浅析地铁车辆吸能结构

寇丽君

摘 要：根据不同地铁车辆的结构，建立头车有限元模型，当发生碰撞，头车相对于车身更危险，对头车结构采用有限元模型，利用OptiStruct软件对车端吸能结构吸能梁的分布进行研究。对于车辆碰撞过程中理想四级吸能顺序进行参照，结合PAM-CRASH碰撞仿真软件，用碰撞仿真软件进行验证四种吸能结构的吸能特性。对于不同的吸能特性进行分析，从而达到优化地铁车辆的吸能结构的目的。

关键词：吸能结构 车钩 有限元模型 优化

Analysis on the Energy-absorbing Structure of Subway Vehicles

Kou Lijun

Abstract：Based on the structure of different subway cars， a finite element model of the lead car is established. When a collision occurs， the lead car is more dangerous than the car body. The finite element model of the lead car structure is adopted， and the OptiStruct software is used to analyze the distribution of the energy absorbing beams of the car end energy absorbing structure. The paper refers to the ideal four-level energy absorption sequence in the process of vehicle collision， combined with the PAM-CRASH collision simulation software， and uses the collision simulation software to verify the energy absorption characteristics of the four energy absorption structures. Besides the paper also analyzes different energy absorption characteristics to achieve the purpose of optimizing the energy absorption structure of subway vehicles.

Key words：energy-absorbing structure， car coupler， finite element model， optimization

1 地铁车辆吸能结构的研究背景

中国是一个国土面积十分辽阔的国度，在中国的土地上铁路发展的尤为迅速。交通强国、铁路先行的口号也一直伴随着我们的铁路事业不断前进着。地铁车辆的发展，可以说是推荐城市之中经济进步的重要因素。地鐵多建于地下，多条地铁线路的建设可以让城市的交通得到很大程度的提升。特别是在私家车保有量逐渐增多的今天，城市地铁车辆的建设显得尤为的突出和重要。城市人员流动大，地铁站内人流密集，所以更应该加强安全管理，避免发生碰撞事故，消除安全隐患。地车车辆头车司机室相对于车身设计的比较短，当发生碰撞，没有特定的吸能区域来吸收、耗散碰撞能量。由于地铁内部设计和高铁等不同，中间车辆没有卫生间、行李架等可以牺牲掉的薄弱区域来耗散能量，因此地铁车辆前端吸能结构的设计就显得尤为重要。

怎样使地铁车辆在碰撞过程中能够稳定的吸收更多的能量，减少财产损失，确保乘务人员的安全，减少不必要的伤害，就特别重要。本文主要研究地铁车辆的吸能结构，车辆端部吸能装置设置有编组列车头车（Tc车）采用全自动机械车钩。如图1所示为地铁车辆四级吸能结构顺序理想的曲线模型图，通过对图1所示的吸能顺序，我们对地铁车辆进行优化研究其吸能结构的工作。按照车钩缓冲装置建模、防爬器建模、拓扑结构分布研究三部分进行分析。

2 地车车辆头车各部模型建立及分析

2.1 建立车辆车钩模型

首先建立车辆车钩模型，确保数据准确，车钩的其他部位用实体单元来模拟，车钩模型就由这部分构成，我们在建立车钩模型过程中全自动车钩常采用后置式鼓胀管结构，如下图2所示。在建立了车钩有限元模型之后，我们还要注意改变材料、厚度等相应的条件，尽管我们对各种条件进行改变，但是该计算过程存在工作量大、重复性大等相应的特点也会导致结果具有一定的误差，因此，探索新的建模方式已经成为设计建模的重点。

为提高准确性采用非线性弹簧单元模拟车钩，如图2所示，在弹簧材料中加入车钩的载荷-行程曲线来表征车钩在发生动态冲击过程中的响应特征[2]，得到EFG3缓冲器的动态载荷-行程曲线如图3所示。

2.2 建立车辆防爬器模型

头车端部存在一种防护措施，这就是防滑器。防爬器的功能有很多，其中主要的功能如下：（1）使列车无法纵向爬行;（2）当列车出现事故发生碰撞时，可以使一车无法爬到另一车上;（3）可以吸收碰撞所散发出的碰撞能量[3]。在以往的碰撞事故中，当两列车发生碰撞事故时，由于头车在车辆前端，所以两车端部往往是损害最严重的地方，会造成不可估计的财产损失或人员伤害甚至死亡的严重的后果。有时候甚至还会发生一列车爬升到另一列车上的情况，这种情况的事故就会加重伤害[4]。因此，防爬器的设计就更加重要，EN15227标准中有了对头车端部防爬器的一系列规定，改善防爬器性能，对防爬器进一步要求。

本文中，为得到准确的数据，列车端部防爬器采用了刨削式防爬器，具有稳定的切削载荷值。图4给出了防爬器实际实验载荷-行程曲线，依据试验曲线来模拟模拟防爬器的弹簧单元载荷-行程曲线。

2.3 地铁车辆端部拓扑结构分布研究

为研究地铁车辆端部端部拓扑结构，研究采用合理的分析方法。结合某地铁列车头车结构，截取头车前端司机室有限元模型，车辆的车体采用铝合金材料，根据设计要求，防爬器的位置不能随意改变，以此研究吸能梁位置分布。

密度法和别的计算方法不同，它是根据单元密度值（0或1）来决定单元的取舍。1代表红色单元密度值，为要保留的单元;0代表蓝色单元密度值，此单元对结果没有影响，所以要去掉。

3 结语

本文结合我国地铁车辆发展现状，首先介绍了我国地铁车辆发展的背景，以及叙述地铁车辆发生碰撞的特点，再通过国内外重点研究的地铁车辆碰撞课题从而引出本文的中心思想。本文首先对车钩模型进行建立，在车钩有限元模型建立后进行缓冲器动试验特征曲线的编写。再进行防爬器模型建立，通过EN14227标准对防爬器模型进行规划，从而得到防爬器载荷行程试验曲线。最后对地铁车辆拓扑结构分布研究，通过载荷分布研究利用软件优化算法，从而最终达到对该部分进行优化。本文的撰写有助于分析地铁车辆发生碰撞的各部分吸能结构的优化。对于我国未来地铁车辆的发展可以起到一定的促进推动作用，让地车车辆能够更加安全。

参考文献：

[1]臧兰兰.城轨车辆钩缓装置配置与头车前端底架的碰撞吸能区设计[J].现代城市轨道交通，2013，02：1-4.

[2]杨慧芳.CRH3动车组被动安全性和耐撞性优化研究[D].大连交通大学硕士论文.2009.

[3]严隽耄，付茂海.车辆工程[M].中国铁道出版社，2011.

[4]赵洪伦，王文斌，廖彦芳.城市轨道车辆防爬器开发研究[J].机电产品开发与创新，2003（6）：33-35.