基于ASME标准的地铁车辆防撞柱弹塑性分析

刘洪涛,王科飞,骆起 ,赵国丹 ,张春玉 ,李晓峰

(1.中国中车集团 长春轨道客车股份有限公司国家轨道客车工程研究中心，吉林 长春 130062；2.大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028)

基于ASME标准的地铁车辆防撞柱弹塑性分析

刘洪涛1,王科飞1,骆起1,赵国丹1,张春玉1,李晓峰2

(1.中国中车集团 长春轨道客车股份有限公司国家轨道客车工程研究中心，吉林 长春 130062；2.大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028)

基于最新美国地铁车体设计标准ASME RT-2:2014，研究车体前部防撞柱弹塑性变形的规律.首先，确定防撞柱承受载荷的条件，根据载荷条件归纳设计、计算和试验的基本技术路线；其次，建立防撞柱弹塑性计算的有限元模型，根据载荷要求与边界条件，分析防撞柱弹塑性变形的力及位移的变化规律；最后，基于设计结构进行弹塑性试验，对比试验结果与计算分析的一致性.采用ASME RT-2 2014标准设计和研究防撞柱弹塑性问题，可为同行学者进一步进行技术研究提供参考.

轨道车辆；防撞柱；弹塑性；计算分析；试验验证

0 引言

随着国内外关于地铁轻轨车辆、磁悬浮车辆和高铁路车辆碰撞标准体系的建立，车辆碰撞被动安全越来越受到运营用户、车辆制造厂和研究机构的关注，在国内已经形成相关的理论和试验研究体系，其方法和结论对车辆制造厂的项目研发提供了关键的技术指导[1-3]，特别是中国中车在美国市场执行的地铁项目，车辆不仅满足各种静强度和疲劳载荷的要求，还要满足事故造成破坏时保护车辆及乘客不再受二次伤害的要求.

对于车辆在运行事故时起到保护作用的关键部件结构的开发已经成为目前各国同行研究的重点，其中特别是对车体防撞柱的研究.防撞柱设计在车辆前部，起到保护车辆端部结构和整车结构安全的重要作用[4].在常规速度碰撞中发挥结构支撑作用；在高速碰撞和更为特殊的情况下发挥防止车辆前部被挤压和车辆爬车的重要作用.目前可查到的国外研究文献大多集中在对美标APTA S-034的研究[5]和承受载荷后的失效研究方面[6]，对于基于目前最新ASME RT-2:2014标准的防撞柱弹塑性分析和试验研究并不多见.

本文以某北美地铁车辆为研究对象，基于最新车体设计标准ASME RT-2:2014，研究车体前部防撞柱弹塑性变形的规律.首先，确定防撞柱承受载荷的条件，根据载荷条件制定设计、计算和试验的基本技术路线；其次，建立防撞柱弹塑性计算的有限元模型，根据载荷要求与边界条件，分析得出了防撞柱弹塑性变形的力值及位移的变化规律；最后，基于设计结构进行实车防撞柱的弹塑性试验，对数据进行分析，对比试验结果与计算结果的一致性，证明防撞柱的结构可以满足ASME RT-2 2014标准要求，可以在批量化的实车生产中进行推广应用.

1 防撞柱弹塑性载荷(E-P载荷)

美国标准ASME RT-2 2014[7]中对防撞柱的载荷要求分为弹性载荷和弹塑性载荷，对于弹性载荷属于静强度的研究范围，对于弹塑性研究属于结构力学失效的研究范围，具体表述见表1.

表1 防撞柱弹塑性E-P载荷

防撞柱深度尺寸D，载荷在890 kN (200，000 lb)×0.33基础上逐步升高，使加载产生的塑性位移达到D/3，防撞柱本身和其与下部及上部的连接点不发生断裂(如图1所示).

图1 防撞柱E-P载荷作用示意

2 防撞柱的弹塑性仿真计算

基于ASME RT-2 2014中载荷的施加方法，对某美国地铁车辆拟采用的防撞柱进行动态的弹塑性分析，模拟采用LS-DYNA软件基于材料的非线性属性的计算模拟方法进行[8].

计算边界条件设置为纵向的载荷施加和端部位移约束，载荷从基础载荷逐步上升，以确保满足防撞柱457 mm高度位置的纵向位移达到1/3深度，加载随着力的增大位移逐渐增大，计算显示，加载点位置的纵向位移达到202 mm，卸载的后半段位移显示最终的塑性变形维持在141 mm， 大于1/3深度，可判定计算满足最新标准的要求.

防撞柱经历了线弹性和塑性的变化过程， 在中部的位置应力超过屈服点，并发生了塑性变形；在下部的各位置塑性位移在逐步减小；上部及下部的连接点没有发生断裂，结构保持完整性，中部位置经历从线弹性到塑性的变形，状态如图2所示，变形符合预期设计，满足标准要求.

图2 防撞柱弹塑性计算结果

图3为变形的纵断面图，从图可以看出变形趋势与设计初期变形的预计(图1)非常接近，变形最大位置出现在防撞柱的高度方向上的中间位置，变形尺寸为354 mm，加载点处变形位移为141mm.

图3 防撞柱弹塑性计算变形数据

图4为计算获得的加载力和位移曲线，线弹性阶段线性良好，说明加载处于材料的屈服前阶段；超过屈服后结构保持了在35 mm范围内近于线性变化，说明处于结构线性变形阶段；从位移40 mm至位移202 mm之间，整个结构开始塑性变形；在卸载阶段位移回弹，直至保持在141 mm的塑性位移.

图4 防撞柱计算模拟力和位移曲线

通过图4分析出，结构的线性变形阶段持续的位移远大于材料的线性屈服阶段，说明对于防撞柱的设计应最大程度的考虑结构线性变形，设计的结构趋于承受静强度载荷的同时，弯曲刚度尽可能的减小，即结构应保持更好的弹性.以上计算按最新的ASME RT-2 2014标准对防撞柱进行，基于计算数值作为后续实际塑性试验的基础.

3 弹塑性试验验证

在计算仿真的基础上，进行弹塑性的试验以确保设计完全符合标准要求.一般加载方式分直接用加载车加载[9]和通过加载车上的作动器加载.本试验使用作动器加载，加载车进行严格的纵向约束，车辆后端刚性墙约束，在刚性墙位置布置位移和载荷传感器，车辆横向在加载端和后端保护限位，具体的试验布局如下图5所示.

图5 车辆防撞柱弹塑性试验总体布局

对试验后防撞柱变形的状态和数据比较是研究的关键，从图6中可以看出，防撞柱塑性试验后的变形与计算模拟的变形吻合，说明结构的弹塑性计算模型是合理有效的.

图6 试验后状态与计算模拟比较

图7 中给出了防撞柱各位移计测点的测量数据，经过与计算数值的比较，计算数值的变形位移略大于实际试验的数值，误差大致在13～37 mm，分布在从上至下的高度上，经过分析认为此为计算模拟不能完全建立各零部件之间的接触约束关系，特别是在塑性变形阶段，也会发生新的约束接触关系，所以计算结果略大于试验值.

图7 防撞柱各位移测点试验与计算比较

4 结论

根据ASME RT-2 2014标准中的载荷要求，分析得出了防撞柱弹塑性变形的力值及位移的变化规律，通过对防撞柱塑性变形的计算仿真和试验，表明计算出变形位置与试验的变形位移吻合，对比试验结果与计算分析的一致性，说明防撞柱的设计完全能够满足目前最新的标准ASME RT-2 2014的要求，可以在批量化的实车生产中进行推广应用.

本文的研究路线可为同行学者进一步技术研究的参考.

[1]陈秉智, 杨慧芳, 兆文忠.高速动车组碰撞仿真研究[J] .大连交通大学学报，2011,32(2):11-16.

[2]李晓峰，郑喜斌.中低速磁浮车体前端结构抗撞性优化设计[J].大连交通大学学报，2015,36(增1):38- 45.

[3]牛超， 邵微， 陈秉智.地铁车辆耐撞性分析及多级能量吸收系统的验证[J].计算机辅助工程，2014(4):85-89.

[4]TYRELL D, JACOBSEN K, MARTINEZ E.A Train-to-Train Impact Test of Crash Energy Management Passenger Rail Equipment:Structural Results[J]. American Society of Mechanical Engineers,2006(11): 13597.

[5]MAYVILLE R, JOHNSON K, TYRELL D. Rail Vehicle Car Cab Collision and Corner Post Designs According to APTA S-034 Requirements[J]. American Society of Mechanical Engineers, 2003(11): 44114.

[6]STRING FELLOW R, PAETSCH C. Modeling Material Failure During Cab Car End Frame Impact[J]. American Society of Mechanical Engineers, 2009(3): 63054.

[7]US-ASME. ASME RT-2-2014 Safety Standard for Structural Requirements for Heavy Rail Transit Vehicles[S]. US:[s.n.], 2014.

[8]JOHN O. LS-DYNA Theory Manual [M]. US: Livermore Software Technology Corporation， 2016.

[9]PRIANTE M, LlANA P, JACOBSEN K, et al.A Dynamic Test of a Collision Post of a State-of-the Art End Frame Design[J]. American Society of Mechanical Engineers, 2008(9): 74020.

ResearchontheElastic-PlasticofCollisionPostforMetroVehiclesbasedonASMEStandard

LIU Hongtao1， WANG Kefei1， LUO Qi1， ZHAO Guodan1， ZHANG Chunyu1，LI Xiaofeng2

(1.CRRC Changchun Railway Vehicles Co. , Ltd，Changchun 130062， China；2.School of Traffic and Transportation Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China)

Research on the elastic-plastic deformation of collision post based on ASME RT-2:2014 standard of U.S about metro vehicle carbody design. First， according to the collision post loading conditions， determine the technical route for design， calculation and test; Secondly， the establishment of FEA calculation model of collision post， according to the load requirements and boundary conditions， study analysis of the deformation stress and displacement; Finally， based on design structure and FEA result start the elastic-plastic test， then the calculated data and the test data are compared and analyzed， a very uniformity consistent with the data. Using the latest standards for the design and research of collision post， it is the first time in the world that the research route of this paper can be used to study further.

track vehicle; collision post; elastic-plastic; calculation analysis; test verification

1673- 9590(2017)06- 0046- 04

2017- 05- 04

国家科技支撑计划资助项目(2016YFB1200504-A-05)；中国铁路总公司科技研究开发计划资助项目(2015J007-H)

刘洪涛(1982-)，男，高级工程师，硕士，主要从事有轨车辆车体和总体技术的研发和应用的研究

E-mailliuhongtao@cccar.com.cn.

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