王 暉，李 寧，姜焙晨，田 凱

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司國家工程技術(shù)研究中心，山東 青島266111)

為確保列車碰撞安全性能，在撞擊事故中最大限度保護(hù)乘員生命安全。在列車的首尾車司機(jī)室端部底架設(shè)置防爬裝置、吸能構(gòu)件和撞擊能量吸收區(qū)，以防止兩列車發(fā)生沖撞時產(chǎn)生爬疊，可控有序地通過塑性變形吸收大量的碰撞能量，保持救生空間結(jié)構(gòu)完整，是實現(xiàn)車輛被動安全保護(hù)技術(shù)的一項重要手段[1-2]。目前，許多研究學(xué)者采取仿真評估與試驗驗證評估各種吸能結(jié)構(gòu)用于提高車輛的耐撞特性。肖守訥等[2]對用于耐碰撞車體的不同壁厚的圓管吸能元件的吸能特性進(jìn)行了實驗和數(shù)值仿真分析;高廣軍等[3]對圓管、方管、蜂窩及組合形式等6種吸能結(jié)構(gòu)進(jìn)行了碰撞分析，獲得了其變形模式、撞擊力、吸能量等一系列參數(shù);謝素超等[4-5]對地鐵用鋁合金方管組合的吸能部件分別進(jìn)行了臺車撞擊試驗和數(shù)值仿真計算;劉鳳剛等[6]設(shè)計了一種壓潰式吸能結(jié)構(gòu)，并通過試驗和數(shù)值計算研究其吸能特性;劉俊[7]設(shè)計了泡沫鋁填充的方管和圓管吸能結(jié)構(gòu)，并對其吸能特性進(jìn)行了數(shù)值仿真計算。因為軌道車輛碰撞試驗是典型的破壞性試驗，成本高且整備周期長，而仿真計算是可重復(fù)的技術(shù)手段，成本低且易于復(fù)現(xiàn)，但仿真模擬與實際試驗結(jié)果存在差異，因此仿真試驗對標(biāo)技術(shù)是仿真技術(shù)研究的重點工作。本文基于軌道車輛防爬器碰撞試驗結(jié)果，運用顯示有限元分析軟件Hypermesh/Ls-dyna進(jìn)行仿真計算，研究其吸能特性。針對材料加工成形過程中的塑性應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)、倒角區(qū)域網(wǎng)格畸變、蜂窩鋁材料曲線修正、接觸穿透量調(diào)整等關(guān)鍵影響因素對仿真模型進(jìn)行修正，形成4種修正方案。仿真計算結(jié)果與試驗結(jié)果對標(biāo)表明，修正模型的仿真計算精度較原模型有所提高，其中采用方案4的改進(jìn)效果最為明顯，與試驗結(jié)果最為接近。

1 防爬器仿真模型建立

1.1 模型網(wǎng)格劃分

基于Hypermesh前處理平臺對防爬器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，殼單元采用16號全積分殼公式，沿厚度方向設(shè)置3個積分點。實體單元采用1號減縮積分公式。防爬器模型網(wǎng)格質(zhì)量檢查結(jié)果見表1，有限元模型示于圖1。

圖1 防爬器有限元模型

1.2 碰撞工況的設(shè)置

根據(jù)甲方提供的試驗資料，碰撞條件設(shè)置如下：

(1)防爬器配重5.3噸。

(2)設(shè)定防爬器初速度25.9km/h。

(3)在防爬器前端定義剛性墻。

1.3 主要材料參數(shù)設(shè)置

1.3.1 金屬結(jié)構(gòu)件材料模型

部分含應(yīng)變率效應(yīng)的材料甲方提供了MAT15號JOHNSON-COOK模型參數(shù)，根據(jù)公式(1)將表2中材料的參數(shù)賦予設(shè)計圖的各有關(guān)零部件。圖2是Q310的材料卡片。

圖2 Q310材料卡片

其他零部件如安裝板、筋板采用MAT15_Q355材料，防爬齒采用MAT24_Q310材料，防爬齒安裝板采用MAT24_Q355材料。

1.3.2蜂窩鋁材料模型

蜂窩鋁采用實體單元模擬，材料類型選擇MAT126號蜂窩鋁材料。表3是材料參數(shù)，圖3是蜂窩鋁材料卡片，圖4是蜂窩鋁的材料曲線。

圖3 蜂窩鋁材料卡片

圖4 蜂窩鋁材料曲線

表3 蜂窩鋁的材料參數(shù)

2 仿真分析結(jié)果試驗對標(biāo)

按碰撞試驗獲得的數(shù)據(jù)，就防爬器變形狀態(tài)、臺車的位移、速度、加速度和剛性墻碰撞力諸項作對比分析。

2.1 防爬器變形量

圖5顯示防爬吸能器在碰撞過程中的變形狀態(tài)，試驗和仿真結(jié)果的對比。碰撞初期，間隔為100mm的方管逐漸壓潰，仿真分析的變形形態(tài)與試驗結(jié)果吻合得較好。45ms左右仿真分析的變形形態(tài)與試驗結(jié)果開始有些差別，在后端產(chǎn)生了變形，仿真結(jié)果壓潰略多一些。變形發(fā)展到85ms試驗的壓潰順序還是正常的，而仿真的最后一節(jié)已經(jīng)壓潰。85ms-150ms范圍時試驗的變形失去了連續(xù)漸進(jìn)壓潰的特征，變形發(fā)展到150ms左右模型開始回彈，此時可以看出試驗的最后一段已完全變形，而仿真的變形保持了連續(xù)漸進(jìn)壓潰的特征，剩余一段一直沒有被壓潰。

圖5 吸能件碰撞變形過程

圖6為防爬器碰撞仿真與試驗對比，可以看出，X向位移曲線在40ms之前吻合較好。在之后的時間兩條曲線逐漸分離，仿真的位移比試驗的大，存在的差異越來越大。最大位移達(dá)到572mm，比試驗值527mm偏大8.5%。試驗顯示大約150ms開始回彈，這與高速攝像觀察到的一致。

圖6 臺車位移

2.2 臺車速度

如圖7所示，X向速度曲線在40ms之前有較好的吻合，在之后的時間里曲線存在的差異越來越大。試驗結(jié)果顯示在150ms左右速度歸零，即碰撞結(jié)束開始回彈，仿真結(jié)果顯示速度歸零在略微靠后一點的時間。

圖7 臺車速度

2.3 加速度

圖8顯示的是加速度經(jīng)60Hz濾波的曲線，試驗結(jié)果含有振幅較強(qiáng)的波形，而仿真的結(jié)果比較平穩(wěn)。60ms前兩者波形雖有差別，但是就加速度的平均值而言兩者比較接近。60-80ms仿真值偏低，80-120ms仿真值偏高，直到150ms左右反彈。

2.4 碰撞力

圖9顯示剛性墻碰撞力的對比。40ms前碰撞力的波形相仿，仿真的結(jié)果略為弱一些。50-90ms的過程試驗出現(xiàn)了三個波峰，節(jié)距65mm的后段被壓潰，仿真值低了很多。100-160ms時間內(nèi)試驗的碰撞力在一個低水平上趨于平穩(wěn)，此階段的碰撞力沒有達(dá)到前述防爬器被壓潰的值，但是圖5顯示防爬器后段都被壓潰，仿真變形結(jié)果的最后幾節(jié)沒有再被壓潰，與仿真碰撞力是相應(yīng)的。

圖9 剛性墻碰撞力

在180ms左右試驗和仿真的碰撞力已歸零，防爬器已回彈脫離剛性墻。

2.5 小結(jié)

從防爬器的變形、臺車的位移、速度、加速度和剛性墻碰撞力這五個方面將仿真和試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，其結(jié)果表明仿真結(jié)果和試驗具有相仿的變形規(guī)律。但是，在后部的4節(jié)矩形管全部產(chǎn)生了變形，且偏離了連續(xù)漸進(jìn)的壓潰規(guī)律，而仿真變形最后有兩節(jié)沒有被壓潰。

3 仿真模型修正分析

從上面的仿真與試驗結(jié)果的比較來看，仿真模型結(jié)構(gòu)偏弱，主要是吸能梁。表4為4種應(yīng)對方案，以下重點分析碰撞力和變形量的結(jié)果。

表4 仿真模型的修正方案

3.1 臺車位移對標(biāo)

圖10為上述防爬器4個修正方案的臺車位移量與試驗的對比?？梢钥闯觯?0ms之前，4種修正方案都幾乎與試驗的曲線重合，在之后的時間里逐漸與試驗曲線產(chǎn)生差異。方案1和方案2的曲線幾乎重合，方案3和方案4的曲線幾乎重合，方案4的曲線與試驗的曲線最接近。表5是幾種修正方案計算的臺車位移量即防爬器碰撞變形量的最大值和試驗結(jié)果的比較，修正方案4的偏差最小，達(dá)到0.2%。

圖10 臺車位移對比

表5 變形量對比

3.2 剛性墻碰撞力對標(biāo)

圖11顯示剛性墻碰撞力的比較，在50ms之前，4種修正方案和試驗的趨勢走向是一致的。50-90ms的過程試驗出現(xiàn)了3個波峰，仿真值仍然偏低。100-160ms時間內(nèi)仿真的碰撞力出現(xiàn)的波形和峰值與前面的保持一致，而試驗值在一個低水平上趨于平穩(wěn)。

圖11 剛性碰撞力對比

3.3 吸能件碰撞變形對標(biāo)

圖12顯示仿真和試驗的碰撞變形比較，在85ms之前變形是一致的。140ms時回彈前瞬間，仿真變形與試驗變形是不一致的。

圖12 吸能件碰撞變形對比

4 結(jié)論

從防爬器變形狀態(tài)、臺車位移、速度、加速度和剛性墻碰撞力這5個方面對仿真分析結(jié)果與實際碰撞試驗結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)兩者的前端吸能管變形過程比較接近。后段殼體進(jìn)入壓潰變形后，兩者存在較大差異，主要是仿真模型顯得比較“軟弱”。因此，提出了仿真模型的4種修正方案，并把這4種修正方案的計算結(jié)果與試驗結(jié)果作進(jìn)一步對比。

方案1是對吸能梁部件的倒角進(jìn)行材料加工強(qiáng)化修正，其仿真結(jié)果與試驗結(jié)果吻合得較好。方案2是在方案1的基礎(chǔ)上同時采用對倒角區(qū)域殼單元的沙漏控制，以提高計算精度，其結(jié)果與方案1相近。方案3是在方案2的基礎(chǔ)上更換材料模型，方案4是在方案3的基礎(chǔ)上加強(qiáng)接觸剛度，這兩種方案計算的臺車位移量與方案1、2有一定的差異，與試驗位移曲線吻合的很好。

綜上所述，用16號單元模擬并不損失精度，厚殼單元未必更好。倒角區(qū)域加工強(qiáng)化的影響比較強(qiáng)。在下一步的防爬器碰撞仿真分析時可采用修正方案4以提高對標(biāo)精度。