摘" 要：EN 15227標準規(guī)定了能減少碰撞事故的被動性安全要求，為測定鐵路車輛的車體所能承受的碰撞條件提供了框架。新標準EN 15227—2020較其舊版標準新增了排障器的吸能要求，滿足新標準的載客列車能更好地保障乘員的安全。該文基于一款200 km/h速度等級的市域車排障器進行有限元分析，以確定該排障器滿足標準EN 15227—2020對排障器的靜載荷、過載吸能性能的要求。

關鍵詞：市域車；排障器；EN 15227—2020；FKM指南；吸能

中圖分類號：U260" " " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）31-0102-04

Abstract： The EN 15227 standard specifies passive safety requirements to reduce collisions and provides a framework for determining the collision conditions that a railway vehicle body can with stand. The new standard EN 15227-2020 has added the energy absorption requirement of the exhaust device compared with the old standard， and the passenger trains that meet the new standard can better protect the safety of the passengers. This paper conducts finite element analysis based on a 200 km speed class commuter vehicle cowcatcher to determine that the cowcatcher meets the requirements of standard EN 15227-2020 for static load and overload energy absorption performance of the cowcatcher.

Keywords： commuter vehicle; cowcatcher; EN 15227-2020; FKM Guide; energy absorption

軌道車輛排障器作為列車車體前端的被動安全部件，現(xiàn)廣泛應用于路權模式為開放系統(tǒng)或部分封閉系統(tǒng)的城市軌道交通車輛上。國內載客運行的列車主要依照歐洲標準EN 15227—2008相關要求設計排障器[1]。

近年來隨著障礙物侵入鐵軌造成傷亡事故的不斷增加，以及社會各界對載客列車被動安全防護問題重視程度的提高，EN 15227—2020（以下簡稱EN 15227）首次規(guī)定了不同速度等級列車上的排障器通過中心負載的吸能量。本文基于一款200 km/h速度等級的市域車排障器，通過有限元分析手段驗證其前端排障器的性能滿足EN 15227中Table 6要求的靜態(tài)負載與過載相關性能規(guī)定，為該款排障器的裝車應用提供依據(jù)[2]。

1" 靜強度分析

靜強度分析以包含排障器在內的市域車頭車單元為有限元建模主體。由于EN 15227中并未要求對排障器疲勞強度評估，所以本文僅對排障器母材和焊縫的靜強度進行評估，疲勞強度在整車上進行。

1.1" 分析程序

在靜強度分析程序中，預處理階段依靠頭車車體結構建立有限元模型，采用HyperMesh作為預處理工具，根據(jù)實際工況對車體結構有限元模型進行約束，針對EN 15227中規(guī)定的靜態(tài)負載加載區(qū)域與負載進行加載。后處理階段使用OptiStruct求解器進行載荷工況的有限元計算求解，并進行基于FKM指南的分析和評估。

1.2" 有限元預處理

取頭車單元進行分析，采用板殼單元（SHELL181）和六面體單元（SOLID185）離散，整個頭車共離散為1 857 465個單元。材料參數(shù)的參數(shù)賦予見表1。

排障器與車體結構采用beam梁單元模擬螺栓連接。梁單元通過剛性RBE2單元連接到排障器和車體結構。在夾緊的板之間，螺栓使用RBE2單元剛性連接以最小預緊力對梁元件進行預拉伸。

圖1描述了頭車完整的有限元模型，在頭車司機室骨架下端的排障器上依照EN 15227中Figure 4規(guī)定區(qū)域和EN 15227中Table 6規(guī)定的中心區(qū)域負載300 kN、兩側區(qū)域負載250 kN進行加載[2]。為了防止剛體運動，根據(jù)市域鋁合金車體骨架與轉向架、車鉤的作用關系，設置了以下約束：在空氣彈簧安裝面上約束垂向；在二位端車鉤安裝面上約束橫向和縱向；在中心銷接觸面約束橫向和垂向。

1.3" 評價方法

該款排障器所使用的材料牌號為S355，使用材料參數(shù)見表1。其母材與焊縫的強度采用FKM指南提供的評價方法評估：若實際利率小于等于1，則認定構件安全[3]。根據(jù)本排障器使用的材料和發(fā)生作用時的場景，母材強度評估中使用的母材利用率DoUB如式（1）所示

式中：npl為截面系數(shù)，采用局部應力法，對于S355材料取截面系數(shù)npl=1.0[3]；RP為矯正屈服強度，由標準試樣屈服強度Rp，N和實際屈服強度因子Kd，p的乘積計算得出，見式（2）

RP=Kd，p·Rp，N。（2）

在靜強度評估中，Kd，p取決于部件的有效厚度deff、材料的屈服強度參數(shù)ad，p和試樣直徑deff，N，p，相關參數(shù)以及與Kd，p的計算式可在FKM指南中查得。

荷載安全因子js和材料安全因子jf的乘積組成了式（1）中的總安全因子。根據(jù)排障器母材S355為各項同性材料和排障器作用工況，不考慮由于各向異性和溫度作用影響，所以jf取值根據(jù)式（3）

式中：jp，jm為材料基本安全因子，對于式（3）中的因子和修正系數(shù)，在FKM指南中提供了可查閱的參考值或簡化計算方法。

根據(jù)FKM指南，焊縫的靜強度評估利用法向應力σ⊥（垂直于焊縫方向）和σ||（沿焊縫方向），以及剪切應力τ計算焊縫利用率DoUW，如式（4）所示[3]

式中：σadm為最大許用應力。根據(jù)建議，取總安全系數(shù)為1.1[4]，因此排障器焊縫的最大需用應力如式（5）所示

1.4" 分析結果

根據(jù)EN 15227標準規(guī)定，圖2和圖3概述了母材與焊縫的靜強度基于EN 15227標準規(guī)定的計算結果。在圖2和圖3中顯示了根據(jù)3種載荷情況得出的最大應力，顯示了利用程度。利用強度評估程序計算利用率DoU。

根據(jù)圖2、圖3云圖結果可知：

1）大部分的母材與焊縫的利用率小于等于1，保持在允許范圍內。

2）在位于中心加載位置內且呈對稱分布的小范圍母材與焊縫的利用率等于1，該位置上可能發(fā)生非常小的塑性變形，但由利用率等于1的區(qū)域較小且位于中心加載位置內，且周圍結構強度大，具有承載額外荷載的能力，因此這些位置上的塑性變形不會影響軌道清潔器的功能，認為該區(qū)域具有足夠的強度。

3）排障器模型的殼體棱角處的個別奇點利用率大于1，在靜強度評估中，可以忽略此類不影響安全的拐角奇點超利用率的情況。

綜上，排障器的母材與焊縫在EN 15227標準規(guī)定的靜態(tài)負載要求下不會失效，排障器的功能不受影響。

2" 過載分析

針對EN 15227—2020標準在基于舊版標準對列車不同運行速度等級的排障器具備相應靜態(tài)負載性能的基礎上，對排障器的過載工況也新增了最小能量吸收值的要求，并不得成為新的危險。

由于市域車頭車前端結構縱向對稱，為降低計算難度和時長，以車體前端二分之一模型進行有限元建模分析，使用HyperMesh和HyperView進行預處理和后處理，采用Radioss求解器對該排障器進行了基于Johnson-Cook本構模型的過載吸能能力分析。

2.1" 有限元建模

在車體前端模型進行分析，沿列車縱向中心面（X-Z平面）截取前端二分之一模型，并采用板殼單元（SHELL181）和六面體單元（SOLID185）對前端二分之一模型進行離散，每個二分之一模型由177 550個單元組成，有限元離散模型如圖4所示。

載荷施加位置與EN 15227標準要求一致，沿負X方向集中施加在排障器上。初始作用在單位載荷Fu為1 000 N。式（6）為作用于二分之一模型上的載荷Fh與單位載荷的關系。

Fh=K·Fu，（6）

式中：K為比例因子，K值在計算總時長27 s內隨時間線性變化如圖5所示。整個加載過程直到全模型中排障器和周邊結構吸收超過EN 15227中規(guī)定的36 kJ（二分之一模型為18 kJ）的能量后停止。

在列車前端模型與列車車體連接處約束約束縱向和垂向，在前端模型縱向剖面約束橫向，約束縱向和約束垂向轉動慣量，如圖6所示。

過載分析中，對金屬材料采用彈塑性本構模型以估算此過程中的吸能量。根據(jù)排障器母材和實際作用工況不考慮應變率和溫度影響的情況，簡化后的Johnson-Cook 本構模型如式（7）所示[5]

σ=（A+Bpn），（7）

式中：A為材料屈服強度，B為應變硬化系數(shù)，n為應變硬化指數(shù)，參數(shù)A、B、n通過于Radioss中輸入屈服強度σy、極限拉應力σUTS和極限拉應變UTS得出。

該款排障器及周邊結構材料選用及參數(shù)見表1，其中包括楊氏模量E、泊松比υ、失效塑性應力σmax。

圖7給出了表1中的不同材料在市域車司機室區(qū)域的應用位置。

2.2" 結果分析

隨著時間的推移，生成作用在排障器位移方向上的分力和排障器上吸收量的變化過程，如圖8所示。

通過能量變化曲線可知，約26.6 s時，在二分之一模型中的18 kJ（全模型中的36 kJ）的能量被吸收，達到標準EN 15227中規(guī)定的能量吸收量的要求。對應圖5中作用在二分之一模型上的載荷Fh為532 kN（對應作用在全模型上的載荷為1 064 kN）。

第27 s時的能量吸收量以及施加在排障器上的載荷均大于26.6 s，由于施加在二分之一模型中的載荷Fh線性增加，所以取第27 s生成應力的云圖來評估排障器結構的可靠性，如圖9所示。

根據(jù)圖8所示曲線，在第27 s時，二分之一模型的排障器以及其通過螺栓連接的周圍車體結構通過應變共吸收了超過18 kJ的能量（對應全模型超過36 kJ）。

圖9中最大應力為470 MPa，位于排障器結構上，未超過材料S355J2C的失效塑性應力σmax，排障器整體未發(fā)生破壞失效，不會造成重大損壞如剝落致自身成為危險的情況發(fā)生。再根據(jù)基于Johnson-Cook本構模型進行有限元彈塑性模型仿真，證明該款排障器滿足EN 15227標準中對應過載工況下的吸能要求。且圖9中周圍車體結構最大應力均未超過對應材料的屈服強度σy，不會損壞車體結構。

3" 結束語

本文通過基于FKM指南評估的有限元排障器母材與焊縫靜強度分析和基于Johnson-Cook模型的有限元過載吸能分析，設置工況并驗證了該款排障器能滿足EN 15227標準中對于大于等于160 km/h速度等級列車排障器規(guī)定的靜強度、過載吸能性能要求。得出該款排障器具有足夠的強度來承受靜態(tài)負載而不會失效，還具備通過應變吸收36 kJ能量而不會造成重大損壞或自身成為危險，確定該款排障器滿足市域車的裝車條件。

參考文獻：

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[5] 張杜江，趙振宇，賀良，等.基于Johnson-Cook本構模型的高強度裝甲鋼動態(tài)力學性能參數(shù)標定及驗證[J].兵工學報，2022，43（8）：1966-1976.