車是被撞擊列車,相對運(yùn)動列車重心向下偏移40 mm。

7.1 碰撞仿真求解系統(tǒng)的能量狀態(tài)

碰撞仿真模型的求解終止時(shí)間為1 200 ms。圖10為整個車體碰撞系統(tǒng)能量隨時(shí)間變化的曲線。由圖10可知,在碰撞壓潰過程中,系統(tǒng)動能減少,內(nèi)能增加,總能量在碰撞壓潰過程中恒定。由仿真計(jì)算結(jié)果可知,系統(tǒng)總能量約為23.91 MJ,在700 ms時(shí)所吸收的內(nèi)能總量約為11.61 MJ。

圖10 整個車體碰撞系統(tǒng)能量隨時(shí)間變化的曲線

7.2 列車的碰撞響應(yīng)情況

由仿真計(jì)算的結(jié)果可知,在仿真計(jì)算的1 200 ms時(shí)間區(qū)間內(nèi):

(1) 撞擊列車頭車的自動車鉤與靜止列車頭車的全自動車鉤接觸。在接觸碰撞力的作用下,自動車鉤的緩沖器和壓潰管被壓縮,當(dāng)壓潰管壓縮行程達(dá)到600 mm后,自動車鉤被“壓死”,車鉤安裝板的剪切螺栓斷裂。

(2) 隨著車鉤安裝板的后退,在接觸碰撞力的作用下,兩列車車鉤安裝板后面的主吸能塊開始被壓潰吸能;當(dāng)車鉤安裝板后退一定行程后,兩車防爬齒發(fā)生接觸,防爬齒的后置壓潰管發(fā)生作用,與主吸能塊一同動作直至壓實(shí)。

(3) 在接觸碰撞力的作用下,靜止列車被推動,產(chǎn)生了沿軌道方向的運(yùn)動。

(4) 在接觸碰撞力的作用下,撞擊列車的運(yùn)動速度被抑制。

(5) 自動車鉤、防爬器、主吸能塊、半永久車鉤等裝置通過塑性變形來吸收撞擊的沖擊動能,系統(tǒng)的動能部分被轉(zhuǎn)化為不可恢復(fù)的相應(yīng)結(jié)構(gòu)的塑性變形內(nèi)能。

(6) 經(jīng)過Tc01車體1位端的防爬吸能系統(tǒng)裝置和連接各節(jié)車體的鉤緩吸能裝置等結(jié)構(gòu)的吸能緩沖作用,撞擊列車的運(yùn)動速度被逐漸降低,被撞擊列車的運(yùn)動速度逐漸提高。在約963 ms時(shí)刻,撞擊列車與被撞擊列車之間的碰撞接觸力歸零,撞擊列車與被撞擊列車不再發(fā)生大幅度沖擊接觸,對碰沖擊趨向結(jié)束。

7.3 對撞工況下逃生空間的情況

基于仿真計(jì)算結(jié)果,對撞工況下逃生空間工況可以分為以下幾種。

7.3.1 乘客逃生空間

撞擊后,盡管相應(yīng)車體有部分單元的塑性應(yīng)變高于材料本身的延伸率,但車體主結(jié)構(gòu)無斷裂風(fēng)險(xiǎn),客室區(qū)域的塑性變形量小于原長的1%。

7.3.2 司機(jī)室逃生空間

司機(jī)室逃生結(jié)構(gòu)剛度充裕,沒有發(fā)生操作臺侵入司機(jī)最低凈空空間的情況,司機(jī)位置對應(yīng)附近區(qū)域沒有發(fā)生主結(jié)構(gòu)材料失效;撞擊后,標(biāo)稱地板面到頂棚的高度幾乎保持不變,滿足大于原高度80%以上的要求,司機(jī)室內(nèi)逃生通道和內(nèi)端墻門口的寬度方向上變形量不大于原長的1%。

7.3.3 臨時(shí)占用區(qū)

碰撞期間,頭車2位端和相應(yīng)中間車車輛兩端從轉(zhuǎn)向架中心線外側(cè)到車輛端部的特征區(qū)域,結(jié)構(gòu)變形均處于彈性可恢復(fù)的變形狀態(tài),車體的臨時(shí)占用區(qū)得到了保障。

綜上可見,在列車以36 km/h相對速度對撞的工況下,撞擊列車和被撞列車的車體逃生空間均滿足標(biāo)準(zhǔn)EN 15227:2008+A1:2010中相應(yīng)的碰撞安全要求。

7.4 對撞工況下車輛的減速度情況

頭車車體縱向接觸力隨時(shí)間變化的情況如圖11所示,頭車車體縱向凈壓縮力隨時(shí)間變化的情況如圖12所示。由圖12可知,分段核定頭車車體的平均減速度,平均減速度絕對值最大值為0.054 5 mm/ms2,比標(biāo)準(zhǔn)EN 15227:2008+A1:2010要求的限制值0.049 mm/ms2(5g)略有超出,需實(shí)施結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

圖11 縱向接觸力隨時(shí)間變化的情況

圖12 頭車車體縱向凈壓縮力隨時(shí)間變化的情況

7.5 對撞工況下的爬車情況

由仿真計(jì)算結(jié)果可知,碰撞列車2位端轉(zhuǎn)向架輪對特征點(diǎn)的垂向位移隨時(shí)間變化的曲線如圖13所示。碰撞列車2位端轉(zhuǎn)向架輪對特征點(diǎn)的垂向位移瞬時(shí)最大值為22 mm,超過了允許值20.25 mm。在兩列列車以36 km/h的相對速度對撞的工況下,列車不滿足標(biāo)準(zhǔn)EN 15227:2008+A1:2010中關(guān)于爬車的碰撞安全要求,具有一定的爬車風(fēng)險(xiǎn)。

圖13 碰撞列車2位端轉(zhuǎn)向架輪對特征點(diǎn)的垂向位移隨時(shí)間變化的曲線

8 分析與改進(jìn)措施

8.1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)與分析

分析上述對撞工況下的耐碰撞仿真計(jì)算結(jié)果,提取碰撞列車第2節(jié)、第3節(jié)、第4節(jié)車輛1位端車鉤在碰撞期間的壓縮力隨時(shí)間變化的曲線(這里顯示的壓縮力為實(shí)際值的一半),如圖14所示?？梢钥闯?對撞期間,前3節(jié)中間車的1位端車鉤的壓潰吸能行程已經(jīng)被用盡,車鉤已經(jīng)被“壓死”。后續(xù)車體不斷沖擊前車,致使相應(yīng)車鉤的二分之一壓縮力峰值出現(xiàn)超過3 000 kN的波動。

圖14 典型中間車鉤的壓縮力隨時(shí)間變化的曲線

依據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),具有耐碰撞設(shè)計(jì)的列車在對撞工況下,列車前3節(jié)車體1位端部的吸能裝置將耗散掉絕大部分碰撞沖擊能量。而依據(jù)當(dāng)前設(shè)計(jì)方案,第4節(jié)車體1位端部的吸能裝置的吸能能力都已經(jīng)被用盡。綜合來看,整列動車組的吸能能力不足。

8.2 改進(jìn)措施

根據(jù)前述計(jì)算分析,需要提高Tc01車體1位端的防爬吸能系統(tǒng)裝置的吸能能力。本文設(shè)計(jì)了2種改進(jìn)結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算方案。改進(jìn)方案1:把鋁蜂窩板的工作壓力由2 000 kN提高到2 400 kN;改進(jìn)方案2:把防爬器的工作壓力由500 kN改為900 kN,相應(yīng)的工作行程由600 mm改為500 mm。通過對2種改進(jìn)方案實(shí)施仿真計(jì)算可知,防爬指數(shù)和加速度指數(shù)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

9 結(jié)論

本文針對高速列車的碰撞防護(hù)要求,以時(shí)速400 km動車組為研究對象,實(shí)施了列車碰撞仿真分析。依據(jù)計(jì)算結(jié)果,通過調(diào)整列車吸能裝置的技術(shù)參數(shù),使列車防護(hù)能力全面達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)EN 15227:2008+A1:2010的要求。計(jì)算分析表明,調(diào)整頭車吸能能力對滿足整列列車碰撞防護(hù)要求具有關(guān)鍵作用,可作為列車整體吸能配置的借鑒或參考。