基于逐级吸能原理的地铁B型车耐撞性分析

张勇韦海菊

基于逐级吸能原理的地铁B型车耐撞性分析

张勇1韦海菊2

（1.南京地铁建设有限责任公司系统设备处，210017，南京；2.中车南京浦镇车辆有限公司，210031，南京//第一作者，高级工程师）

基于逐级吸能原理，建立了地铁B型车的非线性大变形碰撞动力学有限元力学模型，应用LS-DYNA非线性大变形分析软件，对两列列车碰撞情形进行了数值模拟分析。研究结果表明：列车结构设计符合逐级吸能原理的要求，仅吸能装置和部分车体端部结构产生了塑性变形，客室结构区域纵向长度的最大变化值均小于其总长的1%，乘客的生存空间可以得到保障，且列车间不会发生爬车现象。

地铁列车；耐撞性；吸能防爬装置；逐级吸能

Author′s addressSystem Equipment Division of Nanjing Metro Construction Co.，Ltd.，210017，Nanjing，China

随着城市轨道交通技术的不断进步和发展，碰撞安全问题作为现代车辆设计中的重要组成部分已成为城市轨道车辆设计研究的一个热点。碰撞安全技术可分为主动防护技术和被动防护技术两类。主动防护技术主要是指为防止碰撞所采取的各项防范措施；被动防护技术则是指车辆所采用的耐碰撞结构，通过耐碰撞结构的塑性变形，耗散撞击动能，提高车辆的耐碰撞性，最大限度地保护乘员生命安全和车辆主体结构的完整。

在城市轨道交通车辆的被动防护技术研究方面，有限元数值模拟以其经济便捷、操作性强、周期短和可重复性成为目前最常用的结构耐撞性设计与验证手段之一。主要研究内容包括：吸能元件设计与仿真［1］、结构薄弱位置及其改进［2］、碰撞能量管理［3］、乘员安全性［4］、列车侧面碰撞安全性［5］等。本文主要基于逐级吸能原理，对地铁列车的耐撞性进行分析，从而达到指导车体结构耐撞性设计的目的。

1 耐碰撞车体的逐级吸能原理

传统轨道交通车辆的设计，主要以保证承载结构的完整性为目标，即在最恶劣的载荷条件下车辆承载结构也不允许有永久变形，因此将其设计成一个近似连续的刚性体。而耐碰撞车辆结构设计的目标则是通过引入吸能结构，合理安排不同部位的纵向刚度，以保证在意外碰撞事故发生时，通过附加在头车前端的专用吸能装置或头车车体薄弱部分结构产生可控的有序失效变形，吸收和耗散能量，这即是碰撞能量的逐级吸收原理。列车多级能量吸收系统的吸能顺序和过程如图1所示。

采用多级能量吸收系统吸收撞击能量，在第一速度界限下，车钩缓冲装置起作用；在第二速度界限下，车钩剪切装置被破坏，碰撞车辆的防爬器啮合，吸能装置吸收能量；在第三速度界限下，前两部分吸能达到极限，剩余能量由车体端部的易变形区吸收，保证车体的生存空间不受影响。该原理要求设计的车体结构应满足以下要求：

（1）碰撞动能应尽可能地以不可逆的形式转化为变形能，即结构以塑性变形来吸收动能，而不是以弹性变形来储存这种能量，否则，将导致车辆发生巨大的“二次碰撞”。

（2）吸能元件塑性屈服变形呈逐步渐进式，其特征曲线呈现振荡波形，在碰撞冲击变形的很长距离内冲击力水平基本保持一致，从而确保作用在司乘人员身上的加速度值不超过人体的耐受极限，且具有良好的“比吸能”特性。

（3）吸能结构既是吸能部件又兼有纵向力的传递功能，应有合理的纵向刚度和弯曲刚度，同时具有足够的能量吸收能力、延缓碰撞作用时间的能力，以及足够的失效变形行程，从而保证吸收更多冲击动能，且在变形吸能过程中不造成次生破坏。

（4）无论是附加式吸能装置，还是承载式吸能结构部件，都应尽可能做到在车体结构中的位置合理，而且成本低、易制造、易更换。

2 地铁列车的碰撞有限元模型

南京地铁6辆编组B型车采用模块化结构设计，将整车（包括头车和中间车）结构进行分解，形成若干独立而又相互联系的子结构，主要分成车顶模块、底架模块、侧墙模块、端墙模块、司机室模块等。防爬吸能装置主要由吸能元件、导向元件及防爬器等组成。头车和中间车的结构如图2、图3所示。

在列车发生正面碰撞过程中，头车前端车钩首先接触，车钩断裂后头车前端防爬器开始接触，而且车体主要依靠吸能防爬装置的吸能元件来吸收能量；吸能防爬装置破坏后司机室结构随后受到撞击，因此，司机室及所有车体的前端部分都是可能发生结构大变形的区域。因此，有限元模型中对吸能防爬装置和前端吸能结构进行了详细建模。头车、中间车以及整列车有限元模型如图4～6所示。

根据标准和技术规格书要求，当一列静止并制动的空载列车承受速度超过20 km/h而低于25 km/h的另一列列车的冲击时，首先是车钩剪断，防爬器参与吸能；然后是司机室变形区吸收剩余的能量。司机室结构由于吸能结构的破坏将导致其结构被破坏，客室车厢无影响使用的塑性变形。

图3 地铁列车中间车结构

图4 地铁列车头车有限元模型

图5 地铁列车中间车有限元模型

图6 整列地铁列车碰撞有限元仿真模型

3 地铁列车耐撞性仿真分析结果

3.1 碰撞变形

地铁列车碰撞相对速度为25 km/h，碰撞仿真时间为800 ms。图7～8给出了碰撞结束时主、被动车头车的变形图；图9给出了碰撞结束时刻主、被动车防爬吸能装置变形图。

图7 主、被动车头车的变形图

图8 主、被动车中间车的变形图

图9 主、被动车防爬吸能装置变形图

可以看出，碰撞结束后，主、被动车头车界面处的车钩缓冲装置发生了剪切破坏；头车前端吸能装置结构产生了明显的塑性变形，前端司机室结构则并未产生明显塑性变形；各中间车车端结构都未发生碰撞接触，客室结构未产生塑性变形。

3.2 乘客生存空间

从乘客生存空间的角度，图10～11分别给出了列车碰撞最严重的两节车（主动车A1、被动车B1）乘客生存空间纵向长度变化量随时间的变化曲线。

图10 A1车乘客空间纵向长度-时间变化曲线

图11 B1车乘客空间纵向长度-时间变化曲线

从图中可以看出，在整个碰撞过程中主动车A1乘客生存空间纵向长度变化量的最大值为9.871 mm，远小于乘客生存空间纵向长度的1%（A1车乘客生存空间纵向长度为20 340 mm）；被动车B1车乘客生存空间纵向长度变化量的最大值为12.777 mm，远小于乘客生存空间纵向长度的1%（同A1车），可见主、被动车的乘客生存空间均能满足标准EN 15227的要求。

3.3 碰撞能量分配

碰撞结束后，地铁列车的碰撞能量随时间的变化曲线以及碰撞能量分布如图12和表1所示。

图12 列车碰撞能量-时间曲线

从表1可见，地铁列车的碰撞动能由初始4 765.390kJ到碰撞结束后剩余的动能为1 940.230 kJ，占初始动能的40.715%；碰撞过程中共吸收能量1 978.429 kJ，占初始动能的41.517%，主要由各吸能防爬装置、各车辆的端部结构、车钩缓冲装置所吸收，分别占总吸收能量的33.824%、19.969%、46.207%；另外，接触面上耗散掉的滑移能也很可观，为785.505 kJ，占初始动能的16.483%；模型沙漏能较少，为61.226 kJ，仅占初始动能的1.285%。表1中的数据表明列车的结构设计符合逐级能量吸收原则。

表1 列车碰撞能量分配表

4 结论

通过基于逐级吸能原理的地铁列车耐撞性分析，可以得到以下结论：

（1）列车结构设计符合逐级吸能原理的要求。发生碰撞时，仅吸能装置和部分车体端部结构产生了塑性变形，客室结构区域纵向长度的最大变化值均小于其总长的1%，乘客的生存空间可以得到保障。

（2）吸能防爬装置产生了多个塑性铰，有稳定的屈服变形；同时，吸能装置能够提供碰撞车辆间稳定的互锁，并将产生的最大界面力适当地传递到互锁界面上，列车间不会发生爬车现象。

［1］雷成，肖守讷，罗世辉.轨道车辆切削式吸能装置吸能特性研究［J］.中国机械工程，2013，24（2）：263-267.

［2］XU X，SCHMID F，SMITH R A.Analysis of the structuralcharacteristics of an intermediate railvehicle and their effecton vehicle crash performance［J］.J Railand Rapid Transit，2007，221：340-352.

［3］HOSSEINI-TEHRANI P，BAYAT V.Study on crashworthiness of wagon′s frame under frontal impact［J］.International journal of Crashworthiness，2011，16（1）：25-39.

［4］张志新，肖守讷，阳光武，等.高速列车乘员碰撞安全性研究［J］.铁道学报，2013，35（10）：24-32.

［5］舟津浩二.车辆侧面碰撞时车体变形评价［J］.国外铁道车辆，2007，44（1）：29-33.

连云港至徐州高铁开工建设

7月13日10时58分，在江苏省新沂市，随着第一根桩基在机器轰鸣声中顺利开钻，新建连云港至徐州铁路拉开了全面开工建设的序幕。新建连徐铁路东起连云港，西至徐州，正线全长180.03 km，总投资281.7亿元，建设工期3.5年，预计2020年12月完工。全线设置连云港、东海、新沂南、邳州东、后马庄和徐州东6座车站，速度目标值每小时350 km。据了解，目前从连云港到徐州开车需要2.5 h左右，到南京要4 h以上。新建连徐铁路建成后，江苏北部地区将形成高效便捷、内连外通的高速铁路网，区域内主要城市之间、与周边大中城市之间将形成1至2 h交通圈。新建连徐铁路的东起点连云港同样也是新亚欧大陆桥的起点。该项目建成后，将与宝兰高铁连通，与兰新高铁一起形成一条贯通东、中、西部地区的大通道，使“一带一路”沿线国家之间的往来更加便捷。

（摘自2017年7月19日《人民铁道》报，记者孙业国、栗铮报道）

Analysis of B-type Subway Train Crashworthiness Based on Step-by-step Energy Absorption Principle

ZHANG Yong，WEI Haiju

Based on the principle of step-by-step energy absorption，a finite element model of nonlinear large deformation collision dynamics for B-type subway train is established.LSDYNA nonlinear large deformation analysis software is used to conduct a detailed numerical simulation of the collision between two trains.The results show that the design of the train is in accordance with the requirements of the step-by-step energy absorption principle，plastic deformation is only observed in energy absorption device and part of the train.The maximum change of the longitudinal length of the passenger compartment structure area is less than 1%of the total length of the train energy structure，thus the living space for passengers can be guaranteed，there will be no climbing of one train on another at the same time.

subway train；crashworthiness；anti-climbing device；step-by-step energy absorption

U270.1+2

10.16037/j.1007-869x.2017.08.008

2017-03-13）