地铁列车冲击车挡碰撞性能分析

邢 艺，庞云龙

（1.太原科技大学交通与物流学院，山西 太原 030024；2.山西金迪项目管理研究院有限公司，山西 太原 030012）

现代轨道车辆通过在车辆上配备各种先进的电子预警设备和新型的自动控制装置的主动安全防护的方法，减少了碰撞事故发生的可能性，然而事故原因复杂多变，总有由于人为的失误、设备的缺陷或不可控制的自然灾害等因素导致的事故发生，列车的碰撞事故是不可能完全杜绝的。因此，如何提高轨道车辆的被动安全，提高车辆的耐撞性受到了越来越多的重视，许多国家也将车辆的耐撞性作为车辆设计的重要部分。随着有限元仿真技术的逐渐成熟，有限元仿真技术在被动安全防护研究和耐撞性设计中得到了广泛的应用[1]。

在城轨地铁线路的末端，为了防止车辆滑逸或者因其他因素造成车辆失控、冲出线路，通常会设置止档设备，即车档缓冲器[2]。统计表明，欧洲1991年—995年铁路事故主要为迎面碰撞、追尾碰撞、平交道口碰撞和车档缓冲器碰撞[3]，其中与车档碰撞事故占11%，车档碰撞事故在碰撞事故中所占的比例是不容忽视的。本文正是基于此类列车碰撞事故，以某型地铁车为研究对象，采用数值仿真的方法，利用非线性有限元软件LS-DYNA，进行了整车碰撞模拟分析。

1 列车碰撞理论分析基础

列车碰撞问题属于一般的接触和碰撞问题[4]，涉及材料非线性、几何非线性和接触界面非线性问题，碰撞过程满足质量守恒、能量守恒、动量守恒等一系列规律。

设车体在t=0时刻质点空间位置为X，任意t时刻，该质点的空间位置为xi，则车体的运动方程为：

由质量守恒定理，车体结构内任意体积内的质量在撞击过程中保持不变，可得质量守恒方程：

式中：ρ为密度；ρ0为初始时密度；Fij=∂xi/∂xj为变形梯度，=dV/dV0为变形梯度的行列式。

列车碰撞满足动量守恒，物体动量对时间的导数与所受到的外力和相等，动量守恒方程为：

式中：σij为Cauchy应力；bi为单位质量的体力；代表加速度。

列车碰撞满足能量守恒方程：

式中：Sij为偏应力张量；为应变率张量；V为体积；p为压力；q为体积黏性阻力。

在碰撞过程中，车体部分动能由结构的塑性变形吸收，另外一部分动能转化为摩擦能和其他形式的能。

2 有限元模型建立

地铁车辆采用4节车编组，编组采用-MCC+AM0B+AM1A+CMC1-形式，其中，MC、MC1代表头车，M0、M1代表中间车，A、B、C代表中间车钩，头车有限元模型如下页图1所示。列车有限元模型主要由端部变形吸能区、车体结构、转向架和车钩组成。车体结构采用板、梁组合结构，由底架、侧墙、端墙、车顶、司机室（头车）组成；底架由牵引梁、枕梁、地板、边梁、横梁等组成；车顶由顶板和弯梁等结构组成；侧墙由侧墙板、侧墙梁、蒙皮板等组成；端墙由门立柱、墙板、端角立柱组成。

图1 头车有限元模型

对车体划分网格时，将碰撞变形发生严重的车体前端部设置较小的单元尺寸10～20 mm，以捕捉小的网格变形，车体中部乘客区基本只发生弹性变形，设置网格为30～40 mm。该地铁车车体采用*MAT_24号材料，车体材料参数如表1。

表1 车体材料性能参数

列车头车车钩主要由车钩头、钩舌、压溃变形管、套筒卡环组件、橡胶支撑、安装吊挂组件、钩尾组成（内含气液缓冲器）、安装座；中间车车钩主要由压溃管、套筒卡环组件、橡胶支撑、钩尾组成（内含EFG3橡胶缓冲器）、安装座组成。车钩主要采用实体单元进行离散，采用BEAM单元模拟缓冲器的吸能特性，使用*MAT_119材料，并定义车钩缓冲器加载卸载曲线。使用万向铰模拟缓冲器与安装座之间的旋转，使车钩在水平方向有±45°，垂直方向有±6°的转角。

3 碰撞分析

地铁列车采用4节车编组，车档用全约束刚性墙模拟，列车的撞击速度为8 km/h，整个计算模型的单元总数为3259531。碰撞有限元计算模型如图2，碰撞仿真时间为500 ms，车体的碰撞动能主要由车钩吸收，列车司机室和载客区未发生塑性变形。

图2 碰撞有限元计算模型

图3给出了碰撞过程的能量曲线，从曲线中可以看出，碰撞过程中总能量基本维持在0.294 MJ，320 ms后列车开始反弹，碰撞过程基本完成。内能由0增大到0.270 MJ，动能由0.294 MJ减少到0.023 MJ；整个计算过程中沙漏能最大只有1.87 kJ，不超过总能量的0.6%；滑移能最大只有3.17 kJ，不超过总能量的1.1%。由此可知计算较为稳定。

图3 车体能量-时间曲线

图4为断面编号示意图，1号—4号断面车钩吸能量分别为59.2 kJ、23 kJ、23.1 kJ、13.5 kJ，车钩总的吸能量为118.8 kJ。其中中间车车钩力最大为2号断面处，最大车钩力为496.45 kN。

图4 车钩断面编号示意图

对碰撞结束后车体的塑性变形进行分析，碰撞结束后生存空间区域无大于10%的塑性应变。车体最大塑性应变为0.062，出现在356576号单元处。头车MC载客区最大变形量为4.77 mm，头车MC司机室纵向最大变形量为1.11 mm，司机座椅中心垂向最大变形量为8.76 mm，占原始高度的0.4%，司机室座椅区域保持完整。救生空间均满足标准EN 15227[5]中规定的“每5 m长的车体长度其变形不应当超过50 mm。

车体平均加速度时间如表2所示，加速度的起始作用时间是从作用在车辆的净接触力刚超过零到净接触力再次下降到零时。头车取司机室及车体质心两点的加速度，头车MC车司机室平均加速度最大值为3.58 g，车体平均加速度最大值为2.4 g，小于标准EN 15227规定的5 g。

表2 列车最大平均加速度

4 结论

本文对国内某地铁列车以8 km/h的速度冲击车档的工况进行有限元仿真分析。仿真结果表明，列车车钩能够有效吸收冲击动能，车体碰撞后乘客和司机室区域无大于10%的塑性应变；车体的平均减速度不超过5g，均符合EN 15227标准，该地铁车的耐撞性满足要求。