修瑞仙， 劉艷文， 高允峰， 丁 頌

(1.長春師范大學(xué) 工程學(xué)院， 吉林 長春 130032;2.中國北車長春軌道客車股份有限公司， 吉林 長春 130062)

軌道臥鋪客車碰撞吸能特性研究

修瑞仙1， 劉艷文2， 高允峰1， 丁 頌1

(1.長春師范大學(xué) 工程學(xué)院， 吉林 長春 130032;2.中國北車長春軌道客車股份有限公司， 吉林 長春 130062)

根據(jù)耐碰撞車體結(jié)構(gòu)原理設(shè)計出具有吸能效果的耐碰撞性車體，進(jìn)行了車體結(jié)構(gòu)一、二位車端撞擊剛性墻仿真研究，結(jié)果表明,該車體中車端結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塑性大變形，客室結(jié)構(gòu)無塑性變形，車體耐碰撞性明顯得到改善，車體縱向剛度分布合理。建立了單節(jié)客車碰撞動力學(xué)模型，仿真研究車鉤緩沖特性，結(jié)果表明，帶有車鉤及防爬吸能裝置的車體結(jié)構(gòu)具有較好的吸能特性，在防爬吸能元件壓潰行程全部壓縮后，車體端部產(chǎn)生塑性變形吸能碰撞能量，客室未發(fā)生塑性變形。

軌道臥鋪客車； 耐撞性； 非線性有限元； LS-DYNA

0 引 言

列車的安全防御系統(tǒng)分為主動安全防御系統(tǒng)和被動安全防御系統(tǒng)[1-3]。主動安全防御系統(tǒng)闡述為防止碰撞所采取的各項措施，包括車輛系統(tǒng)的檢測、操作、運用、維修和人員素質(zhì)等多個方面，需要制定詳細(xì)的規(guī)則和多方面的合作，是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程；被動安全防御系統(tǒng)也就是所謂的第二安全措施，通過車輛自身結(jié)構(gòu)耐撞性能來緩減碰撞影響，并通過內(nèi)部設(shè)計來減少人員傷亡。

鐵路系統(tǒng)的復(fù)雜性致使其主動安全防御系統(tǒng)不能完全杜絕碰撞事故的發(fā)生，世界范圍內(nèi)近兩年多時間里就發(fā)生了數(shù)十起列車碰撞事故，造成了生命和財產(chǎn)的巨大損失，其中無論是印度、中國等發(fā)展中國家，還是日本、德國、阿根廷等發(fā)達(dá)國家都未能幸免，其中不乏重特大碰撞事故[4-5]。因此，在積極主動地采取合理手段盡最大可能避免列車碰撞事故的同時，研究在碰撞事故發(fā)生時列車自身結(jié)構(gòu)特性及司乘人員的安全性，開發(fā)一種在碰撞事故發(fā)生時車體結(jié)構(gòu)耐碰撞且可以給司乘人員提供保護(hù)的鐵路客車結(jié)構(gòu)顯得尤為重要。

1 動態(tài)非線性有限元理論基礎(chǔ)

描述碰撞現(xiàn)象的主要方法有：Euler法、Lagrange法和ALE法。Euler法多用于流體力學(xué)問題，在固體力學(xué)中用的很少；ALE法是處理流體-固體相互作用的較好方法，適用高速碰撞現(xiàn)象的描述，其理論和算法較復(fù)雜，在具體編程和工程中不易實現(xiàn)；而Lagrange法是目前描述固體碰撞行為的最成熟、最方便的方法。采用Lagrange法描述的有限元法可以處理高速碰撞工程中復(fù)雜的邊界條件和復(fù)雜的材料本構(gòu)關(guān)系，并且對接觸滑移面描述非常方便。LS-DYNA程序主要采用Lagrange描述增量法，利用虛功原理建立非線性大變形的有限元控制方程。

考慮一個運動系統(tǒng)，某質(zhì)點在初始時刻t=0時位于B處，在固定的笛卡爾坐標(biāo)系下其坐標(biāo)為xα(α=1,2,3) 。 經(jīng)時間t，該質(zhì)點運動到位置b，在同一笛卡爾坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為xi(i=1,2,3)，采用Lagrange描述增量法可得：

(1)

在t=0時，初始條件為：

(2)

(3)

式中:Vi----初始速度。

根據(jù)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)原理，整個運動系統(tǒng)必須保持質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒。系統(tǒng)的質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程分別如下：

(4)

(5)

(6)

式中:ρ----當(dāng)前質(zhì)量密度；

J----體積變化率；

ρ0----初始質(zhì)量密度;

σij,j----柯西張量;

fi----單位質(zhì)量體積力;

E----當(dāng)前能量;

V----當(dāng)前體積;

Sij----偏應(yīng)力張量;

p----壓力;

q----體積粘性阻力。

根據(jù)虛功原理，可以得出碰撞系統(tǒng)的控制方程：

(7)

式中,各個積分項分別表示單位時間內(nèi)系統(tǒng)的慣性力、內(nèi)力、體積力和表面力所作的虛功。

對式(7)進(jìn)行離散化，得到離散方程：

(8)

式中:M----總體質(zhì)量矩陣;

P----總體載荷矢量，由節(jié)點載荷、面力、體力等組成;

F----由單元應(yīng)力場的等效節(jié)點力矢量組合而成。

考慮到粘性阻尼項，式(8)變?yōu)椋?/p>

(9)

2 車體原結(jié)構(gòu)碰撞吸能特性研究

200 km/h客車車體為不銹鋼、全點焊結(jié)構(gòu)，只有在車體局部結(jié)構(gòu)(如枕梁與邊梁連接處)采用鉚接和螺栓連接。以車體主結(jié)構(gòu)用殼單元shell163來模擬，車體設(shè)備用質(zhì)量單元mass166來模擬，車體點焊用梁單元beam188來模擬，車體上的鑄造件用體單元solid164來模擬。

在數(shù)值仿真模擬中，200 km/h客車車體一位端、二位端分別以36 km/h的初速度撞擊剛性墻，研究車體鋼構(gòu)自身的碰撞力學(xué)性能及動態(tài)響應(yīng)。仿真過程中采用三類接觸類型，車體端部與剛性墻的自動面面接觸(automatic surface-to-surface contact)；車體端部發(fā)生大變形時的自動單面接觸(automatic single-surface contact)；輪對在軌道上運動時的自動點面接觸(automatic node-to-surface contact)。靜摩擦系數(shù)和動摩擦系數(shù)分別取0.20和0.15，材料采用隨動硬化彈塑性材料模型，忽略初始穿透，且在計算中考慮殼單元的厚度[6-8]，其碰撞動力學(xué)模型(以一位端為例說明)如圖1所示。

圖1 客車碰撞動力學(xué)模型

200 km/h客車車體一位端、二位端碰撞仿真結(jié)束時的結(jié)構(gòu)變形圖分別如圖2和圖3所示。

圖2 客車車體一位端碰撞仿真變形圖

圖3 客車車體二位端碰撞仿真變形圖

由圖中可以看出，碰撞變形過程中，車體一位端沿著枕梁附近的車體中部發(fā)生塑性大變形；車體二位端變形則更為嚴(yán)重，其位置為客車側(cè)墻第二個車窗，而車體端部的無乘客區(qū)域變形很小，這將嚴(yán)重危及乘員的生命安全。車體的縱向剛度分布不合理，車體不滿足耐碰撞車輛的要求，需要對車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

3 吸能車體結(jié)構(gòu)設(shè)計及耐撞性分析

3.1車體端部結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)上面碰撞仿真結(jié)果可知，200 km/h客車車體縱向剛度分布不合理，車端剛度大于客室剛度，導(dǎo)致發(fā)生碰撞時客室先于車端發(fā)生塑性大變形，乘員的生命安全將受到嚴(yán)重威脅，這與耐碰撞吸能車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計嚴(yán)重相悖。耐碰撞吸能車體的設(shè)計理念主要是基于對車體縱向剛度的合理分布，即車體結(jié)構(gòu)應(yīng)該在其縱向的兩端設(shè)置弱剛度的吸能車端，車體縱向剛度按“弱-強-弱”設(shè)置，這樣當(dāng)車端受到嚴(yán)重碰撞時，其弱剛度區(qū)將發(fā)生大變形而吸收碰撞能量，保護(hù)客室的安全。本節(jié)正是基于耐碰撞吸能車體的設(shè)計理念對200 km/h客車車體端部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，減弱其縱向剛度，同時增加安裝防爬吸能裝置的接口，使其成為具有兩級吸能結(jié)構(gòu)的耐碰撞性車體。車體端部結(jié)構(gòu)修改如圖4和圖5所示。

(a) 一位端門框

(b) 車體端墻

(a) 底架一位端

(b) 底架二位端

3.2防爬吸能元件設(shè)計

防爬吸能裝置主要由防爬器和吸能元件兩個功能模塊組成，一般通過螺栓等連接方式安裝在車體底架端部。防爬器主要為防止列車碰撞時產(chǎn)生“爬車”現(xiàn)象；吸能元件可以有效吸收碰撞沖擊動能。防爬器一般為鑄造件，其結(jié)構(gòu)形式較為單一，而吸能元件作為防爬吸能裝置的吸能主體，其結(jié)構(gòu)如何設(shè)計可以使得其在碰撞過程中能夠吸收更多的撞擊能量,受到更多設(shè)計者的關(guān)注。

因此，把設(shè)計重點放在了吸能元件上，根據(jù)耐碰撞性車體吸能元件的設(shè)計要求，通過分析現(xiàn)在常用的吸能裝置，研究設(shè)計了4種新型吸能元件方案，見表1。

吸能元件所用材料為Q235，利用準(zhǔn)靜態(tài)軸向壓縮仿真得到各設(shè)計方案的吸能指標(biāo)，并且以第一種方案為基準(zhǔn)，比較各設(shè)計方案的優(yōu)劣，準(zhǔn)靜態(tài)壓縮有限元模型如圖6所示。

圖6 吸能元件準(zhǔn)靜態(tài)仿真模型

表1 吸能元件設(shè)計方法

通過剛性墻施加速度載荷對吸能元件進(jìn)行壓縮，速度為1 m/s，仿真時間0.29 s。

對于不同的實際問題，能量吸能裝置性能優(yōu)劣的評價可以采用各種各樣的指標(biāo)。其中比吸能、最大軸壓力、平均軸壓力、緩沖指數(shù)等是研究人員最常用的幾個評價指標(biāo)。

各種方案耐撞性能比較，以第一種方案為基準(zhǔn)，比較分析各種方案的參數(shù)變化，見表2。

由表2可知，吸能元件設(shè)計方案2比吸能最大，而緩沖指數(shù)較小，質(zhì)量和最大界面力峰值相對較小，為吸能元件設(shè)計最優(yōu)方案。200 km/h客車選取設(shè)計方案2作為車體端部的防爬吸能元件。

吸能元件設(shè)計方案2相對應(yīng)的防爬吸能裝置如圖7所示。

圖7 防爬吸能裝置設(shè)計方案2

3.3吸能車體結(jié)構(gòu)碰撞吸能特性研究

按照3.2仿真研究方法，對改進(jìn)后車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐碰撞性分析。動力學(xué)模型的建模過程、載荷、邊界條件及相關(guān)參數(shù)的設(shè)置和3.2中完全相同。

表2 吸能元件耐撞性指標(biāo)對比

改進(jìn)后車體結(jié)構(gòu)一位端和二位端碰撞仿真變形圖分別如圖8和圖9所示。

圖8 改進(jìn)后車體結(jié)構(gòu)一位端碰撞仿真變形圖

圖9 改進(jìn)后車體結(jié)構(gòu)二位端碰撞仿真變形圖

4 兩級吸能車體結(jié)構(gòu)耐碰撞性考核

將3.3設(shè)計好的吸能車體結(jié)構(gòu)和方案2吸能元件進(jìn)行組合，生成具有雙重吸能作用的耐碰撞性車體。組合后車體底架端部一位端、二位端結(jié)構(gòu)如圖10所示。

(a) 底架一位端

(b) 底架二位端

按照標(biāo)準(zhǔn)EN15227附錄D4中對單節(jié)客車的耐撞性進(jìn)行考核。碰撞仿真工況示意圖如圖11所示。

圖11 單節(jié)客車設(shè)計碰撞仿真工況示意圖

碰撞計算中考慮車鉤緩沖裝置的剪切失效特性，鉤緩裝置用離散梁單元來進(jìn)行模擬，其輸入特性曲線如圖12所示。

圖12 密接式車鉤緩沖器特性曲線

碰撞仿真結(jié)束后,A1,A2,A3界面碰撞結(jié)束后車端變形圖分別如圖13～圖15所示。

仿真結(jié)束后，A4界面車端沒發(fā)生接觸(在此只給出圖13～圖15)。由仿真結(jié)果可知，碰撞過程中車鉤失效脫落后，防爬吸能裝置接觸產(chǎn)生變形吸收碰撞能量，吸能元件有效行程走完后，車體端部開始接觸并發(fā)生塑性大變形，吸收余下的碰撞動能。在整個碰撞過程中，僅車端結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性大變形，而客室結(jié)構(gòu)未發(fā)生塑性變形。

圖13 A1界面碰撞結(jié)束后車端變形圖

圖14 A2界面碰撞結(jié)束后車端變形圖

圖15 A3界面碰撞結(jié)束后車端變形圖

待評估客車縱向長度隨時間的變化曲線及縱向平均加速度隨時間的變化曲線分別如圖16和圖17所示。

由曲線可知，在碰撞中客車車體縱向變形最大為145.2 mm，遠(yuǎn)小于車體縱向長度的10%(車體縱向長度為25.8 m)，待評估客車的平均縱向加速度為4.622g，小于規(guī)定的5g，滿足標(biāo)準(zhǔn)EN15227的要求。

整個碰撞過程中能量、碰撞界面力隨時間的變化曲線分別如圖18和圖19所示。

圖18 整個碰撞過程中能量-時間曲線

圖19 整個碰撞過程中界面力-時間曲線

從整個碰撞情況來看，碰撞能量主要由車鉤、吸能防爬器、車體端部結(jié)構(gòu)吸收，此外接觸面的滑移耗散能也相當(dāng)可觀。

5 結(jié) 語

1)200 km/h客車車體原結(jié)構(gòu)縱向剛度分布不合理，通過對其端部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計出吸能效果較好的耐撞性車體。通過仿真結(jié)果可知，改進(jìn)后的車體結(jié)構(gòu)縱向剛度分布合理，其端部結(jié)構(gòu)具有良好的吸能特性，碰撞過程中可以有效保護(hù)客室結(jié)構(gòu)，滿足耐碰撞性車體的要求。

2)根據(jù)耐碰撞車體吸能元件的設(shè)計要求，設(shè)計出耐碰撞性能較好的吸能元件。將設(shè)計的吸能車體和吸能元件進(jìn)行組合，生成兩級吸能車體結(jié)構(gòu)，按照標(biāo)準(zhǔn)EN15227附錄D4工況對200 km/h客車進(jìn)行耐碰撞性考核。仿真結(jié)果表明，在整個碰撞過程中，僅車端結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性大變形，客室結(jié)構(gòu)未發(fā)生塑性變形，車體的各項響應(yīng)均滿足標(biāo)準(zhǔn)EN15227的要求。

3)以200 km/h客車車體為研究對象，成功設(shè)計出具有兩級吸能結(jié)構(gòu)的耐撞性車體，為客車被動安全防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了一次有意義的嘗試，為以后客車吸能車體的設(shè)計研究提供了理論和工程依據(jù)。

[1] 陳漢珍．城際列車耐碰撞性車體研究[D]：[碩士學(xué)位論文].成都：西南交通大學(xué)，2008.

[2] 單其雨.高速列車車體耐碰撞結(jié)構(gòu)研究[D]：[碩士學(xué)位論文].成都：西南交通大學(xué)，2010.

[3] 王守江.客車整體骨架側(cè)碰仿真及耐撞性分析研究[D]：[碩士學(xué)位論文].武漢：武漢理工大學(xué),2007.

[4] 張志新.高速列車耐撞性結(jié)構(gòu)及安全性研究[D]：[碩士學(xué)位論文].成都：西南交通大學(xué)，2012.

[5] 劉艷文.軌道客車碰撞被動安全性研究[D]：[碩士學(xué)位論文].成都：西南交通大學(xué)，2013.

[6] 尚曉紅，蘇建宇.ANSYS/LS-DYNA動力分析方法及工程實例[M].北京：中國水利水電出版社，2005.

[7] 白金澤.LS-DYNA3D理論基礎(chǔ)與實例分析[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[8] 趙海鷗.LS-DYNA動力分析指南[M].北京：兵器工業(yè)出版社，2003.

Simulation study on crashworthiness of railway sleeper vehicle

XIU Rui-xian1, LIU Yan-wen2, GAO Yun-feng1, DING Song1

(1.School of Mechanical Engineering, Changchun Normal University, Changchun 130032, China;2.CNR Changchun Railway Vehicles Co., Ltd., Changchun 130062, China)

According to design concepts of the car-body structure of crashworthiness vehicle, a vehicle car-body structure with improved crashworthiness property is designed, and simulation of crash features of the improved car-body structure is carried. The results show that the large plastic deformation is produced only at the ends of the car-body but no deformation in passenger space. The crashworthiness of the car-body is obviously improved and the longitudinal stiffness distribution of the car-body is reasonable. An impact dynamic modal to assess the crashworthiness of a single railway vehicle was built and tested with simulation, and it is showed the car-body with coupler-buffering and the anti climbing energy absorption device has better energy-absorption ability. After crushing stroke test, the ends of the car-body absorb energy with plastic deformation but no deformation in passenger space.

railway sleeper vehicle; crashworthiness; nonlinear finite element; LS-DYNA.

2014-09-29

長春師范大學(xué)自然科學(xué)基金資助項目

修瑞仙(1987-)，女，漢族，遼寧莊河人，長春師范大學(xué)助教，碩士，主要從事軌道車輛強度及疲勞研究,E-mail:liu494495151@163.com.

TU 270.12

A

1674-1374(2014)06-0723-08