车体弯曲对爬车程度影响的研究

徐世洲

(同济大学铁道与城市轨道交通研究院，上海 200092)

近几年来，我国的高速铁路得到了飞速的发展。随着第六次大提速的实施，列车速度等级不断提升，所具备的能量也不断增加，发生碰撞事故时产生的危害也不断增大。例如2011年温州动车事故造成40多人死亡，200多人受伤。各国科研人员为了提高列车碰撞过程中乘员的安全性，对此进行了深入的研究，并形成了相应的设计规范和标准[1-4]。研究发现，在列车碰撞过程中，车辆的端部结构分为三部分逐级吸收碰撞能量；同时，列车在碰撞过程中相邻车辆之间容易出现相互爬车的现象，爬车的程度直接影响到乘员的安全性[5]。在乘员舒适性、列车平稳性等方面，已经有考虑弯曲刚度的案例[6-9]。但是在碰撞领域，多体动力学中一般将车体模拟成刚性体，虽然简化了模型，但是没有考虑到车体的弯曲刚度。为此，本文将是否考虑弯曲刚度的情况进行了对比，研究了弯曲刚度对车辆爬车程度的影响，并讨论了影响弯曲刚度的因素。

1 列车碰撞仿真模型

1.1 车辆动力学模型

利用多体动力学软件Simpack建立两列车的 碰撞仿真模型，每列车均由三节车组成，相邻车辆之间通过弹簧吸能元件连接，如图1所示。每个车辆结构中包含车体、转向架、轮对等部件，其中一系悬挂包含三方向线性弹簧和减振器，二系悬挂包含弹簧、抗侧滚扭杆、横向止挡以及垂向和横向的减振器。车辆的具体参数见表1[10]。

图1 列车碰撞动力学模型表1 车辆模型计算参数

参数取值车体质量/kg32 000转向架质量/kg2 615轮对质量/kg1 813一系垂向刚度/(N·m-1)1.8×106一系横向刚度/(N·m-1)3.9×106一系纵向刚度/(N·m-1)3.1×107二系垂向刚度/(N·m-1)4.6×105二系横向刚度/(N·m-1)1.6×105二系纵向刚度/(N·m-1)1.6×105滚动圆半径/m0.46车钩距轨面高度/m1.05

1.2 考虑弯曲刚度的车体建模

在车体模型中考虑弯曲刚度的影响，将车体中间分为两部分，用0号铰接连成一体模拟不考虑弯曲刚度的车体，用2号铰接来模拟考虑弯曲刚度的车体。根据资料，在中间铰接点设置一个力元，y方向的弯曲刚度设置为6.0×108N·m/rad，3个方向的阻尼设置为1.0×104N·m·s /rad。左右两半车体的质心都设置在原完整车体的位置，高度为-1.8m。

2 列车碰撞仿真分析

2.1 列车直线碰撞

使用EN15227中定义的场景，模拟两列相同列车之间的碰撞，其中撞击列车以36km/h的速度撞击静止的列车。在仿真过程中，选取两列车车钩的位置作为撞击的作用点，点A位于撞击列车，点B位于静止列车，初始状态下车钩距轨面高度1.05m。

车体在不考虑弯曲刚度情况下模拟碰撞的过程，由于在碰撞力作用下发生点头运动，导致A,B两点产生垂向间距，最大的垂向间距为33.634mm，如图2所示。

图2 不考虑弯曲刚度列车的碰撞位移历程

车体在考虑弯曲刚度的情况下，A,B两点最大的垂向间距为51.93mm，如图3所示。由此可知，考虑弯曲刚度的情况下最大垂向间距明显变大，列车爬车程度受弯曲刚度影响明显。

图3 考虑弯曲刚度列车的碰撞位移历程

2.2 弯曲刚度对爬车的影响

列车之间的差异会对碰撞的结果产生影响，比如车体的质量、点头频率、质心高度等等。为了研究车体弯曲刚度对爬车程度的影响，分别对不考虑弯曲刚度和考虑弯曲刚度两种情况下的爬车程度进行分析，列车的参数见表2。

表2 列车碰撞参数

2.2.1车体质量

图4显示的是不同质量的两列车在撞击过程中A，B两点的垂向间距，可以看出是否考虑车体的弯曲刚度对仿真的结果有较大的影响，且考虑弯曲刚度的爬车程度比未考虑的情况更大。当车体质量的变化率从10%变化到30%时，对弯曲刚度的敏感程度大体一致。

图4 车体质量对列车碰撞爬车垂向位移的影响

2.2.2点头频率

两列车具有不同的点头频率时，将会产生相邻车辆间的爬车现象，车体的点头频率f可由式(1)确定。

(1)

式中：l为转向架中心距的一半；ksz为二系垂向刚度；Icy为车体点头转动惯量。

为分析点头频率对弯曲刚度的影响，撞击列车的点头频率保持1.41Hz不变，静止列车的点头频率由1.52Hz变化到1.80Hz，增加的范围为10%～30%。图5显示的是A，B两点随时间变化的垂向位移，可以看出，不同的点头频率对弯曲刚度的敏感程度大体一致。

2.2.3质心高度

不同的车体结构、车载设备的布置方式以及载客情况都会对列车的质心高度产生影响，不同的质心高度在相同的撞击力的作用下会产生不同的点头力矩，从而出现不同的点头运动。

图5 点头频率对列车碰撞爬车垂向位移的影响

为分析列车质心高度对弯曲刚度的影响，撞击列车的质心高度保持距离轨面1.80m不变，将静止列车的质心高度由1.98m变化到2.34m，由提高10%增加到提高30%。从图6可以看出，列车质心高度较小时对弯曲刚度更加敏感。

图6 不同质心高度对列车碰撞爬车垂向位移的影响

2.3 影响弯曲程度的因素

从前文可以看出，爬车程度受弯曲刚度的影响非常明显，在考虑车体弯曲刚度的情况下爬车程度增长明显。弯曲程度除了跟撞击作用点的初始垂向偏差有关，相邻车体之间车钩上的撞击力对弯曲程度也有很大影响。为了研究垂向偏移量和车钩撞击力对弯曲刚度的影响，设定撞击列车的参数保持不变，只改变静止列车的参数。

2.3.1初始垂向偏移量

为分析初始垂向偏移量对变曲程度的影响，设置撞击列车的车钩高度高于静止列车，且两个车钩的高度差从20mm增大到35mm。图7显示的是车体中心铰接处的扭转角度，可以看出，垂向偏移量越大，扭转角度越大，对弯曲程度的影响就越大。

2.3.2撞击力

模型中撞击力-位移曲线分为3个阶段：车钩撞击阶段(第一阶段)、防爬器撞击阶段(第二阶段)、车体撞击阶段(第三阶段)，分别改变3个阶段撞击力的值，以此来研究撞击力对弯曲程度以及爬车的影响。

图7 垂向偏移量对弯曲刚度的影响

依次将第一阶段、第二阶段、第三阶段的撞击力分别增大10%、20%、30%、40%，观察其对弯曲程度的影响。如图8所示，增加第二阶段的撞击力对弯曲程度的影响非常明显，并且力越大，影响越大。改变第一阶段撞击力的影响弱于改变第二阶段撞击力的影响，但也是撞击力越大，影响越大。改变第三阶段的撞击力，车体扭转角度维持在一固定值上下波动，对弯曲程度几乎没有影响。

图8 撞击力在不同阶段对弯曲刚度的影响

观察图9中撞击力对爬车的影响，可以看出随着撞击力的逐渐增大，第二阶段撞击力的变化对爬车的影响最为显著，其次是第一阶段撞击力的变化，第三阶段撞击力的变化让扭转角度维持在同一水平上下波动。

图9 撞击力不同阶段对爬车的影响

3 结论

1)在不考虑车体弯曲刚度和考虑车体弯曲刚度两种情况下对爬车程度进行分析，可以更加逼真地仿真碰撞爬车的过程，以便为优化车辆的被动安全性提供参考。

2)列车碰撞过程中不同影响因素对弯曲刚度的敏感程度也不同，可以看出质心高度对弯曲刚度更加敏感，且质心越低敏感程度越高。

3)车体弯曲程度受车钩初始垂向偏差以及撞击力的影响，初始偏差越大，对车体弯曲影响越大。随着撞击力的不断增大，防爬器对弯曲程度的影响最大，其次是车钩，车体对弯曲程度则几乎无影响。