修瑞仙 劉艷文 潘佳星

(1.長(zhǎng)春師范大學(xué)工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130021; 2.中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司，吉林長(zhǎng)春 130062)

軌道交通車(chē)輛吸能裝置耐撞性研究★

修瑞仙1劉艷文2潘佳星1

(1.長(zhǎng)春師范大學(xué)工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130021; 2.中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司，吉林長(zhǎng)春 130062)

根據(jù)金屬壓縮破壞過(guò)程消耗能量的原理，設(shè)計(jì)出三種具有誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)、變形模式為漸進(jìn)疊縮變形的壓潰式吸能元件，通過(guò)比較各吸能元件的吸能指標(biāo)，確定了最優(yōu)方案，并對(duì)其進(jìn)行了功能驗(yàn)證，指出所設(shè)計(jì)的防爬吸能裝置變形穩(wěn)定有序，吸能過(guò)程平穩(wěn)，具有良好的耐撞性。

吸能元件，耐撞性，LS-DYNA，HYPERMESH

隨著我國(guó)軌道交通的飛速發(fā)展，人們對(duì)軌道車(chē)輛的運(yùn)行安全性提出了更高要求。雖然采用主動(dòng)安全保護(hù)措施可減少列車(chē)碰撞事故，但在實(shí)際營(yíng)運(yùn)過(guò)程中，各種形式的人為錯(cuò)誤和運(yùn)行環(huán)境的突然變化都可造成碰撞事故的發(fā)生［1］。因此，開(kāi)發(fā)一種在碰撞事故發(fā)生時(shí)能最大限度地保護(hù)乘客的生命和財(cái)產(chǎn)安全的耐撞性車(chē)體(即在車(chē)端安裝吸能裝置)，對(duì)提高列車(chē)運(yùn)營(yíng)安全性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文根據(jù)金屬壓縮破壞過(guò)程消耗能量的原理，設(shè)計(jì)出三種結(jié)構(gòu)形式的吸能元件，通過(guò)LS-DYNA軟件計(jì)算各吸能元件的吸能指標(biāo)，通過(guò)比較確定最優(yōu)方案。并對(duì)最優(yōu)方案的吸能元件進(jìn)行功能驗(yàn)證，確定其在碰撞事故發(fā)生時(shí)能有效發(fā)揮作用。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 薄壁金屬結(jié)構(gòu)的吸能元件變形模式

從吸能特性角度，可將軸向載荷作用下的薄壁結(jié)構(gòu)變形模式分為三種:

1)漸進(jìn)疊縮變形模式是吸能元件從一端有序的逐一折疊壓縮向另一端發(fā)生塑性變形，是一種變形穩(wěn)定的模式;2)Euler變形模式是吸能元件受外力作用，先從構(gòu)件中部開(kāi)始發(fā)生塑性變形，隨著塑性變形的不斷變化，會(huì)在中部產(chǎn)生很大橫向位移，車(chē)輛碰撞仿真實(shí)驗(yàn)要避免該模式的發(fā)生;3)混合變形模式是初始階段為漸進(jìn)疊縮變形，隨后轉(zhuǎn)為Euler變形。

從上述可以看出，吸能結(jié)構(gòu)優(yōu)先選取的模式為漸進(jìn)疊縮變形，避免Euler變形和混合變形的發(fā)生。

1.2 薄壁矩形管的吸能特性

一些研究表明，薄壁矩形管、薄壁圓管、薄壁方形管和正六邊形管在受到軸向沖擊時(shí)，薄壁矩形管形成塑性較少，所以其撞擊力波動(dòng)幅度大;但是研究還表明矩形管的變形比較穩(wěn)定，適用于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，變形難以預(yù)測(cè)的大變形結(jié)構(gòu)中。

1.3 具有誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)的薄壁吸能結(jié)構(gòu)

在采用薄壁金屬結(jié)構(gòu)的吸能元件中，設(shè)計(jì)一些誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)，可避免Euler變形和混合變形發(fā)生，減小褶皺時(shí)最大軸壓力的峰值。這樣誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)既可保證吸能元件穩(wěn)定有序的發(fā)生漸進(jìn)疊縮式塑性變形，又可降低其他部件所受的沖擊載荷。

本文設(shè)計(jì)的吸能元件為具有誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)的、變形模式為漸進(jìn)疊縮變形的壓潰式吸能元件。

2 吸能元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及吸能特性研究

2.1 吸能元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

壓潰式吸能元件通常采用薄壁金屬結(jié)構(gòu)，具有制造工藝簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性、互換性、可大批量制造、吸能效率高的特點(diǎn)。可通過(guò)調(diào)整金屬元件的參數(shù)來(lái)改變吸能特性和吸能能量，廣泛應(yīng)用于所有交通工具的吸收碰撞動(dòng)能系統(tǒng)中。本文設(shè)計(jì)的吸能元件應(yīng)用于壓潰式吸能裝置，通過(guò)對(duì)薄壁金屬相關(guān)文獻(xiàn)的調(diào)研，決定只研究軸向沖擊載荷對(duì)采用薄壁金屬結(jié)構(gòu)吸能裝置的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性［2］，吸能元件設(shè)計(jì)方案如表1所示。

表1 吸能元件設(shè)計(jì)方案 mm

2.2 吸能特性研究

將3種吸能元件經(jīng)過(guò)HYPERMESH處理后導(dǎo)入到LS-DYNA中進(jìn)行碰撞動(dòng)態(tài)模擬仿真，將得到的吸能指標(biāo)結(jié)果加以整理，如表2所示。并且以第一種方案的吸能指標(biāo)為基準(zhǔn)，比較各設(shè)計(jì)方案的吸能特性?xún)?yōu)劣，最后選取性能最好的吸能元件。圖1給出LS-DYNA對(duì)吸能元件進(jìn)行碰撞動(dòng)態(tài)模擬仿真的有限元模型，對(duì)剛性墻施加1 m/s速度載荷向吸能元件進(jìn)行壓縮，仿真時(shí)間0.35 s。

根據(jù)吸能特性評(píng)價(jià)指標(biāo)的論述，吸能元件比吸能越大，緩沖指數(shù)越小，元件吸收的能量越多，吸能元件在整個(gè)漸進(jìn)疊縮變形過(guò)程中越平穩(wěn)，碰撞對(duì)乘客的傷害就越小。因此，要想確定最優(yōu)的吸能元件設(shè)計(jì)方案，只需比較各設(shè)計(jì)方案吸能特性評(píng)價(jià)指標(biāo)中的比吸能、緩沖指數(shù)這兩項(xiàng)即可。表2給出了各設(shè)計(jì)方案的吸能指標(biāo)，由表2可知，方案3相比于其他2種方案，比吸能最大，單位質(zhì)量?jī)?nèi)吸收的能量最多，而經(jīng)過(guò)LS-DYNA碰撞動(dòng)態(tài)模擬仿真驗(yàn)證，方案3的吸能元件在整個(gè)漸進(jìn)疊縮變形過(guò)程中變形平穩(wěn)，緩沖指數(shù)滿(mǎn)足要求。所以，第3種設(shè)計(jì)方案為最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)方案3吸能元件變形圖如圖2所示，吸能、軸壓力隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖3，圖4所示。

表2 吸能元件各設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)

圖1 吸能元件仿真模型（以吸能元件1為例）

圖2 設(shè)計(jì)方案3吸能元件變形圖

圖3 設(shè)計(jì)方案3吸能元件吸能—時(shí)間變化曲線(xiàn)

圖4 設(shè)計(jì)方案3吸能元件軸壓力—時(shí)間變化曲線(xiàn)

3 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)比較3種吸能元件的設(shè)計(jì)方案吸能特性，確定第3種為最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

2)仿真結(jié)果表明設(shè)計(jì)吸能元件破壞變形過(guò)程十分穩(wěn)定有序，吸能性能良好。

［1］雷 成，肖守訥，羅世輝.基于顯式有限元的高速列車(chē)吸能裝置吸能原理研究［J］.鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛，2012，32(2):1-5.

［2］謝素超.耐沖擊地鐵車(chē)輛吸能結(jié)構(gòu)研究［D］.長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，2007.

［3］單其雨，肖守訥，陽(yáng)光武.車(chē)輛吸能裝置結(jié)構(gòu)的耐碰撞性研究［J］.鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛，2009，29(6):7-9.

［4］陳秉智，車(chē)全偉，謝素明，等.上海地鐵6-8號(hào)線(xiàn)吸能結(jié)構(gòu)的抗撞性?xún)?yōu)化［J］.大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011(4):6-10.

［5］張志新，田愛(ài)琴，車(chē)全偉，等.高速列車(chē)車(chē)體端部吸能結(jié)構(gòu)研究［J］.機(jī)車(chē)電傳動(dòng)，2013(1):43-47.

［6］劉艷文，肖守訥，張志新，等.軌道車(chē)輛新型組合結(jié)構(gòu)吸能裝置耐碰撞性分析［J］.計(jì)算機(jī)輔助工程，2012，21(5):6-10.

［7］王文斌，趙洪倫.車(chē)輛乘員碰撞安全防護(hù)研究［J］.鐵道車(chē)輛，2006，44(11):5-8.

［8］王文斌，張光偉.高速列車(chē)座椅間距對(duì)乘員二次碰撞傷害的影響［J］.計(jì)算機(jī)輔助工程，2008，17(2):1-3.

［9］劉金朝，王成國(guó).城市軌道車(chē)輛防碰撞性研究［J］.現(xiàn)代城市軌道交通，2005(2):36-40.

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

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

［12］房加志.鐵道車(chē)輛碰撞以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化的仿真研究［D］.北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文，2005.

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

Research on secondary collision safety of railway sleeper vehicle passen

Xiu Ruixian1Liu Yanwen2Pan Jiaxing1
(1.College of Engineering，Changchun Normal University，Changchun 130021，China; 2.Zhongche Changchun Rail Transit Passenger Car Co.，Ltd，Changchun 130062，China)

According to energy consumption principles of metal compression failure process，the paper designs three kinds of gradually telescope deformation conquassation-style energy absorption components with induced structure and deformation pattern，determines optimal scheme through comparing their energy absorption index，and testifies its functions，and finally points out that:the designed anti-climb energy-absorption device deformation is stable and orderly with stable energy absorption process and good crashworthiness.

energy absorption components，crashworthiness，LS-DYNA，HYPERMESH

U264.7

:A

1009-6825(2016)36-0152-02

2016-10-17 ★:長(zhǎng)春師范大學(xué)自然科學(xué)基金項(xiàng)目(長(zhǎng)師大自科合字［2014］第008號(hào))

修瑞仙(1987-)，女，講師