轨道车辆曲线碰撞研究

黄敬辉

摘 要：随着轨道交通建设速度不断加快，各大城市轨道交通线路也越来越多。由于城市土地以及发展规划的限制，大多轨道交通都是在小半径曲线上运行，曲线运行里程占比越发突出。而在曲线段中，轨道车辆曲线碰撞是一直是人们关注的重点。基于此，本文首先阐述课题研究背景及意义，并重点从轨道车辆耐碰撞性、轨道车辆曲线段碰撞以及轨道车辆曲线段碰撞响应三方面进行国内外文献综述梳理，最后提出了轨道车辆曲线碰撞研究的未来发展趋势，以期本文研究对相关研究者有所帮助。

关键词：轨道列车;列车曲线碰撞;耐碰撞性

1 研究背景与意义

我国目前拥有世界上规模最大、运行速度最快的铁路网。然而，随着铁路运行密度和速度的不断提高，列车碰撞事故发生的概率有所增大。自甬温线列车事故以来，我国各大高校和科研院所相继开展了针对提高轨道车辆防碰撞安全性方面的相关研究，但在曲线线路上，对列车发生碰撞时动力学性能和耐碰撞性能运用数字仿真试验进行分析研究很少。

因此，总结梳理轨道车辆曲线段碰撞研究方法和成果，具有重大的现实意义。

2 国内外研究现状

2.1 轨道车辆耐碰撞性相关研究

在关于轨道车辆耐碰性研究中，国外学者Taguchi M[1]研究了列车碰撞时不同列车的能量分布，每辆车在碰撞时的能量消耗比例是不同的，头模型车吸收的碰撞能量，远远超过其他车辆。

Guan W[2]选择列车与刚性障碍物碰撞、严重碰撞和轻微碰撞作为碰撞设计的事故场景。采用有限元方法对KHST的碰撞安全性进行了评估，并通过实际试验验证了数值分析结果的可靠性。韩国成均馆大学的金俊和赵勋开发了拓扑优化技术，来设计框架结构，提高了其不同冲击下的吸能能力，并与现有的框架结构相比具有较好的耐碰撞性。

在国内研究中，陈淑琴[3]以某城市轨道车辆头车与刚性固壁碰撞为研究对象，利用LS-DYNA对不同参数（材料、截面、截面等）的吸能结构进行分析，研究影响防爬装置防爬能力的主要因素。

2.2 轨道车辆曲线段碰撞相关研究

在轨道车辆曲线段碰撞研究中，国外主要是通过模型仿真进行试验分析碰撞的安全性。

Shao G[4]研究表明列车头部吸收的能量远大于其他车辆末端吸收的能量，曲线过程列车产生耦合水平旋转角度，耦合的縱向力在轮轨接触面上产生横向力，最终影响车身，显著降低车辆稳定性。

Bounds S[5]选择列车在曲线段与刚性障碍物碰撞、严重碰撞和轻微碰撞作为碰撞设计场景。采用有限元方法对KHST的碰撞安全性进行了评估，并通过实际试验验证了数值分析结果的可靠性。

在国内研究中，现阶段国内有关轨道车辆碰撞的研究主要是针对线路上车辆的纵向碰撞响应，包括多级吸能、爬车、减速度、生存空间评估等，对列车曲线碰撞的安全研究涉及较少。

杨皓杰[6]利用LS-DYNA分别模拟了一列动态列车与另一列静态列车在曲线上的三种碰撞情况，对比列车在曲线上相撞结果与直线相撞结果。分析得出，轨道半径的减小增大了车辆的加速度。

2.3 轨道车辆曲线段碰撞响应相关研究

Kirkpatrick[7]建立了一列五节编组列车三维碰撞模型，对其在曲线线路中的脱轨行为进行了研究，如图1所示。研究发现，列车开始时为锯齿式褶曲行为，然后逐渐转变为Z形褶曲，这种行为不断放大，最后表现为大位移横向褶曲行为。

3 碰撞研究方法

3.1 非线性有限元解法

轨道车辆的碰撞过程涉及复杂的非线性问题，例如几何非线性，边界非线性和材料非线性。因此，通过传统的研究方法较为复杂。非线性有限元分析方法在各种应用中得到了长足的进步。

3.2 碰撞接触搜寻

选择合适的接触类型，预测接触面积，并考虑到接触面之间的摩擦行为，可以提高模型分析的准确性。在地铁碰撞过程的仿真分析中，寻找接触点是保证分析结果可靠性的关键。

4 未来研究趋势

在关于轨道车辆曲线碰撞研究中，随着深度学习以及人工智能技术的发展，在轨道车辆曲线段碰撞中通过仿真得到最佳安全结构设计，并运用防撞预警算法对列车碰撞进行提前预警，该系统能够预测两车的受损程度，以使得在碰撞不可避免的情况下，帮助驾驶员做出减轻受伤程度的措施。

参考文献：

[1]Taguchi M，Fujimoto A，Yamada T，et al.Analysis of railway level crossing accident using numerical simulations （Study of crash safety evaluation for railway vehicles）[J].transactions of the japan society of mechanical engineers，2015.

[2]Guan W，Gao G，Yu Y，et al.Crashworthiness analysis and multi-objective optimization of expanding circular tube energy absorbers with cylindrical anti-clamber under eccentric loading for subway vehicles[J].Structural and Multidisciplinary Optimization，2020，61（4）：1711-1729.

[3]陈淑琴.城轨车辆碰撞仿真分析及其耐撞性研究[D]. 兰州交通大学，2015.

[4]Shao G.Analysis and Prevention Measures for Damaged Shield Segment of Small Radius Curve Section in Soft Soil Layer.2016.

[5]Bounds S.Summary Report on Dynamic Behavior of the Whole Train in Collisions and the Improvement of the Crashworthiness，2017.

[6]杨皓杰，肖守讷，李铎.地铁列车曲线碰撞仿真研究[J]. 机械设计与制造，2019，337（3）：8-11.

[7]Kirkpatrick，O，Sills，et al.Estimating the Impacts of Local Policy Innovation： The Synthetic Control Method Applied to Tropical Deforestation.[J].Plos One，2015.