基于材料与结构一体化的车辆吸能结构碰撞仿真

刘小波等

摘要： 从车辆耐撞结构和吸能材料两方面入手，基于材料与结构一体化思想，利用数值仿真技术研究某高速动车被动安全性问题.设计5种适用于高速动车的吸能结构，分别为普通双层吸能管结构，3种端部带有不同薄弱环节的双层吸能管结构和泡沫铝材料夹心双层吸能管结构；利用PAMCRASH软件，分别将5种不同吸能结构安装到整车上进行相同编组对撞试验仿真；针对碰撞仿真结果评价车辆的整体被动安全性，并通过各工况结果的对比分析找出最优吸能装置.结果表明：泡沫铝夹心吸能装置在加速度和逃生空间评价指标中表现最好，在以后的吸能结构设计中可适当采用.

关键词： 高速动车； 被动安全； 吸能结构； 碰撞仿真； 加速度； 逃生空间

中图分类号： U270.2；TB115.1文献标志码： B

Abstract： Based on the integration of materials and structures， the numerical simulation technology is used to study the passive safety issues of a highspeed motor car from the vehicle crashworthiness structure and energyabsorbing materials. Five energyabsorbing structures are designed for highspeed car， including ordinary double energyabsorbing tube structure， three double energyabsorbing tube structure with different weaknesses and aluminum foam sandwich double energyabsorbing tube structure； by PAMCRASH， the five kinds of energyabsorbing structures are installed on the same vehicle collision test group to perform collision test simulation； the overall passive safety of the vehicle is evaluated according to the collision simulation results， and the optimal energyabsorbing device is obtained by comparing the results of various conditions. The results indicate that the aluminum foam sandwich energyabsorbing device has the best performance in several indicators of acceleration and escape space， which can be applied appropriately in the future design of energyabsorbing structure.

Key words： highspeed motor car； passive safety； energyabsorbing structure； crash simulation； acceleration； escape space

引言

近年来，随着大型计算机的发展，数值仿真技术越来越多地被应用于大变形碰撞仿真分析.各种先进有限元软件的出现也加速数值仿真分析的应用.数值仿真分析技术可以在产品的设计阶段对车辆进行被动安全性分析，通过分析可以较好地对产品进行再设计，保证产品在虚拟碰撞中的安全性.

20世纪90年代，专门从事铁路车辆碰撞问题的部门在英国首先成立，采用理论分析、试验研究和计算机数值仿真分析的方法对车体的耐撞性和吸能元件进行较为深入的研究，成功总结出车辆的耐撞性设计原理.[1]德国将耐冲击车体结构技术应用在城市轻轨车辆和ICE第三代列车上.[2]欧盟和国际铁路协会共同承担名为SAFETRAIN的欧洲列车防碰撞性项目，涉及铁道车辆的设计和乘客的保护.[38]目前，我国铁路车辆的大变形碰撞分析技术尚处于起步阶段，大多数的车辆耐撞性研究基于计算机仿真技术进行分析.姚松等[9]研究客运列车耐冲击吸能车体并提出新的设计方法.刘金朝等[1]用PAMCRASH对25型客车进行单节车体与静止刚性墙、单节车体与单节车体和车体与刚性墙斜撞等大变形碰撞进行仿真，并对车内假人模型的伤害情况进行研究.刘作广等[10]运用耐撞性仿真技术对高速列车上的基本吸能元件进行试验分析，其研究成果成功应用于北京8号线地铁.贾宇[11]用ANSYS/LSDYNA对DF8B型内燃机车和高速动车组进行仿真并根据蜂窝结构原理设计吸能装置.谢素明等[1213]和陈秉智等[14]近年来也开展对机车车辆大变形碰撞仿真工作的研究.

本文以某高速列车车体为研究对象，基于材料与结构一体化思想和大变形碰撞理论，通过对车辆吸能和防撞装置的结构和材料的研究提高车辆的被动安全性能.建立5种适用于高速动车的吸能结构，分别为普通双层吸能管结构、3种端部带有薄弱环节的典型双层吸能管结构和泡沫铝材料夹心双层吸能管结构.用PAMCRASH分别将5种不同的吸能结构安装到整车上进行相同编组对撞试验.针对碰撞仿真结果评价车辆的整体被动安全性，并通过各工况结果的对比，分析各个吸能装置的优劣.

1碰撞有限元仿真理论基础

在整个撞击过程中，钩缓吸能装置变形模式较好，为顺序褶皱变形，但运动头车的车钩吸能管的外层钢板没有发生完全压溃，产生部分滑移.从整体上看，车钩吸能管没有发生失稳现象，当前端吸能管吸能完成后，车体开始接触，车体前端开始发生塑性变形.变形区域主要集中在车辆司机室附近的地板和下部的牵引梁处.从车辆车身变形角度看，车辆钩缓装置和防撞装置起到很好的作用，车辆司机室和乘客区域没有发生褶皱和翘曲，为乘客和司机保留足够的生存空间.

3.2工况2下车辆碰撞仿真分析

工况2下车体前端不同时刻变形见图8，可知，钩缓吸能装置顺序发生褶皱变形，直至完全压溃.前端吸能管的薄弱环节设置起到很好的变形引导作用，没有发生不规则的失稳现象.当前端吸能管吸能完成后，车体开始接触，车体前端开始发生塑性变形.变形区域主要集中在车辆司机室附近的地板和下部的牵引梁处.

4.3碰撞过程中车体各部位加速度结果分析

根据EN 15227标准的相关规定，需要对相互碰撞的车辆加速度进行评价，因此在车体的各个位置分别选取加速度考察点.运动头车的加速度考察点选择如下：车体前端防撞装置考察点1746828，车体前端底架考察点1753469，车体后端考察点1921340.静止车体加速度考察点选择如下：车体前端防撞装置考察点10191561，车体司机室地板考察点10198247，车体后端考察点10369524.运动头车考察点加速度时间曲线见图14，静止头车考察点加速度时间曲线见图15.根据各考察点的最大加速度值和平均减速度值可以看出，当车辆发生碰撞时，车辆前端产生的最大加速度值和平均减速度值明显高于车体其他部位，说明车体前端的司机和乘客最容易受伤.在整个碰撞过程中车身的加速度值都没有超过相关标准中的规定；标准中规定平均减速度值小于5g，考察点全部满足要求.辅助参考美国的“旅客列车设备安全标准（621FR49727）”和“联邦汽车安全标准（FMVSS208）”规定，最大加速度小于60g，全部考察点满足要求，说明前端的钩缓装置和车体前端的防撞装置设置合理，满足车辆的被动安全性要求.

4.4各方案对比分析

虚拟碰撞试验参照欧洲EN 15227标准.该标准对车辆碰撞安全性的衡量主要体现在2个指标上：一个是车辆发生碰撞后的加速度，另一个是发生碰撞后车辆的逃生空间（车辆中有人员乘坐或通过的区域）的变形量.所以，对不同吸能装置的评价主要从以上2个指标考察.

由表1和2可知，工况5即装有泡沫铝夹心双层管车钩的车辆，碰撞后的加速度表现最好，所有考察点的最大加速度和平均减速度都小于其他工况的数值.由表3可知，在车身纵向压缩百分比和司机室垂向压缩百分比中，工况5即装有泡沫铝夹心双层管车钩的车辆的压缩量最小.

工况5所用车钩唯一的不足就是车辆撞击力不是在所有对比工况中最小的，主要原因是由于装有泡沫铝夹心的车钩刚度过大，导致车钩过早脱离车体，车辆过早接触，从而撞击力过大.在EN 15227标准中没有对撞击力做出明确要求，补充标准英国铁路组织标准GM/RT2100的第9.1条规定：对于非动车组和固定编组的列车，撞击力不应超过4 000 kN，最好限制为3 000 kN以内.工况5的撞击力没有超过补充标准中3 000 kN的规定.

5结论

基于材料与结构一体化思想，利用虚拟数值仿真技术，对5种不同的吸能管结构进行碰撞仿真分析.仿真结果表明：装有泡沫铝夹心装置的吸能管在整车碰撞仿真中性能最好，其在最大加速度、平均减速度和逃生空间这3大指标中都最优秀.所以，在今后铁路车辆吸能装置的设计上，可以适当引入泡沫铝夹心材料，以此来提高车辆的吸能效果.

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