敖建安，徐元志，陳秉智

(1.中車大連機(jī)車車輛有限公司，遼寧 大連 116028;2.大連交通大學(xué) 機(jī)車車輛工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

進(jìn)入21世紀(jì)以來，經(jīng)濟(jì)發(fā)展較好的大城市已經(jīng)將城市軌道交通作為發(fā)展的重點(diǎn)[1].到2017年底，中國內(nèi)地?fù)碛械罔F系統(tǒng)的城市有34座，總運(yùn)營里程達(dá)到了5 053 km，新增運(yùn)營里程超過800km[2-3].地鐵運(yùn)能大、速度高等特點(diǎn)也導(dǎo)致碰撞事故中人員傷亡嚴(yán)重，列車的被動(dòng)安全防護(hù)問題研究有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義與工程應(yīng)用價(jià)值[4].

有限元分析的優(yōu)點(diǎn)是可以獲得碰撞后的結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力，缺點(diǎn)也很明顯：由于碰撞元件的材料與幾何的強(qiáng)非線性和接觸計(jì)算搜索等因素，被動(dòng)安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)與耐碰撞性能評價(jià)都需要很長時(shí)間，這違背了企業(yè)在車輛概念設(shè)計(jì)和方案設(shè)計(jì)中快速有效的要求.而多剛體動(dòng)力學(xué)在列車系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析中具有很強(qiáng)的優(yōu)勢，但碰撞接觸部位的變形及其非線性剛度等無法準(zhǔn)確計(jì)算[5-7].因此本文提出聯(lián)合非線性有限元和多剛體動(dòng)力學(xué)的方法，在設(shè)計(jì)的初始階段進(jìn)行鉤緩裝置的快速匹配優(yōu)化，從而保障列車被動(dòng)安全.

1 聯(lián)合設(shè)計(jì)仿真的方法及流程

本文采用多剛體動(dòng)力學(xué)和非線性有限元協(xié)同仿真分析列車中低速碰撞的安全性.首先通過撞擊剛性墻獲得到車體結(jié)構(gòu)的力-變形特性，然后采用多剛體動(dòng)力學(xué)方法，通過力元模擬來實(shí)現(xiàn)各節(jié)車輛之間的連接，將車體結(jié)構(gòu)和鉤緩裝置的力-變形特性作為力元的剛度曲線，并模擬碰撞條件下兩列地鐵的整體運(yùn)動(dòng)特性.在建模過程中，通過不斷調(diào)整列車的一些結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高計(jì)算精度，并通過碰撞后各節(jié)車的碰撞加速度等信息評估乘員安全性.

在列車設(shè)計(jì)時(shí)通?？紤]結(jié)構(gòu)的耐撞性要求，以確保在發(fā)生碰撞時(shí)，吸能部件發(fā)生有序、可控的結(jié)構(gòu)變形，通過這種方式，最大限度地消耗碰撞動(dòng)能，確保乘客生存空間為此車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度通常設(shè)計(jì)為兩頭弱中間強(qiáng)的形式[8-10].本文運(yùn)用有限元分析軟件Hypermesh建立第一節(jié)車、中間車模型，然后使用碰撞分析軟件PAM-CRASH分析第一節(jié)車、中間車以36 km/h撞擊剛性墻，從而獲得第一節(jié)車和中間車端部的力-變形曲線.頭車與中間車模型見下圖1、圖2.車體端部力-位移簡化曲線見圖3.

圖1 頭車撞擊剛性墻模型

圖2 中間車撞擊剛性墻模型

(a)頭車端部力學(xué)特性簡化曲線

2 車輛動(dòng)力學(xué)模型的建立與仿真

2.1 動(dòng)力學(xué)模型的建立

本文使用的模型為6輛編組的B型鋁合金地鐵車.頭車采用全自動(dòng)車鉤，中間車使用半永久車鉤.

利用多剛體動(dòng)力學(xué)軟件Simpack建立兩列地鐵車縱向碰撞動(dòng)力學(xué)模型，每節(jié)車輛模型均包括車體、轉(zhuǎn)向架、輪對、一系懸掛和二系懸掛.地鐵列車的主要參數(shù)見表1.

表1 車輛主要計(jì)算參數(shù)

碰撞時(shí)頭車吸能順序見圖4.首先頭車車鉤接觸，緩沖器和壓潰管開始吸收能量，當(dāng)壓潰管被完全壓縮，碰撞力觸發(fā)剪切裝置的閾值后，車鉤脫落，車鉤空走一段行程，隨后防爬器嚙合，吸能結(jié)構(gòu)開始吸能，碰撞過程中應(yīng)盡量避免撞擊力峰值超過車體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度[11-14].

圖4 吸能順序圖

列車車身由剛體模擬，并且車鉤中的緩沖器和壓潰管等吸能部件串聯(lián)使用，本文通過力元將緩沖器和壓潰管力-位移曲線整合，車鉤緩沖裝置性能曲線作為其力學(xué)參數(shù).全自動(dòng)車鉤和半永久車鉤的力-變形曲線如圖5、圖6 所示.在仿真分析中將頭車緩沖器、壓潰管與防爬吸能裝置力-位移曲線擬合為一條曲線.

圖5 全自動(dòng)車鉤力學(xué)性能曲線

圖6 半永久車鉤力學(xué)性能曲線

2.2 動(dòng)力學(xué)模型的仿真

2.2.1 列車在中低速的碰撞模擬

根據(jù)歐洲EN15227：2010標(biāo)準(zhǔn)，本文中的地鐵車輛防撞性設(shè)計(jì)類別屬于C-II，與之相對應(yīng)的工況為兩列相同編組列車，運(yùn)動(dòng)地鐵列車以25km/h(6.94 m/s)的速度撞擊另一列編組靜止列車，如圖7 所示.從圖8可以看出，碰撞過程中主動(dòng)列車的速度依次逐漸減小與此同時(shí)靜止列車的速度依次逐漸增大，在840 ms左右兩車共速(3.5 m/s).列車之間的速度滯后變化規(guī)律是由于吸能結(jié)構(gòu)的作用造成的.由于緩沖器的反復(fù)壓縮和拉伸造成兩列車共速之后出現(xiàn)震蕩.

圖7 列車碰撞示意圖

圖8 速度變化曲線

圖9給出了A1-B1界面的車鉤力-變形曲線.每個(gè)界面最大撞擊力、緩沖器、壓潰管和客車主體結(jié)構(gòu)的變形情況如表2所示，可以看出碰撞發(fā)生后界面最大撞擊力由碰撞界面向兩側(cè)逐漸減小，運(yùn)動(dòng)列車的最大界面力基本等于靜止列車對應(yīng)界面的界面力，A1、A2、A3車、B1、B2、B3車輛的前端吸能裝置已經(jīng)完全壓潰，客車主體結(jié)構(gòu)遭到破壞，其中A1-B1界面防爬吸能裝置662 mm行程已經(jīng)完全壓潰，客車車體發(fā)生82 mm變形，A2-A1界面車廂主體產(chǎn)生73 mm變形，A3-A2界面車廂主體產(chǎn)生39 mm變形，B2-B1界面車廂主體產(chǎn)生71 mm變形，B3-B2界面車廂主體產(chǎn)生35 mm變形，A4、B4車前端緩沖器被完全壓死，壓潰管發(fā)生作用但并沒有完全壓潰.A5、A6、B5、B6車前端只有緩沖器發(fā)生作用.在該條件的碰撞中，列車能量主要由前三節(jié)車的吸能裝置吸收.通過對比發(fā)現(xiàn)，以碰撞界面為對稱面，運(yùn)動(dòng)列車和對應(yīng)靜止列車的速度，各界面的最大界面力，吸能部件的變形量基本一致.

表2 最大界面力與變形情況

圖9 A1-B1界面力-位移曲線

各節(jié)車最大平均加速度統(tǒng)計(jì)如圖10，可以看出列車的最大平均加速度從頭車到末車逐漸減小，這是因?yàn)榱熊嚺鲎策^程中能量隨著吸能裝置的變形而耗散；A1、A2、、B1、B2列車的最大平均加速度均超過或接近了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的5g(重力加速度)，由于這三節(jié)車的吸能結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全失效，車體都發(fā)生一定程度的變形，因此需要合理配置吸能部件以減小加速度和車廂主體變形.

圖10 各車最大加速度

2.2.2 吸能部件的改進(jìn)優(yōu)化

為了減少車廂主體結(jié)構(gòu)的破壞以及對乘客的人身傷害，有必要合理配置各節(jié)列車能量吸收部件.本文采取增加列車防爬器吸能管行程與穩(wěn)態(tài)壓潰力，增加半永久車鉤壓潰管行程的方法.吸能部件參數(shù)變化見表3.

表3 吸能部件參數(shù)變化

改動(dòng)之后的計(jì)算結(jié)果見圖11及表4，通過表4可以看出，碰撞過程中能量完全被吸能部件吸收，客車主體結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變形，其中A1-B1界面防爬吸能管壓潰738 mm，基本完全變形，A2-A1、B2-B2界面車鉤壓潰管變形量分別為287與285 mm，沒有完全壓潰；A3-A2、B3-B2界面車鉤壓潰管分別為84與70 mm，沒有完全壓潰；前三節(jié)車的最大界面力相比改進(jìn)之前的吸能部件方案也大大減少，其中A1-B1界面最大界面力下降最大，為798 kN.

圖11 A1-B1界面力-位移曲線

表4 最大界面力與變形情況

各節(jié)車最大平均加速度統(tǒng)計(jì)如下圖12.碰撞發(fā)生后最大平均加速度發(fā)生在A1車，為36.31m/s2約為3.70 g<5 g,符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定.

圖12 各車最大平均加速度

通過以上分析可以得知：該能量吸收部件的優(yōu)化方案是可行的，達(dá)到了避免列車車廂主體結(jié)構(gòu)變形和減小列車最大加速度以保護(hù)乘客安全的目的.

3 結(jié)論

本文通過聯(lián)合仿真的方法在建立完整的兩列車三維動(dòng)力學(xué)模型和吸能部件模型的基礎(chǔ)上，基于 EN15227:2010標(biāo)準(zhǔn)，研究兩列地鐵車以25km/h的速度發(fā)生碰撞，可以得出以下結(jié)論：

(1)協(xié)同仿真方法可用于模擬列車碰撞和車輛的被動(dòng)安全設(shè)計(jì).該方法可以有效地減少列車設(shè)計(jì)階段的所花費(fèi)的計(jì)算分析時(shí)間;

(2)在能量吸收部件的初始配置中，能量吸收部件在列車碰撞后穩(wěn)定且有序地變形.然而能量吸收部件的能量吸收能力較小，碰撞能量不能及時(shí)吸收，導(dǎo)致前三節(jié)車的主體結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變形，最大加速度超過規(guī)定值，對乘客的安全產(chǎn)生威脅;

(3)通過增加頭車防爬吸能管的長度與穩(wěn)定壓潰力、增加第二節(jié)車壓潰管長度的吸能部件優(yōu)化方案是可行的.可以有效地保持車廂主體結(jié)構(gòu)的完整性并保護(hù)乘客人身安全.