李本懷

(中車長春軌道客車股份有限公司 工程實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130062)*

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軌道客車能量分配快速分析方法及應(yīng)用

李本懷

(中車長春軌道客車股份有限公司 工程實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130062)*

為實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)階段軌道客車吸能系統(tǒng)的快速設(shè)計(jì)，基于LS-DYNA的碰撞接觸分析技術(shù)，提出一種應(yīng)用剛體和非線性彈簧相結(jié)合的客車碰撞性能分析方法.該方法根據(jù)列車重量、吸能元件的壓潰力、可用壓潰空間等輸入?yún)?shù)，快速分析軌道客車的碰撞能量.采用該方法研究兩列6輛編組地鐵列車以25 km/h相對速度碰撞的能量分配問題，結(jié)果表明該方法對列車吸能系統(tǒng)能量分配高效可行.

軌道客車；吸能系統(tǒng)；碰撞；壓潰行程；能量分配

0 引言

隨著國內(nèi)城市化進(jìn)程的推進(jìn)，各大中型城市因軌道交通大容量、速度快和準(zhǔn)時(shí)的優(yōu)勢，相繼將軌道交通作為公共交通優(yōu)先發(fā)展[1].與此同時(shí)，車輛運(yùn)行安全性也備受關(guān)注[2].近年來，歐美、日本等發(fā)達(dá)國家列車被動(dòng)安全設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)成熟，根據(jù)相應(yīng)的事故研究和分析，制定了各自的碰撞法規(guī)[3].列車各界面的緩沖裝置的設(shè)計(jì)對列車整體碰撞有較大影響，英國OLEO公司和日本東京都開發(fā)了自己的一維碰撞仿真分析系統(tǒng)，用于車鉤緩沖、吸能裝置的設(shè)計(jì).國內(nèi)各鐵路院校及主機(jī)廠采用三維多車編組模型模擬了列車碰撞過程，對列車碰撞安全性能進(jìn)行研究[4].但在列車吸能方案的設(shè)計(jì)階段，三維分析模型規(guī)模大，計(jì)算時(shí)間長，無法滿足主機(jī)廠列車吸能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求.

基于上述原因，有必要對列車碰撞能量分配方法進(jìn)行深入研究.基于LS-DYNA的碰撞接觸分析技術(shù)[5]，本文提出一種應(yīng)用剛體和非線性彈簧進(jìn)行列車碰撞性能分析的方法，可在方案設(shè)計(jì)階段對列車各斷面的吸能量快速進(jìn)行預(yù)測，為列車車鉤、防爬器及吸能區(qū)所需的壓潰力和壓潰行程設(shè)計(jì)提供依據(jù).通過研究兩列6輛編組地鐵列車相對碰撞的能量分配，驗(yàn)證了該方法的實(shí)用性.

1 能量快速分配方法

能量快速分配方法的基本方程為：

式中:γ為相對體積；ρ為當(dāng)前質(zhì)量密度；ρ0初始質(zhì)量密度.

由于上述偏微分方程的非線性性質(zhì)和碰撞接觸問題邊界條件的復(fù)雜性，無法用解析法來求出精確解.有限元法是適用于求解上述問題的有效數(shù)值解法，其特點(diǎn)是首先建立和原問題基本方程及相應(yīng)定解條件相等效的積分提法，然后據(jù)此建立近似解法.如果原問題的方程具有某些特定的性質(zhì)，則它的等效積分提法可以歸結(jié)為某個(gè)泛函的變分，相應(yīng)的近似解法實(shí)際上是求解泛函的駐值問題.當(dāng)問題的微分方程和邊界條件已知，但是變分的泛函尚未找到或者根本不存在的情況，用伽遼金(Galerkin)法(即利用近似解的試探函數(shù)序列作為權(quán)函數(shù))來確定單元特性和建立求解方程.

基于碰撞接觸分析技術(shù)，利用剛體和非線性彈簧進(jìn)行列車碰撞能量的分配方法，能夠快速預(yù)測不同速度的軌道客車碰撞時(shí)，車輛端部吸能裝置的吸能狀態(tài)，指導(dǎo)吸能結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)也能驗(yàn)證軌道客車編組有限元模型碰撞仿真分析結(jié)果[6].能量快速分配方法的主要流程：

(1)模型建立：利用HYPERMESH軟件，建立車剛性模型、車鉤緩沖裝置模型(通過對彈簧單元的選取、力-行程曲線編輯和單元組合實(shí)現(xiàn)車鉤緩沖器和壓潰管的力學(xué)特性)、輪軌模型，主要包括車體重量信息、車體材料自由度狀態(tài)、模型單元信息、停放制動(dòng)信息、運(yùn)行輪軌信息等；

(2)施加列車自重：定義列車運(yùn)動(dòng)或停放制動(dòng)狀態(tài)列車的運(yùn)動(dòng)性能，包括運(yùn)動(dòng)和靜止列車的重力加速度，通過加速度曲線，施加列車垂向重力加速度，保持列車在運(yùn)動(dòng)過程中始終有自重存在;

(3)建立接觸：建立列車碰撞過程中各項(xiàng)接觸關(guān)系，運(yùn)動(dòng)列車內(nèi)部接觸、靜止列車內(nèi)部接觸、運(yùn)動(dòng)與靜止列車碰撞過程中接觸、輪軌停放制動(dòng)接觸和運(yùn)行接觸；

(4)定義運(yùn)動(dòng)列車初始碰撞速度：定義運(yùn)動(dòng)列車的初始狀態(tài)，根據(jù)碰撞標(biāo)準(zhǔn)要求，施加運(yùn)動(dòng)列車初始速度；

(5)定義輸出信息：設(shè)置列車碰撞終止時(shí)間，碰撞輸出步長、打開各項(xiàng)輸出信息開關(guān)，通過列車節(jié)點(diǎn)集合信息定義速度、加速度、位移信息，通過單元集合定義列車各斷面力-時(shí)間曲線、力-行程曲線，通過PART組定義各項(xiàng)能量輸出；

(6)輸出計(jì)算文件提交LS-DYNA平臺(tái)計(jì)算：輸出模型K文件，通過命令提交LS-DYNA進(jìn)行碰撞仿真計(jì)算；

(7)讀取計(jì)算結(jié)果信息：通過節(jié)點(diǎn)輸出文件讀取速度、減速度、位移信息，判定列車碰撞后是否達(dá)到相同速度(列車吸能結(jié)束)，列車各部位減速度是否滿足要求，兩列列車達(dá)到相同速度時(shí)行走距離等；通過單元輸出文件讀取列車碰撞過程中力-時(shí)間曲線，力-行程曲線，判定列車車鉤及緩沖裝置力和行程是否在許用范圍；通過能量輸出文件讀取列車動(dòng)能、內(nèi)能、摩擦耗能及各緩沖裝置吸能情況.依據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析判斷，如果滿足設(shè)計(jì)要求，分析結(jié)束，如果無法滿足設(shè)計(jì)要求返回(1)步修改設(shè)計(jì)參數(shù)重新計(jì)算.

2 工程應(yīng)用

采用上述快速分配方法研究兩列6輛編組地鐵列車碰撞能量分配問題.列車采用4M2Tc 6輛編組，即：+Tc**M*M*M*M**Tc+，其中M重35 t，Tc重33 t，兩列碰撞編組模型等效形式為+Tc**M*M*M*M**Tc++Tc**M*M*M*M**Tc+，車輛與軌道間摩擦系數(shù)停放制動(dòng)狀態(tài)為0.12，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為0.002，車鉤吸能參數(shù)見表1所示[6](“+”表示為全自動(dòng)車鉤；“**”表示為雙壓潰管半永久牽引桿;“*”表示為單壓潰管半永久牽引桿).

表1 編組列車車鉤吸能參數(shù)

軌道客車碰撞吸能模型中，列車沿縱向自由度運(yùn)動(dòng)；軌道和車體采用剛體模型，車鉤通過彈簧單元等效模擬，通過列車間各斷面的能量吸收狀態(tài)確定壓潰力及行程[6].通過加速度曲線施加列車垂向重力加速度9 800 mm/s2，保持列車在運(yùn)動(dòng)過程中始終有自重存在.模型中的接觸包括：運(yùn)動(dòng)和靜止列車的內(nèi)部自接觸、靜止列車與運(yùn)動(dòng)列車之間的接觸、列車與軌道間接觸.列車碰撞分析的終止時(shí)間為2 s，結(jié)果輸出步長為0.01 s.通過列車節(jié)點(diǎn)集合信息輸出速度、減速度、位移信息，通過單元集合輸出列車各斷面力-時(shí)間曲線、力-行程曲線，通過PART組輸出能量-時(shí)間曲線，輸出信息的節(jié)點(diǎn)和單元如表2和表3所示.

兩列車以25 km/h相對速度相撞時(shí)，車鉤緩沖器、壓潰管及防爬器全部參與吸能.依據(jù)表1可知，運(yùn)動(dòng)列車和靜止列車第一斷面行程為1 470 mm，即：兩個(gè)緩沖器110 mm，兩個(gè)壓潰管660 mm，兩個(gè)防爬器700 mm；運(yùn)動(dòng)列車和靜止列車第二、六斷面行程為510 mm，即兩個(gè)緩沖器110 mm，兩個(gè)壓潰管400 mm；運(yùn)動(dòng)列車和靜止列車第三、四、五斷面行程為310 mm，即兩個(gè)緩沖器110 mm，一個(gè)壓潰管200 mm.由圖1可知列車碰撞過程中運(yùn)動(dòng)列車和靜止列車第一斷面壓潰行程為1 432 mm，可知緩沖器、壓潰管壓潰完全，防爬器壓潰行程為331 mm，未超出最大壓縮行程350 mm；由圖2可知，運(yùn)動(dòng)列車和靜止列車第二斷面車鉤壓潰行程分別壓縮463 mm和457 mm，未超出車鉤最大壓縮行程510 mm；由圖3可知，運(yùn)動(dòng)列車和靜止列車第三段面車鉤壓潰行程分別壓縮148和146 mm，未超出車鉤最大壓縮行程310 mm，滿足設(shè)計(jì)要求.在0.78 s時(shí)，各列車速度曲線交匯成一條曲線，說明列車各車輛達(dá)到共同速度，吸能結(jié)束，如圖4所示.車輛吸能裝置完成吸能，剩余能量將由制動(dòng)摩擦吸收.在0.78 s時(shí)，各車輛位移曲線斜率相同，兩輛列車以共同速度運(yùn)行，列車達(dá)到共同速度，如圖5所示.

表2 輸出速度和位移信息的節(jié)點(diǎn)

表3 輸出車鉤吸能信息的單元

圖1 第一斷面行程-時(shí)間變化曲線圖

圖2 第二斷面車鉤行程-時(shí)間變化曲線

圖3 第三、四、五、六斷面車鉤行程-時(shí)間變化曲線

圖4 各車輛速度-時(shí)間變化曲線

圖5 各車輛位移-時(shí)間變化曲線

兩列車以25 km/h相對速度相撞時(shí)，前端車鉤在0.3 s時(shí)剪斷，防爬器接觸，防爬器壓潰管開始吸能，列車總動(dòng)能由4.47 MJ變?yōu)?.25 MJ，共吸能約2.22 MJ，如圖6～圖8所示.

圖6 列車動(dòng)能-時(shí)間變化曲線

圖7 列車內(nèi)能-時(shí)間變化曲線

圖8 滑移能-時(shí)間變化曲線

3 結(jié)論

(1)基于碰撞接觸分析技術(shù)，提出一種適用于軌道客車吸能系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段的能量分配分析方法.該方法的應(yīng)用將縮短吸能系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)周

期，為后續(xù)編組列車有限元結(jié)構(gòu)大變形碰撞接觸分析條件提供理論依據(jù)；

(2)兩列6輛編組地鐵以25 km/h相對速度相撞時(shí)，在0.3 s時(shí)前端車鉤剪斷，防爬器接觸，其壓潰管開始吸能，共吸能約2 200 kJ；在0.78 s吸能結(jié)束時(shí)，車鉤緩沖器、壓潰管及防爬器都沒有超出最大行程，各車輛以共同速度運(yùn)行.

[1]王文斌，康康，趙洪倫．列車耐碰撞系統(tǒng)有限元和多體動(dòng)力學(xué)聯(lián)合仿真[J]．同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，39(10)：1552- 1556.

[2]ALEXANDER SCHOLES(英)．歐洲鐵路碰撞技術(shù)的開發(fā)[J]．國外鐵道車輛，1998(1)：23- 26.

[3]BRAUN JOHANNES，陳銘.有軌電車和輕軌車輛的防碰撞性[J].國外鐵道車輛，2005,42(5)：39- 41.

[4]李健，沈鋼．列車防碰撞裝置及動(dòng)力學(xué)仿真[J]．鐵道車輛，2001，39(7):5- 8.

[5]趙海鷗.LS-DYNA動(dòng)力分析指南[M].北京：兵工業(yè)出版社，2003.

[6]李本懷，王科飛，李成林．B型不銹鋼地鐵碰撞吸能研究 [C]．第八屆中國智能交通年會(huì)論文集，2013.

Fast Analysis Method of Impact Energy Distribution for Railway Vehicle

LI Benhuai

(CRRC Changchun Railway Vehicle Co.，Ltd,Changchun 130062,China)

Based on LS-DYNA collision analysis technology, an approach energy distribution analysis method is proposed for railway vehicle at design stage. It can quickly match energy distribution scheme for vehicles when their weight, crushing force and stroke of energy absorbers are known. A six-units train with velocity of 25 km/h impacting a six-units static train will be calculated for their vehicles energy distribution by the method. The analysis results show that the method is feasible and effective.

railway vehicle; energy absorber; crashworthiness; crush stroke; energy distribution

1673- 9590(2017)01- 0026- 04

2016- 05- 13

高速列車譜系化技術(shù)平臺(tái)及系列車型研制項(xiàng)目(2012AA112002)

李本懷(1978-)，男，高級工程師，碩士，主要從事車輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、疲勞、碰撞方面的研究

E-mail:lbh1008@163.com.

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