高速列车碰撞缓冲吸能平台力设计研究
2019-07-18姜士鸿闫凯波陆思思张芳瑶许平
姜士鸿,闫凯波,陆思思,张芳瑶,许平
高速列车碰撞缓冲吸能平台力设计研究
姜士鸿1,闫凯波2,陆思思2,张芳瑶2,许平2
(1. 中车长春轨道客车股份有限公司,吉林 长春 130062;2. 中南大学 轨道交通安全教育部重点实验室,湖南 长沙 410075)
为研究高速列车吸能元件平台力的不同配置对碰撞响应的影响,建立8编组列车一维碰撞动力学模型。对列车吸能元件的平台力进行配置,分别为所有列车吸能元件平台力均相等,列车吸能元件平台力从车头向车尾呈指数减小,列车吸能元件平台力从车头向车尾呈指数增大。对具有不同吸能元件平台力配置的列车碰撞进行仿真分析,研究不同配置的列车吸能元件平台力对列车碰撞动力学响应的影响。研究结果表明:列车中间车吸能元件平台力小于或等于头车吸能元件平台力时易导致刚性碰撞,列车中间车吸能元件平台力大于头车吸能元件平台力时可避免车辆间的刚性碰撞,在不发生刚性碰撞的前提下,中间车吸能元件平台力与头车吸能元件平台力相差较小时,吸能效率较高,反之则吸能效率较低。
高速列车;车体耐撞性;吸能元件;平台力配置
高速列车以其准时、快速、便捷的优点,在交通领域扮演重要角色。安全性是交通领域时谈时新的重要主题,轨道交通的安全性主要由2方面保证:主动安全防护及被动安全防护。主动安全防护系统是指利用一系列主动防护措施避免事故发生,保证车辆正常运行时的安全;被动安全防护系统则是指在发生碰撞事故时,将碰撞能量以稳定、可控的方式转化为吸能元件的变形能而耗散掉,最大限度地降低碰撞事故的损害程度,保证乘员安全和车辆载客区结构完整性。高速列车质量较大,运行速度较快,在碰撞过程中会产生巨大的能量,因此亟待开展高速列车耐撞性研究。目前的研究方法主要包括整车碰撞试验及数值仿真。由于整车碰撞试验费用昂贵,姚曙光等[1−4]建立了列车碰撞小尺度等效模型,并开展了列车小尺度等效模型碰撞试验,研究表明通常头车吸能元件吸能量最大,后续各碰撞界面吸能量逐级递减。对列车被动防护方面的数值仿真研究主要依赖于有限元仿真分析及基于多体动力学的仿真分析[5−6]。与有限元仿真分析相比,基于多体动力学的仿真分析将大大降低计算资源及时间,在列车耐撞性研究中广泛应用。国内外学者通过建立列车碰撞的动力学模型研究了车体所能承受的撞击力及车体端部结构变形[7−8]。20世纪80年代,英国最早提出了采用车辆端部设置变形吸能结构来实现耐碰撞车体的设计思想,变形吸能结构必须具有大变形可控、碰撞力稳定和结构简单的特点。20世纪90年代,英国和法国通过耐碰撞机车车辆的设计、制造和试验,分别证明了采用多级能量吸收系统能够明显提高列车碰撞事故中车体结构的安全性。20世纪末至本世纪初,在美国联邦铁路管理局(FRA)主导的碰撞研究中,碰撞动力学模型一直被应用。LU[9]通过开展线性和非线性的多体动力学仿真得出列车碰撞时头车吸能量最大,次节车吸能量少于头车吸能量的45%。王宝金等[10]利用MADYMO软件对列车碰撞过程进行了动力学仿真分析,田红旗等[11−13]将车体设计为不同的纵向刚度,采用多体动力学理论进行研究,对列车撞击障碍物的过程进行了数值模拟。列车碰撞能量管理的核心思想是将车体的纵向刚度梯度化,增加乘员区刚度,降低非乘员区刚度,使车体的变形发生在非乘员区,从而保护乘员区的完整性,目前的研究中,车体各界面吸能元件均采用相同的平台力配置,研究表明列车碰撞能量主要集中于头车及机次位,后续各碰撞界面吸能量逐级递减,这就会导致后续各界面设计吸能量的冗余,造成资源浪费。为实现高速列车吸能元件的合理配置,本文基于多体动力学理论,以8编组高速列车为研究对象,研究列车在碰撞标准EN15227规定的碰撞场景下吸能元件不同平台力配置对列车碰撞动力学响应的影响,为高速列车被动防护设计提供理论依据。
1 高速列车碰撞动力学模型
1.1 列车弹簧−质点模型
高速列车编组如图1所示,共8辆,车端配置有头车车钩及头车吸能元件,中间车界面处配置有中间车车钩及中间车吸能元件。将车钩及吸能元件等效为非线性弹簧单元,将车体等效为质点单元,如图2所示。根据碰撞标准EN15227中对仿真计算场景的要求,2列相同编组列车碰撞时,撞击时速应为36 km/h,碰撞质量为车体质量与50%定员质量之和,高速列车碰撞质量如表1所示。车端缓冲吸能装置包括三级防护装置,具有逐渐增大的平台力,如图3所示。在碰撞发生时首先缓冲器被压缩,碰撞载荷逐渐增大,直至缓冲器脱落。之后缓冲器后的压溃管开始发生塑性变形吸收能量,若此时碰撞动能依然未被完全吸收,则吸能元件被压溃而继续吸收能量。通过车端三级缓冲吸能装置的作用,碰撞动能逐渐被耗散,以保证乘客区及司机室的生存空间完整。
1.2 动力学求解方程
按照列车纵向动力学理论,将组成列车的各节车辆简化为单一质点,将连接相邻车辆的缓冲吸能装置等效为非线性弹簧单元。非线性弹簧单元同时考虑车钩缓冲器的加载、卸载特性、车钩压溃管及吸能元件的塑变特性。将缓冲吸能装置的载荷−位移特性曲线作为输入赋予各车辆间的非线性弹簧单元。
1—头车车钩;2—头车吸能元件;3—中间车吸能元件;4—带压溃管中间车钩;5—带气液缓冲器中间车钩。
图2 列车等效弹簧质点系统
图3 列车多级吸能装置
表1 列车质量分布
该模型考虑车体的纵向运动及变形,每个车体质点所受到的力包括与轨面的摩擦力以及相邻车体间的非线性弹簧力。根据牛顿第二运动定律,每个车体质点的运动方程如式(1)所示。
式中:m为第个车体质点的质量;x为第个车体质点的位移;fric为第个车体质点与轨面之间的摩擦力;lspring为第个车体质点左端所受到的非线性弹簧力;rspring为第个车体质点右端所受到的非线性弹簧力。
对所有车体质点运动方程采用扩维降阶的处理方法,得到一阶、常微分和非线性方程组:
对于这样的方程组求解,可以使用在工程上广泛运用的4阶Runge-Kutta法进行求解。求解后可以直接得到不同编组位置的车辆速度、加速度、位移的时程曲线,车钩以及吸能结构的变形行程等。然后,通过分步积分法可以得到不同编组位置的车辆摩擦力所消耗的动能和车钩、吸能结构变形所吸收的冲击动能。
2 吸能元件平台力设计
2.1 车钩及吸能元件吸能特性
为了分析不同平台力的吸能元件对列车纵向碰撞响应的影响,对各个界面吸能元件的平台力进行设计。根据GM/RT2100标准[14]规定,每个碰撞界面的平台力不超过3 000 kN。为分析吸能元件不同平台力配置对列车碰撞动力学响应的影响,始终保持车钩缓冲器及压溃管的触发力不变。
车钩缓冲器采用气液缓冲器,头车车钩缓冲器触发力为1 000 kN,最大压缩行程为100 mm,最大拉伸行程为30 mm,压溃管平台力为1 800 kN,最大压缩行程为600 mm;中间车车钩缓冲器触发力为800 kN,最大压缩行程为62 mm,最大拉伸行程为30 mm,压溃管平台力为1 800 kN,最大压缩行程为450 mm。图4为头车及中间车车钩缓冲器载荷−位移特性曲线。
(a) 头车车钩;(b) 中间车车钩
2.2 平台力设计
本文将吸能元件的平台力按照指数形式进行分布设计,最大值应小于每个碰撞界面能够承受的最大撞击力,设为2 800 kN,最小值应大于中间车压溃管的平台力,设为1 800 kN,中间值平台力根据式(3)及式(4)设计。由于列车的对称性,仅需对头车车端及界面1~界面4的吸能元件平台力进行定义。式(3)表示从头车车端至界面4吸能元件平台力逐渐增大,式(4)表示从头车车端至界面4吸能元件平台力逐渐减小。当取不同值时,中间车各界面吸能元件平台力如表2所示,变化趋势如图5所示。为满足列车运行过程中通过弯道的要求,相邻2车间距较小,而且风挡等列车元件也会占较大空间,因此中间车吸能元件的最大吸能行程设为250 mm。为便于对比,在此基础上增加一种平台力配置情况,即所有吸能单元的平台力是一样的,平台力均为2 300 kN。
式中:()为第个界面吸能元件平台力,=1, 2, 3, 4, 5;max为最大平台力,为2 800 kN;min为最小平台力,为1 800 kN;为幂指数,不同值对应不同的刚度梯度差。
表2 头车及各界面吸能元件平台力
图5 n取不同值时各界面吸能元件平台力
3 仿真结果与分析
3.1 力−位移响应分析
对列车碰撞过程进行模拟,分析不同组合界面平台力下列车的碰撞动力学响应,包括界面力、界面吸能量、总吸能效率等。图6所示为不同组合界面平台力下列车碰撞过程中各界面的界面力−位移曲线。图6中碰撞界面8的吸能元件行程较大,这是因为界面8位于运动车及静止车的碰撞界面,所以碰撞界面8吸能元件的行程是运动车及静止车吸能元件行程之和。对于组合1及组合5~7,界面1撞击力均发生突然增大的现象,这是因为在这些组合中头车吸能元件平台力大于或等于中间车吸能元件平台力,导致碰撞中产生的巨大冲击力迅速向后传播,其中组合5及组合7界面2撞击力突然增大,组合7最大界面力甚至超过了9 000 kN,说明列车中间车吸能元件平台力小于或等于头车吸能元件平台力时易导致刚性碰撞;对于组合2~4,各界面力相对比较稳定,列车各吸能元件以稳定、可控的方式吸收碰撞能量,是一种理想的吸能过程,同时说明列车中间车吸能元件平台力大于头车吸能元件平台力时可避免车辆间的刚性碰撞。
3.2 吸能效率分析
组合2、组合3及组合4均未发生刚性碰撞,在此对3种组合的吸能效率进行对比分析。吸能效率为碰撞结束后车钩及吸能元件所吸收能量的总和与未发生碰撞时列车所配置吸能量总和之比,吸能效率越低,说明列车能量配置越冗余;相反,吸能效率越高,说明列车能量配置越合理。图7所示为3种组合下各界面的吸能量曲线,表3所示为3种组合下的总吸能量及吸能效率。由表可知,组合3吸能效率最高,组合2次之,组合4吸能效率最低,说明中间车吸能元件平台力与头车吸能元件平台力相差较小时,吸能效率较高,反之则吸能效率较低。
(a) 组合1;(b) 组合2;(c) 组合3;(d) 组合4;(e) 组合5;(f) 组合6;(g) 组合7
表3 3种组合下的总吸能量及吸能效率
(a) 组合2;(b) 组合3;(c) 组合4
4 结论
1) 列车中间车吸能元件平台力小于或等于头车吸能元件平台力时易导致刚性碰撞,界面力会突然增大,列车车体及乘员区会受损,这种刚性碰撞应该避免。
2) 列车中间车吸能元件平台力大于头车吸能元件平台力时可避免车辆间的刚性碰撞,列车各吸能元件以稳定、可控的方式吸收碰撞能量。
3) 在不发生刚性碰撞的前提下,中间车吸能元件平台力与头车吸能元件平台力相差较小时,吸能效率较高,反之则吸能效率较低。
[1] YAO S, YAN K, LU S, et al. Energy-absorption optimisation of locomotives and scaled equivalent model validation[J]. International Journal of Crashworthiness, 2017, 22(4): 1−12.
[2] XU P, LU S, YAN K, et al. Energy absorption design study of subway vehicles based on a scaled equivalent model test[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit, 2019, 233(1): 3−15.
[3] YAO S, YAN K, LU S, et al. Equivalence study involving rail vehicle collision test conditions[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit, 2019, 233(1): 73−89.
[4] LU S, XU P, YAN K, et al. A force/stiffness equivalence method for the scaled modelling of a high-speed train head car[J]. Thin-Walled Structures, 2019, 137: 129−142.
[5] XU P, YANG C, PENG Y, et al. Crash performance and multi-objective optimization of a gradual energy- absorbing structure for subway vehicles[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2016(107): 1−12.
[6] XU P, YANG C, PENG Y, et al. Cut-out grooves optimization to improve crashworthiness of a gradual energy-absorbing structure for subway vehicles[J]. Materials & Design, 2016, 103: 132−143.
[7] YANG C, LI Q , XIAO S , et al. On the overriding issue of train front end collision in rail vehicle dynamics[J]. Vehicle System Dynamics, 2018(3): 1−23.
[8] LING L, Dhanasekar M, Thambiratnam D P. Frontal collision of trains onto obliquely stuck road trucks at level crossings: Derailment mechanisms and simulation[J]. International Journal of Impact Engineering, 2017(100): 154−165.
[9] LU G. Energy absorption requirement for crashworthy vehicles[J]. Foreign Rolling Stock, 2006, 216(1): 31−39.
[10] 王宝金, 闫凯波, 陆思思, 等. 基于多体动力学的地铁列车吸能量设计[J]. 铁道科学与工程学报, 2018,15(4): 1016−1022. WANG Baojin, YAN Kaibo, LU Sisi, et al. Energy absorption design of metro train based on multibody dynamics[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2018, 15(4): 1016−1022.
[11] 田红旗, 卢执中. 列车撞击动力学建模研究[J]. 铁道车辆, 1997(4): 8−11. TIAN Hongqi, LU Zhizhong. Modeling study of train impact dynamics[J]. Railway Vehicle, 1997(4): 8−11.
[12] 田红旗, 许平. 吸能列车与障碍物撞击过程的研究和分析[J]. 铁道科学与工程学报, 2002, 20(3): 55−60. TIAN Hongqi, XU Ping. Analysis of collision between energy-absorbing train and barrier[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2002, 20(3): 55−60.
[13] 高广军, 田红旗, 姚松, 等. 列车多体耦合撞击分析[J].中国铁道科学, 2005, 26(4): 93−97. GAO Guangjun, TIAN Hongqi, YAO Song, et al. Multi-car coupling collision analysis[J]. China Railway Science, 2005, 26(4): 93−97.
[14] GM/RT 2100—2000, Structural requirement for railway vehicles[S].
Research on energy absorption elements platform force design of high speed train collision
JIANG Shihong1, YAN Kaibo2, LU Sisi2, ZHANG Fangyao2, XU Ping2
(1. CRRC Changchun Railway Vehicles Co., Ltd, Changchun 130062, China; 2. Key Laboratory for Track Traffic Safety of Ministry of Education, Central South University, Changsha 410075, China)
In order to study the influence of different configurations of the platform forces of high-speed train energy absorbing elements on the impact response, a one-dimensional train collision dynamics model composed of 8 vehicles was established. The platform forces of the high-speed train energy absorbing elements were configured, the platform forces of all energy absorbing elements were equal, the platform forces of high-speed train energy absorbing elements decreased exponentially from the head car, and the platform forces of high-speed train energy absorbing elements increased exponentially from the head car. Train collision with different energy absorbing elements was simulated and analyzed, and the impact response of high-speed train energy absorbing element's platform force was studied. The results show that rigid collision was easily caused when the platform force for the energy absorbing element of the middle car is less than or equal to the platform force for the energy absorbing element of the head car. When the platform force for the energy absorbing element of the middle car is greater than that of the head car, the rigid collision between the vehicles can be avoided. In the case of no rigid collision, when the platform force for the energy absorbing element of the middle car is close to the platform force for the energy absorbing element of the head car, the energy absorption efficiency is relatively high.
high speed train; car body crashworthiness; energy absorbing element; platform force configuration
U270.2
A
1672 − 7029(2019)06− 1384 − 07
10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.06.004
2018−07−28
国家自然科学基金资助项目(51675537);国家重点研发计划资助项目(2016YFB1200505-016)
许平(1971−),男,湖南娄底人,教授,博士,从事轨道车辆耐撞性研究;E−mail:xuping@csu.edu.cn
(编辑 涂鹏)