黃敬輝

摘 要：隨著軌道交通建設(shè)速度不斷加快，各大城市軌道交通線路也越來越多。由于城市土地以及發(fā)展規(guī)劃的限制，大多軌道交通都是在小半徑曲線上運(yùn)行，曲線運(yùn)行里程占比越發(fā)突出。而在曲線段中，軌道車輛曲線碰撞是一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)?；诖?，本文首先闡述課題研究背景及意義，并重點(diǎn)從軌道車輛耐碰撞性、軌道車輛曲線段碰撞以及軌道車輛曲線段碰撞響應(yīng)三方面進(jìn)行國內(nèi)外文獻(xiàn)綜述梳理，最后提出了軌道車輛曲線碰撞研究的未來發(fā)展趨勢，以期本文研究對相關(guān)研究者有所幫助。

關(guān)鍵詞：軌道列車;列車曲線碰撞;耐碰撞性

1 研究背景與意義

我國目前擁有世界上規(guī)模最大、運(yùn)行速度最快的鐵路網(wǎng)。然而，隨著鐵路運(yùn)行密度和速度的不斷提高，列車碰撞事故發(fā)生的概率有所增大。自甬溫線列車事故以來，我國各大高校和科研院所相繼開展了針對提高軌道車輛防碰撞安全性方面的相關(guān)研究，但在曲線線路上，對列車發(fā)生碰撞時(shí)動力學(xué)性能和耐碰撞性能運(yùn)用數(shù)字仿真試驗(yàn)進(jìn)行分析研究很少。

因此，總結(jié)梳理軌道車輛曲線段碰撞研究方法和成果，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 軌道車輛耐碰撞性相關(guān)研究

在關(guān)于軌道車輛耐碰性研究中，國外學(xué)者Taguchi M[1]研究了列車碰撞時(shí)不同列車的能量分布，每輛車在碰撞時(shí)的能量消耗比例是不同的，頭模型車吸收的碰撞能量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他車輛。

Guan W[2]選擇列車與剛性障礙物碰撞、嚴(yán)重碰撞和輕微碰撞作為碰撞設(shè)計(jì)的事故場景。采用有限元方法對KHST的碰撞安全性進(jìn)行了評估，并通過實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值分析結(jié)果的可靠性。韓國成均館大學(xué)的金俊和趙勛開發(fā)了拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，來設(shè)計(jì)框架結(jié)構(gòu)，提高了其不同沖擊下的吸能能力，并與現(xiàn)有的框架結(jié)構(gòu)相比具有較好的耐碰撞性。

在國內(nèi)研究中，陳淑琴[3]以某城市軌道車輛頭車與剛性固壁碰撞為研究對象，利用LS-DYNA對不同參數(shù)（材料、截面、截面等）的吸能結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，研究影響防爬裝置防爬能力的主要因素。

2.2 軌道車輛曲線段碰撞相關(guān)研究

在軌道車輛曲線段碰撞研究中，國外主要是通過模型仿真進(jìn)行試驗(yàn)分析碰撞的安全性。

Shao G[4]研究表明列車頭部吸收的能量遠(yuǎn)大于其他車輛末端吸收的能量，曲線過程列車產(chǎn)生耦合水平旋轉(zhuǎn)角度，耦合的縱向力在輪軌接觸面上產(chǎn)生橫向力，最終影響車身，顯著降低車輛穩(wěn)定性。

Bounds S[5]選擇列車在曲線段與剛性障礙物碰撞、嚴(yán)重碰撞和輕微碰撞作為碰撞設(shè)計(jì)場景。采用有限元方法對KHST的碰撞安全性進(jìn)行了評估，并通過實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值分析結(jié)果的可靠性。

在國內(nèi)研究中，現(xiàn)階段國內(nèi)有關(guān)軌道車輛碰撞的研究主要是針對線路上車輛的縱向碰撞響應(yīng)，包括多級吸能、爬車、減速度、生存空間評估等，對列車曲線碰撞的安全研究涉及較少。

楊皓杰[6]利用LS-DYNA分別模擬了一列動態(tài)列車與另一列靜態(tài)列車在曲線上的三種碰撞情況，對比列車在曲線上相撞結(jié)果與直線相撞結(jié)果。分析得出，軌道半徑的減小增大了車輛的加速度。

2.3 軌道車輛曲線段碰撞響應(yīng)相關(guān)研究

Kirkpatrick[7]建立了一列五節(jié)編組列車三維碰撞模型，對其在曲線線路中的脫軌行為進(jìn)行了研究，如圖1所示。研究發(fā)現(xiàn)，列車開始時(shí)為鋸齒式褶曲行為，然后逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閆形褶曲，這種行為不斷放大，最后表現(xiàn)為大位移橫向褶曲行為。

3 碰撞研究方法

3.1 非線性有限元解法

軌道車輛的碰撞過程涉及復(fù)雜的非線性問題，例如幾何非線性，邊界非線性和材料非線性。因此，通過傳統(tǒng)的研究方法較為復(fù)雜。非線性有限元分析方法在各種應(yīng)用中得到了長足的進(jìn)步。

3.2 碰撞接觸搜尋

選擇合適的接觸類型，預(yù)測接觸面積，并考慮到接觸面之間的摩擦行為，可以提高模型分析的準(zhǔn)確性。在地鐵碰撞過程的仿真分析中，尋找接觸點(diǎn)是保證分析結(jié)果可靠性的關(guān)鍵。

4 未來研究趨勢

在關(guān)于軌道車輛曲線碰撞研究中，隨著深度學(xué)習(xí)以及人工智能技術(shù)的發(fā)展，在軌道車輛曲線段碰撞中通過仿真得到最佳安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并運(yùn)用防撞預(yù)警算法對列車碰撞進(jìn)行提前預(yù)警，該系統(tǒng)能夠預(yù)測兩車的受損程度，以使得在碰撞不可避免的情況下，幫助駕駛員做出減輕受傷程度的措施。

參考文獻(xiàn)：

[1]Taguchi M，F(xiàn)ujimoto A，Yamada T，et al.Analysis of railway level crossing accident using numerical simulations （Study of crash safety evaluation for railway vehicles）[J].transactions of the japan society of mechanical engineers，2015.

[2]Guan W，Gao G，Yu Y，et al.Crashworthiness analysis and multi-objective optimization of expanding circular tube energy absorbers with cylindrical anti-clamber under eccentric loading for subway vehicles[J].Structural and Multidisciplinary Optimization，2020，61（4）：1711-1729.

[3]陳淑琴.城軌車輛碰撞仿真分析及其耐撞性研究[D]. 蘭州交通大學(xué)，2015.

[4]Shao G.Analysis and Prevention Measures for Damaged Shield Segment of Small Radius Curve Section in Soft Soil Layer.2016.

[5]Bounds S.Summary Report on Dynamic Behavior of the Whole Train in Collisions and the Improvement of the Crashworthiness，2017.

[6]楊皓杰，肖守訥，李鐸.地鐵列車曲線碰撞仿真研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2019，337（3）：8-11.

[7]Kirkpatrick，O，Sills，et al.Estimating the Impacts of Local Policy Innovation： The Synthetic Control Method Applied to Tropical Deforestation.[J].Plos One，2015.