張 霖

(長(zhǎng)春師范大學(xué)工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130032)

隨著我國(guó)城市現(xiàn)代化建設(shè)的加快，以軌道交通為主的城市交通網(wǎng)絡(luò)正在日趨完善［1］。鑒于我國(guó)城市結(jié)構(gòu)緊湊、人口密度大的特點(diǎn)，地鐵車(chē)輛成為軌道交通建設(shè)的首選。在地鐵車(chē)輛的發(fā)展進(jìn)程中，不銹鋼點(diǎn)焊車(chē)因其具有高耐腐蝕性、車(chē)體自重輕、維修費(fèi)用以及運(yùn)營(yíng)成本相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)而逐漸成為國(guó)內(nèi)外軌道交通輕量化車(chē)體的主流。地鐵車(chē)輛主要運(yùn)行于客流量大的城市環(huán)境中，一旦發(fā)生碰撞事故，造成的影響將是十分嚴(yán)重的。不銹鋼點(diǎn)焊車(chē)體正面碰撞時(shí)客室區(qū)域易發(fā)生塑性變形，其運(yùn)行安全性已成為許多國(guó)家軌道車(chē)輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要課題之一［2－4］。本文在闡述地鐵車(chē)輛耐撞性設(shè)計(jì)理念基礎(chǔ)上，給出某不銹鋼點(diǎn)焊地鐵車(chē)的耐撞性設(shè)計(jì)方案。通過(guò)數(shù)值仿真技術(shù)對(duì)該不銹鋼地鐵車(chē)進(jìn)行整車(chē)碰撞研究。

1 車(chē)體耐撞性設(shè)計(jì)理念

1.1 車(chē)體耐撞性設(shè)計(jì)理念

當(dāng)兩列車(chē)相撞時(shí)，兩列車(chē)頭車(chē)所吸收的能量應(yīng)占37.5%，其余一部分通過(guò)摩擦轉(zhuǎn)化成熱能，僅有很少一部分被后續(xù)車(chē)輛吸收，且不會(huì)損壞其他車(chē)［5－6］。根據(jù)地鐵端部司機(jī)室區(qū)間不長(zhǎng)、中間車(chē)體無(wú)通過(guò)臺(tái)、衛(wèi)生間等非乘客區(qū)域的特點(diǎn)，當(dāng)?shù)罔F車(chē)輛發(fā)生碰撞事故時(shí)，不能通過(guò)司機(jī)室和非乘客區(qū)域來(lái)耗散撞擊能量以保證客室區(qū)的完整。根據(jù)相關(guān)要求，地鐵頭車(chē)車(chē)體端部結(jié)構(gòu)中應(yīng)設(shè)有專(zhuān)用吸能結(jié)構(gòu)，能夠通過(guò)摩擦、屈曲和斷裂等形式耗散沖擊動(dòng)能，減少碰撞事故造成的損失，提高列車(chē)的被動(dòng)安全保護(hù)功能。當(dāng)滿(mǎn)載列車(chē)以一定速度(25Km·h－1)與另一列靜止?jié)M載列車(chē)發(fā)生碰撞時(shí)，車(chē)體端部專(zhuān)用吸能結(jié)構(gòu)發(fā)生可控有序的塑性變形來(lái)吸收沖擊動(dòng)能，以保證乘客區(qū)域無(wú)損壞。

1.2 車(chē)體耐撞性設(shè)計(jì)方案

根據(jù)前面闡述的地鐵車(chē)特點(diǎn)，車(chē)體耐撞性設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是在車(chē)體端部結(jié)構(gòu)中合理設(shè)置塑性變形區(qū)域，本文研究的不銹鋼地鐵車(chē)采用將吸能結(jié)構(gòu)與車(chē)體結(jié)構(gòu)集成在一起的整體承載式專(zhuān)用吸能結(jié)構(gòu)?？紤]到與吸能結(jié)構(gòu)相焊接的縱梁側(cè)面尺寸，該專(zhuān)用吸能結(jié)構(gòu)采用矩形方管的外形?？紤]到吸能結(jié)構(gòu)應(yīng)具有低觸發(fā)力的特性，該專(zhuān)用吸能結(jié)構(gòu)采用兩組對(duì)稱(chēng)開(kāi)孔的形式。吸能結(jié)構(gòu)開(kāi)孔數(shù)量不宜過(guò)多以滿(mǎn)足大塑性變形的要求，該專(zhuān)用吸能結(jié)構(gòu)開(kāi)孔共計(jì)六組。該不銹鋼點(diǎn)焊地鐵頭車(chē)的整體承載式專(zhuān)用吸能結(jié)構(gòu)如圖1所示，屬于典型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便、吸能效果顯著的整體承載式吸能結(jié)構(gòu)。

2 車(chē)體碰撞數(shù)值模型

車(chē)輛碰撞過(guò)程是包含幾何非線(xiàn)性、材料非線(xiàn)性和邊界非線(xiàn)性的復(fù)雜瞬態(tài)響應(yīng)過(guò)程。為了研究該整體承載式專(zhuān)用吸能結(jié)構(gòu)對(duì)不銹鋼點(diǎn)焊地鐵車(chē)輛被動(dòng)安全性能的影響，本文考慮到仿真軟件的兼容性，利用HYPERMESH軟件基于焊接圖紙和幾何模型建立編組列車(chē)有限元模型，采用PAMCRASH軟件對(duì)該編組列車(chē)的碰撞過(guò)程進(jìn)行模擬。

本文研究的不銹鋼點(diǎn)焊地鐵車(chē)輛采用首尾頭車(chē)、四節(jié)中間車(chē)的編組運(yùn)行模式。為真實(shí)地反映該不銹鋼點(diǎn)焊車(chē)輛的實(shí)際情況，對(duì)該車(chē)剛度及強(qiáng)度有貢獻(xiàn)的車(chē)體結(jié)構(gòu)均予以考慮。對(duì)于車(chē)體上的集中設(shè)備、吊掛件等一般采用質(zhì)量單元進(jìn)行模擬;四節(jié)點(diǎn)等參薄殼單元綜合考慮了構(gòu)件中間面上的彎曲剛度、平面剛度和曲率效應(yīng)，具有較高的計(jì)算精度，故車(chē)體結(jié)構(gòu)盡可能采用四節(jié)點(diǎn)等參單元模擬。圖2為頭車(chē)的有限元模型。

圖2 頭車(chē)車(chē)體有限元模型

3 整車(chē)的碰撞數(shù)值仿真

從反映車(chē)體變形的圖3可以看出，不銹鋼點(diǎn)焊車(chē)6節(jié)編組列車(chē)以25km·h－1的速度與另一輛靜止的6節(jié)編組列車(chē)面對(duì)面撞擊時(shí)，前端整體承載式吸能結(jié)構(gòu)相對(duì)車(chē)體其他結(jié)構(gòu)的彈性極限低，塑性變形區(qū)域?yàn)轭^車(chē)前端專(zhuān)用吸能結(jié)構(gòu)。說(shuō)明兩編組列車(chē)正面碰撞時(shí)，防爬器保障了兩車(chē)正撞，同時(shí)專(zhuān)用吸能結(jié)構(gòu)一直受到軸向沖擊力而發(fā)生大塑性變形吸收沖擊能量。

圖3 車(chē)體變形圖

圖4為編組列車(chē)碰撞過(guò)程的車(chē)體能量隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)圖，編組列車(chē)車(chē)體以25km·h－1的速度面對(duì)面撞擊過(guò)程中總能量保持恒定，在碰撞初始時(shí)刻的車(chē)體動(dòng)能為4756.63KJ，360ms時(shí)車(chē)體動(dòng)能為2984.64KJ，該過(guò)程中車(chē)體總吸能為2045.29KJ。圖5為整體承載式專(zhuān)用吸能結(jié)構(gòu)吸能隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)圖，前端專(zhuān)用吸能結(jié)構(gòu)吸能956.65KJ，占車(chē)體總吸能的46.8%。

圖4 車(chē)體能量－時(shí)間曲線(xiàn)

圖5 吸能結(jié)構(gòu)能量－時(shí)間曲線(xiàn)

4 結(jié)論

(1)綜上對(duì)地鐵車(chē)耐撞性設(shè)計(jì)理念進(jìn)行了闡述，在不銹鋼點(diǎn)焊地鐵車(chē)耐撞性設(shè)計(jì)中，應(yīng)采用整體承載式專(zhuān)用吸能結(jié)構(gòu)，在車(chē)體端部結(jié)構(gòu)中設(shè)置能發(fā)生可控有序的塑性變形結(jié)構(gòu)。(2)建立該不銹鋼點(diǎn)焊地鐵編組列車(chē)碰撞有限元模型，通過(guò)對(duì)編組列車(chē)碰撞的數(shù)值仿真分析表明，碰撞過(guò)程中46.8%沖擊能量轉(zhuǎn)化為整體承載式專(zhuān)用吸能結(jié)構(gòu)的塑性變形，該整體承載式專(zhuān)用吸能結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足吸收能量占沖擊能量37.5%的要求，該不銹鋼點(diǎn)焊地鐵車(chē)具有合理的變形模式和良好的能量吸收能力。

［1］程斌.軌道交通與城市交通可持續(xù)發(fā)展［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2001(1):109－112.

［2］黃志宏，許彥強(qiáng).不銹鋼車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真分析要點(diǎn)［J］.鐵道車(chē)輛，2012(6):14－18.

［3］田紅旗.客運(yùn)列車(chē)耐沖擊吸能車(chē)體設(shè)計(jì)方法［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2001(1):110－114.

［4］姚曙光，田紅旗.高速不銹鋼車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008(1):72－75.

［5］Lu G.耐碰撞車(chē)輛的能量吸收要求［J］.國(guó)外鐵道車(chē)輛，2006(3):8－13.

［6］Lu G.耐碰撞車(chē)輛的撞擊性能［J］.國(guó)外鐵道車(chē)輛，2005(5):26 －34.