某地铁车侧翻碰撞安全性分析

敖建安，赵国辉，周俊先，陈秉智

(1.中车大连机车车辆有限公司，辽宁 大连 116028;2.大连交通大学 机车车辆工程学院，辽宁 大连 116028)*

侧翻是指车辆在行驶过程中车体绕其行驶方向坐标翻转，导致车体侧面与地面发生碰撞的运动.侧翻事故一般都发生在明线行驶车辆上，虽然地铁车辆通常在隧道中行驶，不易发生侧翻倾覆，但是当列车运营维护人员工作出现失误时，同样会导致侧翻事故发生.因此，地铁车的侧翻碰撞研究依然具有非常重要的现实意义.

目前铁路车辆前端吸能结构的正面碰撞研究已经相当成熟［1-4］，但是车体侧翻碰撞研究还处于起步阶段.侧翻碰撞研究主要集中在客车领域，已经有相当完善的标准法规，如ECE R66法规［5］.在轨道车辆领域目前没有任何侧翻耐撞性的相关标准，因此国内外学者主要通过参考ECE R66汽车侧翻标准作为边界条件进行仿真分析.Riazi等人通过侧翻实验和有限元仿真结果进行对比来研究铁路客车的侧翻耐撞性能，结果表明顶棚横梁能够提高车辆在侧翻过程中能量吸收效率［6］.Baykasoglu等人依据ECE R66标准采用单倍和两倍角速度下两种不同的碰撞边界条件对铁路车辆车体进行侧翻仿真分析，根据车体内乘员生存空间的完整性和车体结构的变形情况来判断车体的侧翻耐撞性能是否符合标准要求［7］.西南交通大学刘丰嘉采用LS-TaSC软件对正面碰撞和侧翻碰撞两种工况下的机车车辆端部结构进行了耐撞性和刚度的拓扑优化，结果表明:与原结构相比，优化后的结构在侧翻碰撞和正面碰撞两种工况下的耐撞性能均有不同程度的提高［8］.

本文首先建立某地铁车Tc车体结构有限元模型，计算车体侧翻碰撞时的初始条件，采用碰撞仿真软件LS-DYNA对车体进行仿真分析，并通过车体内生存空间是否完整判断车体的侧翻耐撞性是否符合标准要求;然后对发生塑性变形较大的薄弱结构进行改进，提高车体的侧翻耐撞性能，达到提高车辆被动安全性的目的.

1 乘员生存空间

ECE R66客车侧翻标准中规定车内乘员生存空间是一个高度为750 mm的等腰梯形，梯形下端距离车体波纹地板的垂直高度为500 mm，距离侧墙立柱的水平距离为150 mm;梯形上端距离下端的水平距离为250 mm，生存空间上端与下端的垂直高度为750 mm［9］，如图1所示.

图1 乘客生存空间示意图

2 车体侧翻碰撞仿真分析

2.1 车体有限元模型

该地铁车Tc车体主要由底架模块、侧墙模块、端墙模块、顶棚模块以及司机室模块组成.车体上的大部分结构为板壳结构，因此在建模时选择用壳单元模拟.由于在车辆侧翻碰撞中整个车体长度的结构都会接触地面，因此对整车网格统一对整车划分20 mm尺寸的网格单元.模型的单元总数为1 488 153，节点总数为1 580 414;车体有限元模型如图2所示.

图2 车体有限元模型

2.2 车体触地角速度设定

依据ECE R66客车侧翻标准，将车体侧翻碰撞场景设计为在侧翻平台以静止状态绕着旋转轴旋转并撞击在800 mm高度落差的水平地面上.在临界侧翻位置即车厢的重心位置达到最高点时，车厢旋转角速度不超过5°/s(转化为弧度0.087 5 rad/s)，此后车体因自身重力而继续侧翻.在此过程中车体重心下降高度ΔH=973 mm.车辆侧翻过程如图3所示.由于侧翻碰撞过程中，列车的动能与势能总和不变，所以车体在临界侧翻位置的动能与势能之和与车体接触地面时动能与势能之和相等:

式中，I为车体的转动惯量;ΔH为车体从临界侧翻位置至车体接触地面时重心下降高度;M为车体的总质量;ω2为车体接触地面时的角速度;ω1为车体在临界侧翻位置时角速度取值为0.0875rad/s.

在车体侧翻过程中，任意设一个角速度ω2，将有限元模型导入到LS-DYNA中进行计算，得系统初始能量为E，而

因此可得车体的转动惯量为:

联立式(1)～(3)得车体触地角速度为:

图3 车体侧翻过程示意图

2.3 仿真结果及分析

列车车体在发生侧翻碰撞时，由于车体与地面的碰撞而导致车体结构变形吸能，其内能不断升高，动能不断降低.同时由于车体重心位置不断下降，重力在此过程中做正功，使得系统的总能量不断升高.如图4所示，在侧翻碰撞过程中车体共吸收内能量0.28 MJ，系统沙漏能最大值为0.011 MJ，沙漏能占内能比值最大为3.9%，小于5%，因此判断仿真结果是有效可靠的.

图4 车体侧翻碰撞能量变化曲线

车体在侧翻碰撞过程中骨架结构是否侵入乘员生存空间是评价车体是否符合侧翻安全法规的重要标准.为了能够准确表达出侧墙骨架结构侵入到生存空间的具体量，在生存空间上边缘和下边缘、侧墙立柱上选取四个点作为测量点，以测量生存空间与侧墙骨架结构的距离变化，如图5所示.乘员生存空间与侧墙骨架结构测点的距离如图6所示.当侧墙骨架上下测点与生存空间上下测点相对距离小于0时，说明车体结构变形侵入了生存空间.

由图6可以看到，车体侧墙立柱的上下测点与生存空间上下测点的相对距离总体趋势为在第250 ms以前慢慢减小，以后又慢慢增大，说明车体在侧翻碰撞过程中生存空间与车体结构的间距逐渐减小，在车体变形量达到最大时，发生回弹变形，两者间距又逐渐增大.其中，生存空间的下部与侧墙骨架的最短距离为36 mm，比未碰撞前减小了107 mm;上部与侧墙骨架距离最小值为-66 mm，这说明在整个侧翻碰撞过程中侧墙骨架侵入了车内乘员生存空间，且侵入量为66 mm.因此判定该车车体在侧翻碰撞中不符合安全法规ECE R66的要求，需要对此结构加以改进.

图5 生存空间测点布置示意图

图6 生存空间与侧墙立柱相对距离曲线

3 车体结构改进及分析

3.1 车体薄弱部位分析

图7 车体塑性应变图

车体在侧翻碰撞过程中，二位端端部结构相较于车体中部和司机室结构发生了较大变形，因此重点关注二位端结构变形情况.从图7中可以看出车体发生较大塑性变形的区域主要包括:①车体二位端顶棚弯梁;②端墙防撞柱顶端;③端墙防撞柱根部.该部位在侧翻过程中受到轴向和法向载荷的作用发生弯曲变形，为了避免乘员生存空间受到入侵，车体骨架变形应尽可能的小，即提高车身骨架的抗变形能力，以使得乘员生存空间不被侵入.

3.2 结构改进方法

目前主要采用两种方法提高结构抗弯能力:一是采用弹性模量更高的材料;二是改变部件的截面，增大其抗弯截面模量.结合实际情况，由于改变材料的成本更高，所以本次改进采用更加经济的第二种方式.本次改进的方法是:

(1)将两根二位端+顶棚弯梁由1 mm厚乙型梁改为2 mm厚帽型梁;

(2)将端墙防撞柱和端墙门上横梁由帽型梁改为同厚度的矩形梁.

3.3 改进后结果分析

以相同的边界条件对改进结构后的模型进行碰撞仿真分析.通过对比改进前后的车体结构内能吸收量，如图8所示，可以发现:

(1)改进后的模型由于刚度更加协调，使得碰撞开始发生后，更多的结构参与变形吸能，吸能速率明显高于优化前结构;

(2)改进后车体结构模型由于刚度得到提高，使得车体在侧翻碰撞中的最大吸能量小于原结构.

图8 结构改进前后车体能量吸收对比图

分别测量生存空间上部和下部与车体内部结构的相对距离，如图9所示.可以看到，下部的最短相对距离为80 mm，比优化前的最短距离提升了44 mm;优化后上部最短相对距离为71 mm，没有侵入到乘员生存空间，比优化前相对距离提升了137 mm.这表明改进后的车体结构在侧翻碰撞中的被动安全性得到明显的提升.

图9 结构改进前后生存空间距离对比图

4 结论

本文参照ECE R66客车侧翻碰撞标准对车体结构进行侧翻碰撞分析，通过对车体结构变形、能量变化以及生存空间侵入量的分析，发现车体侧墙骨架结构侵入乘员生存空间的侵入量高达66 mm，未满足安全标准.改进发生较大塑性形变的薄弱结构后，与原结构相比，改进结构具有更高的吸能速率，且刚度更高.因此改进后结构未侵入乘员生存空间，车体的侧翻被动安全性能得到显著提高.

可以看出地铁列车侧翻碰撞过程中主要发生塑性变形的部位是二位端顶棚弯梁和端墙防撞柱等，且变形是由于在与地面接触过程时受到弯矩影响导致.因此在车体设计过程中，这两个部位应使用抗弯截面模量较高的结构以提高其抗弯能力以保护乘员的生命安全.

本文仍有一些问题需要完善，比如在侧翻碰撞中没有考虑到乘员与车体结构二次碰撞时乘员的损伤情况，仅仅以车体结构是否侵入乘员生存空间往往不足以保证乘员的安全性［10］.本文的侧翻碰撞分析及结构改进对今后的铁路车辆设计有一定的借鉴意义.