王卉子,羅超,伊召鋒,劉宇,于金朋,孫彥彬

(1.唐山軌道客車有限責任公司 產品研發(fā)中心，河北 唐山 063035； 2. 大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028)

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100%低地板城市有軌電車車輛碰撞仿真分析

王卉子1,羅超1,伊召鋒1,劉宇1,于金朋1,孫彥彬2

(1.唐山軌道客車有限責任公司 產品研發(fā)中心，河北 唐山 063035； 2. 大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028)

為提高100%低地板列車在意外碰撞事故中的被動安全性能，依據歐洲標準EN15227《鐵路車輛車體的防碰撞性規(guī)范》進行車輛的碰撞仿真設計和計算分析，得到了具有良好碰撞安全防護性能的車輛設計結構，為現(xiàn)代軌道車輛的耐碰撞設計提供了參考.

100%低地板；輕軌車；耐撞性設計；碰撞仿真

0 引言

隨著我國城市軌道交通的多樣性發(fā)展，100%低地板城市有軌電車由于方便乘客上下車、減少城市車輛尾氣和噪聲污染等優(yōu)點而備受青睞，在輸送能力和旅行速度方面均位于大運量的地鐵和小運量的公共汽車之間.但建設費用比地鐵少得多，僅為地鐵的1/10～1/20[1]，這類城市交通車輛將會成為緩解城市交通壓力又一有力途徑.100%低地板列車通常是行駛于城市內部，雖然有專用的運營軌道，但與地面交通車輛混合運行，碰撞事故的發(fā)生的風險概率與常規(guī)的鐵路客車、地鐵車輛相比更加惡劣.本文針對100%低地板列車的碰撞設計，結合歐洲標準EN15227《鐵路車輛車體的防碰撞性要求》進行車輛的碰撞仿真計算和防碰撞性能分析，為車輛結構的防碰撞設計提供理論依據.

1 100%低地板有軌電車的防碰撞設計

100%低地板現(xiàn)代城市有軌電車是四節(jié)車輛模塊編組而成的列車，列車兩端為帶司機室的車輛，帶有司機室的車輛與第二節(jié)采用單鉸接結構連接，組成一個編組模塊，兩個編組模塊通過雙鉸接結構連接.為了滿足列車碰撞安全性要求，帶司機室車輛的前端安裝防爬吸能裝置，防爬吸能裝置有兩個吸能單元是吸能裝置的主要吸能元件，位于防爬器后方，車體前端兩側，如圖1所示為該吸能單元以15 km/h速度沖擊時的特征曲線.

圖1 吸能單元的特征曲線圖

2 100%低地板有軌電車的碰撞場景

歐洲標準EN15227《鐵路車輛車體的防碰撞性要求》中碰撞情況的定義是基于歐洲運營線路中的碰撞事故的調查而來，其中，100%低地板城市有軌電車的碰撞情況如下：

情況1：兩列相同編組列車以相對速度15 km/h發(fā)生碰撞，其中一列車靜止，另一列以15 km/h的速度撞擊，編組列車在平直軌道上是沒有制動力的.

情況2：由于城市有軌電車與地面交通車輛混合運行，需要考慮列車與其他車輛發(fā)生有角度的碰撞情形，因此設計編組列車在軌道上以25 km/h的速度與3噸剛性障礙物(相當于小型卡車質量)成45°發(fā)生傾斜碰撞，碰撞形式如圖2所示[2].

圖2 有軌電車的傾斜撞擊障礙物

3 碰撞仿真模型建立與吸能單元

(1)模型建立

100%低地板現(xiàn)代城市有軌電車是一個由四節(jié)鋁合金車輛模塊編組而成的列車.整列列車碰撞仿真計算規(guī)模將會很大，需要很長的計算時間，因此需根據設計結構分析，建立合理的有限元模型.對100%低地板城市有軌電車的頭車車體結構進行詳細建模，車體前段的部分采用局部網格細化操作，以保證撞擊仿真結構的準確性，后三節(jié)車輛忽略車體本身的結構組成，采用附加車體重量和轉動慣量信息的簡化模型.

有軌電車的每兩節(jié)車輛模塊間采用鉸接裝置連接，在碰撞中連接兩個車體結構的鉸接裝置的緩沖效應有限，相對附近車體結構的剛度足夠.因此碰撞仿真模型忽略鉸接裝置結構的彈塑性效應，采用剛性轉動運動副連接，以表現(xiàn)其轉動關系.

防爬器吸能裝置位移列車的最前端，是列車碰撞中最主要的吸能部件，其模型的正確性關系到整個碰撞過程動態(tài)響應的正確性.本文采用一維桿單元模型表達其動態(tài)沖擊緩沖特性，與圖1中吸能部件的碰撞壓縮動態(tài)響應特性相一致.

(2)吸能單元

防爬吸能裝置除了吸能單元的壓縮吸收能量之外，還具有防止爬車的作用.在碰撞過程中由于垂向載荷的作用一輛車會架到另一輛車上，為了避免這種情況發(fā)生，在列車的端部裝有帶齒的防爬器，兩列車對碰中，兩個相對的防爬器齒端嚙合，避免了碰撞面上的垂向滑動，但碰撞中垂向載荷卻需要防爬器的部件承受.此外，有軌電車碰撞場景2，是與3噸剛性障礙物成45°發(fā)生傾斜碰撞，防爬吸能裝置還需要承受碰撞中的橫向載荷.如果在碰撞過程中，防爬吸能裝置在橫向和垂向載荷的作用下，吸能部件發(fā)生較大的垂向和橫向變形量，而縱向上不能向后壓縮，將導致防爬吸能部件縱向吸能功能喪失，這對于列車的撞擊安全防護是極危險的.因此，100%低地板城市有軌電車的防爬吸能裝置的徑向剛度問題，成為吸能單元的就成為防爬器是否能夠起到防爬作用的關鍵[3].

本文依據防爬吸能裝置的幾何結構建立仿真計算模型，緩沖吸能單元的外徑為54 mm(前端外徑為42 mm),壁厚為14 mm的金屬圓柱殼，如圖3所示.分析在這種結構條件下，緩沖吸能單元在碰撞場景中的響應，及對于其碰撞功能的影響.

圖3 端部吸能單元的有限元建模示意圖

4 100%低地板的碰撞仿真分析

4.1 碰撞情況1

圖4為兩列列車以15 km/h的速度相對碰撞時，整個碰撞系統(tǒng)能量隨時間變化的曲線，整個系統(tǒng)在800 ms時刻所吸收內能總量為260.58 kJ.在碰撞過程中，防爬器齒端能夠保守嚙合.車體結構

圖4 碰撞系統(tǒng)能量隨時間變化的曲線(Ⅰ)

圖5 Mc車司機室變形(800 ms)

中除司機室平板的焊縫附近區(qū)域、車輛前門門柱與司機室側墻的補強板圓弧處、司機室骨架與車體在前墻上部的螺栓連接附近，有局部區(qū)域發(fā)生了塑性應變大于0.002的塑性變形，其他部位的變形均處于材料的彈性變形范圍，如圖5所示.

碰撞列車防爬吸能裝置的能量吸收曲線如圖6所示，在800 ms時刻，撞擊列車緩沖吸能單元吸收能量為126.72 kJ，占系統(tǒng)總吸能能量的48.63%，吸能單元的最大壓縮量是338.76 mm，如圖7吸能單元的壓縮位移圖；被碰撞列車緩沖吸能單元所吸收能量為130.8 kJ，占系統(tǒng)總吸能能量的50.2%，吸能單元的最大壓縮量是350.71 mm.可見，防爬吸能裝置是碰撞期間的主要吸能部件.

圖6 系統(tǒng)內能和吸能單元能量吸收曲線

圖7 兩個吸能單元壓縮位移圖

在碰撞期間兩列列車吸能單元的徑向位移，其中撞擊車輛在19.05 ms時刻在產生16.93 mm的壓縮位移時發(fā)生了最大徑向位移，最大徑向位移值為4.88 mm.被撞擊的靜止車輛在27.5 ms時刻在產生33.47 mm的壓縮位移時發(fā)生了最大徑向位移，最大徑向位移值為3.79 mm.

4.2 碰撞情況2

圖8為碰撞系統(tǒng)的能量隨時間變化的曲線，整個碰撞過程遵守能量守恒原則，系統(tǒng)在300 ms時刻所吸收內能總量為35.18 kJ.碰撞中，碰撞車體結構上司機室平板與前墻的焊縫附近區(qū)域、延伸支架與前墻的焊縫附近區(qū)域、吸能單元靠近底座附件區(qū)域有部分單元的塑性應變高于0.002，如圖9所示.

圖8 碰撞系統(tǒng)能量隨時間變化的曲線(Ⅱ)

圖9 Mc車司機室變形(300 ms)

由于碰撞面法向與列車的運行方向有45°的夾角，在碰撞過程中，碰撞側吸能單元被壓縮，非碰撞側的吸能單元被拉伸.圖10為吸能單元的壓縮位移隨時間變化曲線，碰撞側的吸能單元壓縮量為178.78 mm，300 ms時刻所吸收內能總量為32.757 kJ，占系統(tǒng)總吸能能量的93.11%，如圖11所示.從能量角度，可以認為，防爬吸能裝置是碰撞期間的主要吸能部件，在列車的碰撞中，效地發(fā)揮了吸能緩沖的功能.

圖10 吸能單元的壓縮位移隨時間變化曲線

圖11 系統(tǒng)內能和吸能裝置吸收能量曲線

撞擊車輛在13.65 ms時刻在產生37.06 mm的壓縮位移時，吸能單元梁發(fā)生了最大徑向位移，最大徑向位移值為11.86 mm.

5 結論

列車前端的防爬吸能裝置是列車碰撞中的主要吸能部件，它的有效吸能是對車體結構起到緩沖保護作用的關鍵，而防爬吸能單元的抗偏能力是保障防爬器有效發(fā)揮縱向吸能功能的前提，文中提供一定結構條件下的防爬吸能裝置在碰撞中變形響應，為吸能裝置的采購，及其附屬部件設計提供參考.當防爬吸能裝置沒有足夠的抗偏能力時，可設計防爬吸能裝置的附屬部件，以承擔碰撞中垂向和橫向載荷，保障吸能單元的縱向壓縮功能實現(xiàn).

通過100%低地板有軌電車輛通過碰撞仿真計算驗證，在發(fā)生碰撞時防爬吸能裝置發(fā)揮了吸能緩沖的作用，其縱向碰撞吸能特性參數(shù)合理；100%低地板現(xiàn)代城市有軌電車的車體結構剛度良好，在發(fā)生碰撞時車體結構只發(fā)生了局部的可修復的損傷變形.隨著歐洲鐵路系統(tǒng)對于運營車輛的耐撞性能要求的提高，我國的軌道車輛也需適應國際鐵路運營的要求，提高列車車輛的耐撞性能設計，逐步完善軌道車輛結構耐撞性設計評估體系.本文基于100%低地板有軌電車的列車碰撞仿真分析，為城市軌道車輛的耐碰撞性設計提供了參考.

[1]俞展猷．現(xiàn)代化的低地板輕軌車輛[J]．中國鐵路，2004(3)：52-54.

[2]Technical Committee CEN/TC 256.EN15227-2008 Crashworthiness requirements for railway vehicle bodies[S]．London:British Standard Institution，2008．

[3]孫彥彬.車輛大變形碰撞數(shù)值仿真研究及應用[R].大連：中日學術交流報告，2007.

[4]王勖成，邵敏.有限單元法基本原理與數(shù)值方法[M].北京：清華大學出版社，1988.

Crash Simulation and Analysis of 100% Low Floor LRV Crashworthiness

WANG Huizi1,LUO Chao1,YI Zhaofeng1,LIU Yu1,YU Jinpeng1,SUN Yanbin2

(1.R&D Center Tangshan Railway Vehicle Co., Ltd,Tangshan 0630352,China； 2.School of Traffic and Transportation Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

Considering the crash design of 100% low floor LRV and EN 15227 《Crashworthiness requirements for railway vehicle bodies》，vehicle crash simulation and analysis are conducted to offer a theoretic basis for railway vehicle structure crashworthiness design and obtain crashworthy vehicle structure.

cost control 100% low floor LRV;LRV;crashworthiness design;crash simulation

1673-9590(2015)03-0035-04

2014-09-07

王卉子(1982-),女，工程師，碩士，主要從事車輛工程的研究E-mail:sy@djtu.edu.cn.

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