中低速磁浮车体前端结构抗撞性优化设计

李晓峰，郑喜斌

(大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028)*

0 引言

中低速磁悬浮列车具有运行平稳舒适，低噪音(距10 m处不高于64 dB)，线路适应性强(转弯半径50～100 m;爬坡能力70‰)，安全可靠性高，建设及运营成本低，运营效益好等特点，是一种新型轨道交通模式［1-2］.为降低轨道交通事故造成的损失，国内外均在深入研究车辆的被动安全防护技术.被动安全防护主要是通过改善车体自身结构，使其具有良好的耐撞性［3-4］，并且车体安装的吸能部件能够按照人的意志有序地发生变形，尽最大可能地吸收车辆碰撞能量，增加压溃行程.

本文以某中低速磁悬浮头车作为研究对象，应用大变形碰撞仿真技术，建立有限元模型，对其进行被动安全性研究，并且通过仿真实验中得到的结构变形，优化车体第二级吸能装置(压溃管)的结构，使其吸能容量提高，以实现最大程度上降低事故损失.

1 碰撞有限元仿真理论基础

车辆碰撞是一个复杂的物理非线性过程，是一个在大约几百毫秒时间内，冲击载荷作用下发生的动态响应过程，其中包含大位移、大转动和大变形等几何非线性问题，求解过程较为复杂，碰撞的实质就是部件间相互接触问题，通过动态接触，部件与部件间传递力，从而引起零部件的变形和失效，所以在碰撞过程中必须考虑材料非线性、边界非线性以及变形对运动的影响.尽管如此，任何结构都要满足物体的运动方程、质量以及能量守恒定律.目前广泛应用的PAM-CRASH软件对于大变形碰撞问题的算法都是基于以下方程:

动量方程

式中，σij，j为柯西应力，ρ为瞬时质量密度，为体积力密度，i为加速度.

在撞击过程中，车体内任何部件都满足质量守恒定律.

质量守恒方程:

式中，γ代表相对体积，ρ代表当前质量密度，ρ0代表初始质量密度.

能量方程:

采用有限元法求解，其伽辽金形式平衡方程为

其中，δxi在S2边界上满足位移边界条件.应用散度定理，伽辽金平衡方程就可以写成

式(5)经单元离散后，就可以得到有限元法求解像车辆大变形碰撞之类的高度非线性动力分西的运动方程

对车体结构大变形碰撞问题进行显式动力分析时，最主要的困难是费时较多，为提高计算效率通常采用单点高斯积分法进行计算，但是该方法容易产生零能模式(沙漏模式)，零能模式的存在会导致解答失真或者求解无法进行［5］，因此，在具体分析时必须避免沙漏模式的出现.

2 中低速磁悬浮头车车体吸能结构

碰撞发生时，车体通过车钩缓冲装置、压溃管、车厢两端的可变形结构和车钩剪切螺栓的变形和失效来吸收能量，从而达到保护列车乘客的目的.本文主要研究压溃管对车体能量吸收的影响.

压溃管的强度比车身低，主要承受压缩力，安装于头车司机室底架前端，采用屈服强度稳定的材料经特殊处理制成，是列车防撞保护系统的主要组成元件，当车辆发生碰撞时，压溃管通过塑性变形来吸收能量，从而保护车体其他结构［6-7］.压溃管按其工作原理可分为折叠式压溃管和膨胀式压溃管;

(1)折叠式压溃管的吸能原理是:当压溃管受到较大纵向冲击载荷时，压溃管会出现弯曲或褶皱等失稳现象，管筒承受的轴向冲击转化成位移，使外筒变成折叠形状以达到吸能效果.

(2)膨胀式压溃管吸能原理是:当压溃管受到纵向冲击载荷作用时，外套筒与内顶杆之间产生摩擦，当冲击载荷足够大时，内顶杆不断挤压外套，使外套筒发生膨胀变形从而消耗能量以实现膨胀式压溃管的吸能效果.

本文中低速磁悬浮头车采用折叠式压溃管，车体上的压溃管位置如图1所示.

图1 压溃管在中低速磁浮头车中的布置

3 中低速磁悬浮头车碰撞仿真

本文采用单节头车正面撞击刚性墙仿真，只截取车体头部变形图，通过仿真试验中所得到的结构变形，优化车体前端吸能结构，提高车体前端吸能效果，最大程度上缩小客室变形，降低损失.

图2为头车正面撞击刚性墙时180 ms内车体的变形图，由图可知，20 km/h的头车正面碰撞刚性墙时，在端部吸能结构完全压溃时缓冲梁及车钩安装座均产生塑形变形，这表明吸能结构吸能不充分是引起缓冲梁及车钩安装座发生变形的主要原因之一.

图2 头车吸能结构与客室区域变形图

碰撞过程中车体能量随时间变化曲线如图3(a)所示，由图可知，在碰撞过程中随着车体动能的减少，内能不断增加，总能量保持不变.在碰撞180 ms过程中减少的动能被车体吸收，其中2/5的动能被前端吸能结构吸收，其余3/5的能量大部分被车体客室区吸收，撞击力随时间变化曲线见图3(b)，由图可知，车体最大撞击力为1 187 kN.

图3 车体能量及撞击力随时间变化曲线

4 压溃管吸能特性的研究

碰撞过程中压溃管的壁厚、结构形状以及焊接方式等对车体变形和吸能有很大的影响.为使车体安装的压溃管能够依照人的意志有序的发生变形，最大程度地保护司乘人员和旅客的人身安全，本文将逐一的研究以上因素对其吸能特性的影响.

4.1 压溃管厚度变化的影响

本文在初始计算中采用尺寸为940 mm×72mm×150 mm的压溃管，厚度为3 mm.为了确保压溃管能够完全压溃，在其端部施加8 t的质量.如图4所示.

图4 初始方案的压溃管分析模型

为使实验结果更加可靠，本文采用横向对比的方法，即压溃管的材料均采用AL_7005级，改变其壁厚分别为3、4和5 mm进行仿真，从而得出不同壁厚对吸能效果的影响.不同壁厚的压溃管撞击力及吸能随时间变化曲线，如图5所示，由图可知，不同壁厚压溃管的吸能效果以及变形触发力有明显不同，本文以表格的形式将两图对比结果统计出来，即表1，由表可以看出，吸能最多的是壁厚为5 mm的压溃管，与此同时其触发力的变化波动幅度也较大.

图5 压溃管撞击力及吸收能随时间变化曲线

表1 不同壁厚压溃管触发力和吸能效果对比

4.2 压溃管厚度变化的影响

本节将讨论压溃管不同结构对吸能效果的影响，文章总结了两种结构不同的压溃管，其编号分别为a、b，a压溃管使用AL_7005级材料制成，壁厚为3 mm，在其管壁开3个圆形诱导孔，b压溃管同使用AL_7005级材料制成，壁厚也3 mm，但b压溃管在a压溃管基础上增加了2个诱导孔.对比分析a、b两种压溃管的不同吸能效果.

将a、b压溃管分别以20 km/h速度撞击刚性墙，对比分析其吸能效果.a、b两种压溃管模型对比如图6所示.

图6 压溃管模型对比

仿真分析的结果如图7所示，图7(a)为压溃管的撞击力随时间变化图，我们可以看到压溃管b的撞击力较压溃管a明显降低，图7(b)为两种压溃管吸收能量随时间变化图，图中b压溃管的吸能效果明显优于a压溃管.综合所述，改变压溃管诱导孔的数量对触发力有改变，对压溃管吸能也有明显影响，诱导孔数量多，则吸能效果明显.

图7 两种压溃管撞击力及吸能随时间变化曲线

4.3 压溃管焊接方式的影响

前面研究了压溃管的壁厚对吸能效果的影响，本节将对吸能管焊接方式对吸能效果的影响进行讨论，方案一压溃管使用AL_7005级材料制成，壁厚3 mm，压溃管满焊在司机室地板上.方案二压溃管同使用AL_7005级材料制成，壁厚为3 mm，但方案二压溃管以20(200)断焊在司机室地板上.如图8，对比分析不同焊接方式的压溃管对吸能效果的影响.

图8 方案一、方案二压溃管焊接方式对比

仿真分析结果如图9所示，图9(a)为压溃管撞击力-时间关系图，可以看到方案二压溃管的撞击力较方案一压溃管明显降低，图9(b)为两种压溃管吸收能量—时间关系图，图中方案二压溃管在吸能方面也明显优于方案一压溃管.综合所述，改变压溃管的焊接方式对触发力有改变，对压溃管吸能也有明显影响.

图9 两种方案压溃管撞击力及吸能随时间变化曲线

4.4 优化后压溃管抗撞性验证

通过以上实验的分析，采用壁厚为3 mm、材料为AL_7005级，压溃管采用5个诱导孔，以20(200)断焊在司机室地板上.观察装有改进后压溃管的车体在碰撞180 ms的变形图，如图10所示.

对比图4，可以看到装有改进后压溃管的车体在碰撞过程中前端变形大大减少，且压溃管的变形良好，此处的应力集中得到削减，说明优化后压溃管确实能降低客室碰撞损失.

图10 不同时刻头车吸能结构与客室区域变形图

图11为车体能量随时间变化的关系图，图12(a)给出了压溃管局部吸能—时间关系图，由图可知，在180ms后，车体端部吸能占车体总吸能60%以上，大大高于改进前.图12(b)为车体撞击力—时间关系图，可以看到改进压溃管后触发力明显降低，这又证实了改进后的方案可以提高车体被动安全性.

图11 车体能量随时间变化的曲线

图12 优化前后吸能及撞击力随时间变化曲线

5 结论

本文以某中低速磁悬浮头车车体为研究对象，对车体前端压溃管的结构进行了优化，分别从压溃管壁厚、形状和焊接方式这三方面采用碰撞仿真软件PAM-CRASH进行了仿真实验，验证了优化后的压溃管能解决车体原结构在碰撞过程中发现的问题，并获得以下结论:

(1)压溃管管壁厚度与吸能效果成正比，壁厚大的压溃管吸能效果优于壁厚小的压溃管，但是触发力也随着壁厚增加而变大，车体变形不稳定;

(2)在压溃管上增加诱导孔的数量对于吸能效果有明显影响，同时可以降低触发力;

(3)压溃管以断焊的焊接方式连接在司机室地板上较满焊连接在司机室地板上吸能效果更好，触发力也相对较低.

结果表明在整个碰撞过程中车体前端吸能结构变形良好，并且车体客室区无明显塑性变形，这说明改进后的压溃管解决了上述出现的问题，达到了优化设计的目的.

［1］史筱红，潘冬花.磁悬浮列车的发展及现状［J］.科技论坛，2011，23:28

［2］TYRELL D C，SEVERSON K J，MARQUIS B P.Train crashworthi design for occupant survivability［C］.San Francisco:American Society of Mechanical Engineers，Applied Mechanics Division，1995.

［3］房加志，刘金朝，焦群英，等.铁路客车结构大变形碰撞特性的仿真研究［J］.中国农业大学学报，2004，9(4):76-78.

［4］卢耀辉，曾京，邬平波，等.铁路客车车体冲击大变形的研究［J］.机械科学与技术.2005，4(4):473-478.

［5］侯淑娟.薄壁构件的抗撞性优化设计［D］.长沙:湖南大学，2007.

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