張佳慧,許鵬飛,張竹林,蔡 華,吳 兵,唐 強(qiáng)

（1. 蘇州高新有軌電車集團(tuán)有限公司,江蘇 蘇州 215000; 2. 蘇州大學(xué)軌道交通學(xué)院,江蘇 蘇州 215131）

0 序言

有軌電車在城市中運(yùn)行時(shí)，時(shí)常遇到因?yàn)楦鞣N意外情況進(jìn)入軌道限界的物體，從而發(fā)生交通事故導(dǎo)致車輛損壞，嚴(yán)重時(shí)甚至司機(jī)和乘客的人身安全得不到保障[1-3]。而緩沖裝置是有軌電車的重要組成部分，用來(lái)連接有軌電車的各車輛，傳遞和緩沖軌道縱向沖擊力，因此研究緩沖裝置在有軌電車運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生碰撞行為時(shí)的作用，對(duì)有軌電車緩沖器的吸能參數(shù)選擇是否安全，具有重要現(xiàn)實(shí)意義[4-5]。該文采用有限元仿真分析方法，研究緩沖器不同剛度和阻尼對(duì)有軌電車與一般轎車發(fā)生碰撞的影響。

1 有軌電車與乘用汽車碰撞模型

圖1顯示的是采用ANSYS/LS-dyna建立的有軌電車與小汽車碰撞有限元模型，模擬不同速度的小汽車與有軌電車的碰撞情況。在該有限元模型中，小汽車沿X方向或與X方向成一定夾角去撞擊有軌電車，有軌電車運(yùn)行方向始終與Z軸平行，車頭朝著正方，Y軸與地面垂直。

圖1 小汽車與有軌電車的碰撞有限元模型

由于主要是分析小汽車與有軌電車整體碰撞情況，因此在建模過(guò)程中忽略掉小汽車與有軌電車內(nèi)部設(shè)置，分別整體賦予小汽車和有軌電車材料為鋼材和鋁合金。小汽車和有軌電車均采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元來(lái)模擬，最大單元尺寸3 cm。有軌電車網(wǎng)格如圖2所示，最大單元尺寸為4 cm。整個(gè)有限元模型共有節(jié)點(diǎn)數(shù)544 862和單元數(shù)544 605。

圖2 有軌電車局部網(wǎng)格劃分展示

小汽車與機(jī)車車輛的碰撞采用顯式有限元仿真算法，即采用中心差分法。在已知的邊界條件下，位移已知，順序地運(yùn)算應(yīng)變-位移方程、本構(gòu)方程和節(jié)點(diǎn)方程，可以確定節(jié)點(diǎn)力。依此類推，可以達(dá)到整個(gè)碰撞過(guò)程整個(gè)時(shí)間域的位移，從而得到應(yīng)變。

2 碰撞工況

根據(jù)調(diào)查，有軌電車與小汽車發(fā)生碰撞一般發(fā)生在軌道和馬路的交叉路口，發(fā)生原因一般是小汽車未按交規(guī)行駛搶先進(jìn)入道路。在此路段碰撞速度一般不會(huì)太高，有軌電車速度采用40 km/h、70 km/h、100 km/h，小汽車靜置在道路上，仿真模擬了不同速度下的碰撞結(jié)果。此外，為研究不同緩沖器剛度和阻尼對(duì)碰撞的影響效果，這里分別采用6種不同的阻尼和彈簧剛度進(jìn)行仿真，緩沖器彈簧剛度選擇1 kN/m、5 kN/m、10 kN/m、30 kN/m、50 kN/m、70 kN/m，緩沖器阻尼設(shè)置選擇0.3 kN/(m/s)、1.5 kN/(m/s)、3 kN/(m/s)、7 kN/(m/s)、11 kN/(m/s)、15 kN/(m/s)，碰撞工況如表1所示。

表1 有軌電車與小汽車碰撞工況

3 有軌電車碰撞仿真結(jié)果

有軌電車在和小汽車發(fā)生碰撞時(shí)，由于電車質(zhì)量遠(yuǎn)大于小汽車，所以小汽車受到的損傷常常更加嚴(yán)重。對(duì)于不同緩沖器的作用效果，就有限元仿真模型而言，可以查看車頭碰撞位置處的應(yīng)力大小，同時(shí)可以通過(guò)小汽車被撞擊時(shí)的加速度大小來(lái)評(píng)判撞擊的嚴(yán)重程度。

圖3~4分別顯示了不同速度下的有軌電車發(fā)生碰撞時(shí)的縱向沖擊力和加速度，結(jié)果顯示速度越高，對(duì)小汽車的沖擊力越大。

圖3 不同速度下的Z向沖擊力

圖4 不同速度下小車參考點(diǎn)的Z向加速度

圖5分別顯示了不同彈簧剛度和阻尼不同時(shí)刻的碰撞結(jié)果車頭表面的應(yīng)力大小結(jié)果，結(jié)果顯示車頭緩沖器的彈簧剛度和阻尼對(duì)車頭撞擊后的表面應(yīng)力大小基本沒(méi)有影響。

圖5 不同彈簧剛度和阻尼車身應(yīng)力大小

圖6分別顯示了不同彈簧剛度和阻尼對(duì)發(fā)生碰撞后小汽車加速度大小的影響。結(jié)果顯示車頭緩沖器的彈簧剛度和阻尼對(duì)撞擊后小汽車的加速度基本沒(méi)有影響。

圖6 不同彈簧剛度和阻尼對(duì)小汽車加速度的影響

4 結(jié)論

該文以有軌電車—小汽車碰撞為研究對(duì)象，采用顯式有限元仿真算法，即采用中心差分法模擬預(yù)測(cè)了有軌電車碰撞小汽車的場(chǎng)景，通過(guò)仿真不同速度以及不同車頭彈簧剛度和阻尼的有軌電車碰撞小汽車，探究緩沖裝置對(duì)有軌電車的碰撞影響。得出以下結(jié)論：

（1）不同速度下的有軌電車對(duì)小汽車的碰撞損傷程度不同，速度越快，撞擊的沖擊力越大，速度提高30 km/h，沖擊力峰值大小提高7e10。

（2）車頭緩沖器不同彈簧剛度和阻尼對(duì)碰撞結(jié)果的影響相差不大，但仍舊可以考慮其對(duì)有軌電車碰撞的影響。

（3）有軌電車經(jīng)過(guò)車輛道口時(shí)，應(yīng)該減小速度行駛，最高速度不超過(guò)40 km/h。