轨道卧铺客车碰撞吸能特性研究

修瑞仙， 刘艳文， 高允峰， 丁 颂

(1.长春师范大学 工程学院， 吉林 长春 130032;2.中国北车长春轨道客车股份有限公司， 吉林 长春 130062)

轨道卧铺客车碰撞吸能特性研究

修瑞仙1， 刘艳文2， 高允峰1， 丁 颂1

(1.长春师范大学 工程学院， 吉林 长春 130032;2.中国北车长春轨道客车股份有限公司， 吉林 长春 130062)

根据耐碰撞车体结构原理设计出具有吸能效果的耐碰撞性车体，进行了车体结构一、二位车端撞击刚性墙仿真研究，结果表明,该车体中车端结构产生塑性大变形，客室结构无塑性变形，车体耐碰撞性明显得到改善，车体纵向刚度分布合理。建立了单节客车碰撞动力学模型，仿真研究车钩缓冲特性，结果表明，带有车钩及防爬吸能装置的车体结构具有较好的吸能特性，在防爬吸能元件压溃行程全部压缩后，车体端部产生塑性变形吸能碰撞能量，客室未发生塑性变形。

轨道卧铺客车； 耐撞性； 非线性有限元； LS-DYNA

0 引 言

列车的安全防御系统分为主动安全防御系统和被动安全防御系统[1-3]。主动安全防御系统阐述为防止碰撞所采取的各项措施，包括车辆系统的检测、操作、运用、维修和人员素质等多个方面，需要制定详细的规则和多方面的合作，是一个复杂的系统工程；被动安全防御系统也就是所谓的第二安全措施，通过车辆自身结构耐撞性能来缓减碰撞影响，并通过内部设计来减少人员伤亡。

铁路系统的复杂性致使其主动安全防御系统不能完全杜绝碰撞事故的发生，世界范围内近两年多时间里就发生了数十起列车碰撞事故，造成了生命和财产的巨大损失，其中无论是印度、中国等发展中国家，还是日本、德国、阿根廷等发达国家都未能幸免，其中不乏重特大碰撞事故[4-5]。因此，在积极主动地采取合理手段尽最大可能避免列车碰撞事故的同时，研究在碰撞事故发生时列车自身结构特性及司乘人员的安全性，开发一种在碰撞事故发生时车体结构耐碰撞且可以给司乘人员提供保护的铁路客车结构显得尤为重要。

1 动态非线性有限元理论基础

描述碰撞现象的主要方法有：Euler法、Lagrange法和ALE法。Euler法多用于流体力学问题，在固体力学中用的很少；ALE法是处理流体-固体相互作用的较好方法，适用高速碰撞现象的描述，其理论和算法较复杂，在具体编程和工程中不易实现；而Lagrange法是目前描述固体碰撞行为的最成熟、最方便的方法。采用Lagrange法描述的有限元法可以处理高速碰撞工程中复杂的边界条件和复杂的材料本构关系，并且对接触滑移面描述非常方便。LS-DYNA程序主要采用Lagrange描述增量法，利用虚功原理建立非线性大变形的有限元控制方程。

考虑一个运动系统，某质点在初始时刻t=0时位于B处，在固定的笛卡尔坐标系下其坐标为xα(α=1,2,3) 。 经时间t，该质点运动到位置b，在同一笛卡尔坐标系下的坐标为xi(i=1,2,3)，采用Lagrange描述增量法可得：

(1)

在t=0时，初始条件为：

(2)

(3)

式中:Vi----初始速度。

根据连续介质力学原理，整个运动系统必须保持质量守恒、动量守恒和能量守恒。系统的质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程分别如下：

(4)

(5)

(6)

式中:ρ----当前质量密度；

J----体积变化率；

ρ0----初始质量密度;

σij,j----柯西张量;

fi----单位质量体积力;

E----当前能量;

V----当前体积;

Sij----偏应力张量;

p----压力;

q----体积粘性阻力。

根据虚功原理，可以得出碰撞系统的控制方程：

(7)

式中,各个积分项分别表示单位时间内系统的惯性力、内力、体积力和表面力所作的虚功。

对式(7)进行离散化，得到离散方程：

(8)

式中:M----总体质量矩阵;

P----总体载荷矢量，由节点载荷、面力、体力等组成;

F----由单元应力场的等效节点力矢量组合而成。

考虑到粘性阻尼项，式(8)变为：

(9)

2 车体原结构碰撞吸能特性研究

200 km/h客车车体为不锈钢、全点焊结构，只有在车体局部结构(如枕梁与边梁连接处)采用铆接和螺栓连接。以车体主结构用壳单元shell163来模拟，车体设备用质量单元mass166来模拟，车体点焊用梁单元beam188来模拟，车体上的铸造件用体单元solid164来模拟。

在数值仿真模拟中，200 km/h客车车体一位端、二位端分别以36 km/h的初速度撞击刚性墙，研究车体钢构自身的碰撞力学性能及动态响应。仿真过程中采用三类接触类型，车体端部与刚性墙的自动面面接触(automatic surface-to-surface contact)；车体端部发生大变形时的自动单面接触(automatic single-surface contact)；轮对在轨道上运动时的自动点面接触(automatic node-to-surface contact)。静摩擦系数和动摩擦系数分别取0.20和0.15，材料采用随动硬化弹塑性材料模型，忽略初始穿透，且在计算中考虑壳单元的厚度[6-8]，其碰撞动力学模型(以一位端为例说明)如图1所示。

图1 客车碰撞动力学模型

200 km/h客车车体一位端、二位端碰撞仿真结束时的结构变形图分别如图2和图3所示。

图2 客车车体一位端碰撞仿真变形图

图3 客车车体二位端碰撞仿真变形图

由图中可以看出，碰撞变形过程中，车体一位端沿着枕梁附近的车体中部发生塑性大变形；车体二位端变形则更为严重，其位置为客车侧墙第二个车窗，而车体端部的无乘客区域变形很小，这将严重危及乘员的生命安全。车体的纵向刚度分布不合理，车体不满足耐碰撞车辆的要求，需要对车体结构进行改进。

3 吸能车体结构设计及耐撞性分析

3.1车体端部结构设计

根据上面碰撞仿真结果可知，200 km/h客车车体纵向刚度分布不合理，车端刚度大于客室刚度，导致发生碰撞时客室先于车端发生塑性大变形，乘员的生命安全将受到严重威胁，这与耐碰撞吸能车体结构的设计严重相悖。耐碰撞吸能车体的设计理念主要是基于对车体纵向刚度的合理分布，即车体结构应该在其纵向的两端设置弱刚度的吸能车端，车体纵向刚度按“弱-强-弱”设置，这样当车端受到严重碰撞时，其弱刚度区将发生大变形而吸收碰撞能量，保护客室的安全。本节正是基于耐碰撞吸能车体的设计理念对200 km/h客车车体端部结构进行改进，减弱其纵向刚度，同时增加安装防爬吸能装置的接口，使其成为具有两级吸能结构的耐碰撞性车体。车体端部结构修改如图4和图5所示。

(a) 一位端门框

(b) 车体端墙

(a) 底架一位端

(b) 底架二位端

3.2防爬吸能元件设计

防爬吸能装置主要由防爬器和吸能元件两个功能模块组成，一般通过螺栓等连接方式安装在车体底架端部。防爬器主要为防止列车碰撞时产生“爬车”现象；吸能元件可以有效吸收碰撞冲击动能。防爬器一般为铸造件，其结构形式较为单一，而吸能元件作为防爬吸能装置的吸能主体，其结构如何设计可以使得其在碰撞过程中能够吸收更多的撞击能量,受到更多设计者的关注。

因此，把设计重点放在了吸能元件上，根据耐碰撞性车体吸能元件的设计要求，通过分析现在常用的吸能装置，研究设计了4种新型吸能元件方案，见表1。

吸能元件所用材料为Q235，利用准静态轴向压缩仿真得到各设计方案的吸能指标，并且以第一种方案为基准，比较各设计方案的优劣，准静态压缩有限元模型如图6所示。

图6 吸能元件准静态仿真模型

表1 吸能元件设计方法

通过刚性墙施加速度载荷对吸能元件进行压缩，速度为1 m/s，仿真时间0.29 s。

对于不同的实际问题，能量吸能装置性能优劣的评价可以采用各种各样的指标。其中比吸能、最大轴压力、平均轴压力、缓冲指数等是研究人员最常用的几个评价指标。

各种方案耐撞性能比较，以第一种方案为基准，比较分析各种方案的参数变化，见表2。

由表2可知，吸能元件设计方案2比吸能最大，而缓冲指数较小，质量和最大界面力峰值相对较小，为吸能元件设计最优方案。200 km/h客车选取设计方案2作为车体端部的防爬吸能元件。

吸能元件设计方案2相对应的防爬吸能装置如图7所示。

图7 防爬吸能装置设计方案2

3.3吸能车体结构碰撞吸能特性研究

按照3.2仿真研究方法，对改进后车体结构进行耐碰撞性分析。动力学模型的建模过程、载荷、边界条件及相关参数的设置和3.2中完全相同。

表2 吸能元件耐撞性指标对比

改进后车体结构一位端和二位端碰撞仿真变形图分别如图8和图9所示。

图8 改进后车体结构一位端碰撞仿真变形图

图9 改进后车体结构二位端碰撞仿真变形图

4 两级吸能车体结构耐碰撞性考核

将3.3设计好的吸能车体结构和方案2吸能元件进行组合，生成具有双重吸能作用的耐碰撞性车体。组合后车体底架端部一位端、二位端结构如图10所示。

(a) 底架一位端

(b) 底架二位端

按照标准EN15227附录D4中对单节客车的耐撞性进行考核。碰撞仿真工况示意图如图11所示。

图11 单节客车设计碰撞仿真工况示意图

碰撞计算中考虑车钩缓冲装置的剪切失效特性，钩缓装置用离散梁单元来进行模拟，其输入特性曲线如图12所示。

图12 密接式车钩缓冲器特性曲线

碰撞仿真结束后,A1,A2,A3界面碰撞结束后车端变形图分别如图13～图15所示。

仿真结束后，A4界面车端没发生接触(在此只给出图13～图15)。由仿真结果可知，碰撞过程中车钩失效脱落后，防爬吸能装置接触产生变形吸收碰撞能量，吸能元件有效行程走完后，车体端部开始接触并发生塑性大变形，吸收余下的碰撞动能。在整个碰撞过程中，仅车端结构发生塑性大变形，而客室结构未发生塑性变形。

图13 A1界面碰撞结束后车端变形图

图14 A2界面碰撞结束后车端变形图

图15 A3界面碰撞结束后车端变形图

待评估客车纵向长度随时间的变化曲线及纵向平均加速度随时间的变化曲线分别如图16和图17所示。

由曲线可知，在碰撞中客车车体纵向变形最大为145.2 mm，远小于车体纵向长度的10%(车体纵向长度为25.8 m)，待评估客车的平均纵向加速度为4.622g，小于规定的5g，满足标准EN15227的要求。

整个碰撞过程中能量、碰撞界面力随时间的变化曲线分别如图18和图19所示。

图18 整个碰撞过程中能量-时间曲线

图19 整个碰撞过程中界面力-时间曲线

从整个碰撞情况来看，碰撞能量主要由车钩、吸能防爬器、车体端部结构吸收，此外接触面的滑移耗散能也相当可观。

5 结 语

1)200 km/h客车车体原结构纵向刚度分布不合理，通过对其端部结构进行改进，设计出吸能效果较好的耐撞性车体。通过仿真结果可知，改进后的车体结构纵向刚度分布合理，其端部结构具有良好的吸能特性，碰撞过程中可以有效保护客室结构，满足耐碰撞性车体的要求。

2)根据耐碰撞车体吸能元件的设计要求，设计出耐碰撞性能较好的吸能元件。将设计的吸能车体和吸能元件进行组合，生成两级吸能车体结构，按照标准EN15227附录D4工况对200 km/h客车进行耐碰撞性考核。仿真结果表明，在整个碰撞过程中，仅车端结构发生塑性大变形，客室结构未发生塑性变形，车体的各项响应均满足标准EN15227的要求。

3)以200 km/h客车车体为研究对象，成功设计出具有两级吸能结构的耐撞性车体，为客车被动安全防护系统进行了一次有意义的尝试，为以后客车吸能车体的设计研究提供了理论和工程依据。

[1] 陈汉珍．城际列车耐碰撞性车体研究[D]：[硕士学位论文].成都：西南交通大学，2008.

[2] 单其雨.高速列车车体耐碰撞结构研究[D]：[硕士学位论文].成都：西南交通大学，2010.

[3] 王守江.客车整体骨架侧碰仿真及耐撞性分析研究[D]：[硕士学位论文].武汉：武汉理工大学,2007.

[4] 张志新.高速列车耐撞性结构及安全性研究[D]：[硕士学位论文].成都：西南交通大学，2012.

[5] 刘艳文.轨道客车碰撞被动安全性研究[D]：[硕士学位论文].成都：西南交通大学，2013.

[6] 尚晓红，苏建宇.ANSYS/LS-DYNA动力分析方法及工程实例[M].北京：中国水利水电出版社，2005.

[7] 白金泽.LS-DYNA3D理论基础与实例分析[M].北京：科学出版社，2005.

[8] 赵海鸥.LS-DYNA动力分析指南[M].北京：兵器工业出版社，2003.

Simulation study on crashworthiness of railway sleeper vehicle

XIU Rui-xian1, LIU Yan-wen2, GAO Yun-feng1, DING Song1

(1.School of Mechanical Engineering, Changchun Normal University, Changchun 130032, China;2.CNR Changchun Railway Vehicles Co., Ltd., Changchun 130062, China)

According to design concepts of the car-body structure of crashworthiness vehicle, a vehicle car-body structure with improved crashworthiness property is designed, and simulation of crash features of the improved car-body structure is carried. The results show that the large plastic deformation is produced only at the ends of the car-body but no deformation in passenger space. The crashworthiness of the car-body is obviously improved and the longitudinal stiffness distribution of the car-body is reasonable. An impact dynamic modal to assess the crashworthiness of a single railway vehicle was built and tested with simulation, and it is showed the car-body with coupler-buffering and the anti climbing energy absorption device has better energy-absorption ability. After crushing stroke test, the ends of the car-body absorb energy with plastic deformation but no deformation in passenger space.

railway sleeper vehicle; crashworthiness; nonlinear finite element; LS-DYNA.

2014-09-29

长春师范大学自然科学基金资助项目

修瑞仙(1987-)，女，汉族，辽宁庄河人，长春师范大学助教，硕士，主要从事轨道车辆强度及疲劳研究,E-mail:liu494495151@163.com.

TU 270.12

A

1674-1374(2014)06-0723-08