城际动车组防撞性分析与研究

张琪 叶浩航 唐文语

摘要：随着轨道列车速度的不断提升，列车的被动安全性日益受到重视。以某型城际动车组作为研究对象，使用Hypermesh和Ls-Dyna有限元仿真软件对车辆不同的碰撞场景进行了较为详细的仿真模拟分析，获得了车辆在碰撞过程中的速度、变形以及能量变化等关键参数。从乘客生存空间、纵向平均减速度、车轮抬升等方面验证了车辆的防碰撞性能，可为今后类似列车防碰撞设计提供案例参考和理论依据。

关键词：城际动车组 防碰撞 有限元仿真 被动安全

Analysis and Research on the Crashworthiness of Intercity Electric Multiple Units

ZHANG Qi1  YE Haohang2  TANG Wenyin2*

（1. CRRC Qingdao Sifang Co.， Ltd.， Qingdao， Shandong Province， 266111 China; 2. Southwest Jiaotong University， Chengdu， Sichuan Province， 611731 China）

Abstract： With the increasing speed of rail trains， the passive safety of trains is increasingly emphasized. Taking a certain type of intercity electric multiple unit as the research object， this paper carries out a detailed simulation analysis of the different collision scenarios of the train by using Hypermesh and Ls-Dyna finite element simulation software， obtains key parameters such as the speed， deformation and energy change of the train during collision， and verifies the crashworthiness of the train from the aspects of passenger living space， longitudinal average deceleration， wheel lifting， etc.， which can provide case references and theoretical basis for the anti-collision design of similar trains in the future.

Key Words： Intercity electric multiple units; Anti-collision; Finite element simulation; Passive safety

近十年，我国高速铁路迅速发展，铁路交通逐渐成为人们中短途出行的主要选择[1]。然而随着轨道车辆的速度提高和载重增加，碰撞事故的严重程度也明显上升[2-3]。在此背景下，车辆的被动安全性显得尤为重要，其核心在于通过列车车体设计以及吸能装置的应用，在铁路交通事故发生时最大限度地减轻碰撞造成的影响，以保障乘客和工作人员的人身安全。大量的学者和设计人员对车体防撞性进行了研究，旨在验证车辆防碰撞设计的安全性与可靠性，并得到了许多具有指导意义的结论。魏虹等人[4]从能量吸收、乘客生存空间、平均加速度和车轮抬升等方面对36km/h两车对撞场景进行了列车耐撞性的分析与评估。于德壮等人[5]基于Ls-Dyna对动力集中动车组司机室进行了结构强度与碰撞吸能性分析，验证了司机室防碰撞性能可以满足相关标准要求。侯本虎等人[6]和梁朝纬等人[7]均对不同编组状态下的列车碰撞情况进行了研究。张泽云等人[8]通过列车碰撞仿真结果验证了防爬吸能装置在车辆碰撞过程中具有良好的防爬性和吸能性。随着铁路车辆朝着高速化和轻量化的方向不断演进，有必要对其车体碰撞响应进行系统研究，这对于提升铁路运输的整体安全性具有重要意义。

1 仿真计算模型

本文计算所用的模型为C-Ⅰ类别车辆，车体结构由车顶、底架、侧墙、端墙和司机室等大部件组成。动车组车辆碰撞仿真采用3节编组方案，如图1所示。其中，CM为司机室动车；RI为拖车。

1.1 车辆防碰撞设计

车辆撞击是一个瞬态物理过程，伴随着巨大能量的快速传递[9]，导致车辆和人员受伤。因此，车辆必须具备一定的能量吸收和储备能力。为了保障车辆在碰撞时的被动安全性能，综合有效的保护司乘人员的安全，由前端全自动车钩缓冲装置、防爬吸能装置、排障装置等部件组成了该列车车辆的被动安全防护系统。如图2所示，头车车体前端底架两侧各安装一个防爬吸能装置，主要起吸收能量和防止车辆爬车的作用。该吸能装置采用铝蜂窝填充结构。头车自动钩缓装置位于列车编组的头尾端，缓冲系统由弹性变形吸收能量的气液缓冲器和不可恢复变形吸收能量的压溃管两部分组成。

1.2 车体有限元模型

通过有限元软件Hypermesh对三维几何模型进行几何清理和网格划分，整个有限元模型主要由四边形单元组成。两列车在碰撞发生时，头车前端车钩缓冲装置首先将耦合并压缩吸能，起到初始的防爬和吸能作用。车钩缓冲装置压缩完所有行程并发生剪切失效后，前端防爬吸能装置的防爬齿将啮合，其吸能装置和端部吸能区其他结构将陆续变形吸能，随后头车车体端部结构也开始发生接触。所以头车前端防爬吸能装置及车体其他端部结构都是可能发生结构大变形的区域，而头车的中后部变形一般较小。因此，在建立有限元模型时，进行如下调整以平衡计算精度和效率：前端防爬吸能装置网格尺寸为10 mm，头车车体其他端部结构网格为25 mm，其他部位单元尺寸为80 mm。划分完毕后，CM车共有280.87万个离散单元，237.75万个节点；RI车共有264.31万个离散单元，219.44万个节点，CM车有限元模型如图3所示。

2 碰撞仿真结果与分析

2.1 碰撞工况说明

标准EN 15227： 2008[10]对C-Ⅰ类车辆设定了以下4种碰撞场景。场景1：列车以36 km/h初速度与静止无制动状态的相同编组列车碰撞。场景2：列车以36 km/h初速度与一辆处于静止状态的80 t货车碰撞。场景3：列车以7 0km/h的初始速度与一个15 t的可变形障碍物相撞。场景4：列车前排排障器与一个低矮障碍物相撞。由于场景4主要考核排障器的静强度，故本文不作详细介绍，主要对前3种碰撞场景进行仿真模拟分析。

2.2 评估标准

根据标准EN 15227： 2008，上述碰撞场景需满足以下要求。

（1）生存空间要求。在邻近司机座椅位置上应保障有长宽至少0.75 m且地板到车顶高度不低于原始尺寸的80%。乘客生存空间长度的减小应满足每5 m不超过50 mm或者塑性应变限制到10%。

（2）减速度极限。在生存空间中的平均纵向减速度应限制到5 g。

（3）爬车（抬升量）要求。碰撞模拟过程中，应当保证每个转向架至少有一个轮对与轨道有效接触，即需保证转向架中至少有一个轮对与轨面的垂向位移不超过其名义轮缘高度的75%。如果上述要求不能达到，那么需要满足在防爬装置使撞击车辆之间具有稳定联锁前提下，车轮脱离轨道最大高度不得超过100 mm。

2.3 碰撞仿真结果与分析

2.3.1 工况1碰撞分析

主动车以36 km/h的初始速度与静止无制动的同类型列车（以下简称被动车，车辆编号分别为B1，B2，B3）发生碰撞，碰撞仿真时间为850 ms。碰撞发生后，主动车辆从36 km/h的初始速度开始逐渐减速，而被动车则从静止状态开始逐渐加速，而后各节车辆的速度趋于相同。当主被动车速度相同且碰撞界面力降为零时，即认为碰撞结束。碰撞过程中，两车瞬时减速度随时间变化曲线如图4所示。计算得出时间段内A1、B1车辆最大平均减速度分别2.94 g和3.40 g，均小于EN 15227标准中5 g的要求。

碰撞发生后，两头车自动钩缓装置发生剪断，随后端部防爬吸能装置间发生接触碰撞。防爬吸能装置压缩一定行程后，列车车体端部结构之间开始接触碰撞。两列车在碰撞过程中的端部结构变形如图5所示。可以看出，碰撞结束后，前车的防爬吸能装置和端部吸能区结构有明显的塑性变形来吸收碰撞能量，司机室和客室结构无明显变形，确保了司乘人员的生存空间。中间车的车端防爬结构发生碰撞接触，但乘客车厢结构未出现明显变形，生存空间可以得到保证，两列车之间无爬车现象。

图6显示了两列车头车乘客生存空间纵向长度随时间变化曲线，两车碰撞过程中，乘客生存空间纵向长度变化量的最大值分别为15.6 mm和16.0 mm，符合EN 15227的要求，即“乘客生存空间中任意5 m长度内的缩小值不能超过5 0mm”，乘客生存空间可得到保证。

图7为两列车司机室邻近主驾驶位置处地板和车顶间高度随时间变化曲线。碰撞过程中，A1车和B1车司机室主驾驶位置附近的地板和车顶之间的最大高度弹性变化量分别为7.3 mm和28 mm，均小于各自初始高度（约2 353 mm）的20%（470 mm），符合标准EN 15227的要求，司机室生存空间可得到有效保障。

如图8所示，各节车车轮最大抬升量约为29.99 mm，满足标准EN 15227中在防爬装置使撞击车辆之间具有稳定联锁前提下，车轮脱离轨道最大高度不得超过100 mm的规定。

2.3.2 工况2碰撞分析

如图9所示，碰撞结束后，只有列车防爬吸能装置和端部吸能区结构产生了明显的塑性变形以吸收能量，而司机室和客室结构无明显变形，生存空间得以保证；中间车车端的防爬结构碰撞接触，客舱结构无明显变形，确保了乘客的生存空间，并且两列车间没有出现爬车现象。

图10显示了列车乘客生存空间纵向长度、邻近司机室主驾驶位置的地板和车顶间的高度随时间变化曲线。从图中可以看出，在整个碰撞过程中，列车乘客生存空间纵向长度的最大弹性变形量仅为21.0 mm，符合标准EN 15227“乘客生存空间中任意5 m长度内缩小值都不能超过50 mm”的要求。此外，碰撞期间，邻近列车司机室主驾驶位置的地板和车顶之间的最大高度弹性变化量分别为6.1 mm，小于初始高度（约2 353 mm）的20%（470 mm）。因此，司机室的生存空间符合标准EN 15227的规定。

列车以36 km/h的初始速度与一辆处于静止状态的80 t货车发生碰撞，仿真模拟时间为480 ms。碰撞过程中，列车由36 km/h初速度逐渐减速，在354 ms时列车速度降为零。车辆碰撞过程中减速度的变化情况如图11所示，由图可计算得出列车的最大平均减速度值为3.28 g，其余两节车辆的最大平均减速度分别为1.12 g、0.87 g，均小于5 g，满足标准要求。

列车碰撞开始到结束的能量变化曲线如图12所示。由图可知，碰撞过程中总能量保持基本恒定，动能逐渐减少，内能逐渐增加，在这个过程中，损失的动能逐渐转化为内能。碰撞动能由初始7.36 MJ到碰撞结束后剩余的动能为4.83 MJ，占初始动能的65.60%。整个碰撞过程中共吸收能量2.50 MJ，占初始动能的33.99%，主要由各防爬吸能装置和车体端部其他吸能结构所吸收，分别为817 kJ和390 kJ。此外，滑移能为21.52 kJ，占初始动能的0.29%；沙漏能为6.12 kJ，仅占初始动能的0.08%，能够满足计算精确度需求。

2.3.3 工况3碰撞分析

列车头车端部结构与15 t可变形障碍物发生碰撞后的变形情况如图13所示。可以看出，碰撞结束后，司机室、防爬吸能装置及15 t障碍物均发生了明显的塑性变形吸能；各个中间车的端部结构均无碰撞接触，客室结构无明显变形，可保证乘客的生存空间，并且两列车之间无爬车现象。

图14显示了各节车乘客生存空间纵向长度随时间变化曲线。从图中可以看出，A1和A2车辆在整个碰撞过程中乘客生存空间的最大纵向长度变化量分别为13.8 mm和5.0 mm，两者均符合标准EN 15227“乘客生存空间中任意5 m长度内缩小值都不能超过50 mm”的要求。此外，A1车司机室邻近主驾驶位置处地板和车顶间的最大高度变化量为7.0 mm，不大于变形前各自高度（约2 353 mm）的20%即470 mm。

列车以70 km/h的初始速度与15 t可变形障碍物发生碰撞，碰撞仿真时间为480 ms。碰撞开始，列车由70 km/h初速度逐步减速，在231 ms时列车速度降为零。碰撞过程中各节车辆瞬间减速度随时间变化情况如图15所示。由图可计算出A1车辆最大平均减速度为2.29 g，A2车辆最大平均减速度为0.89 g，均小于5 g，满足标准要求。

碰撞过程中，列车撞击能量随时间变化曲线如图16所示。从图中可以看出，碰撞过程中总能量基本保持恒定。随着列车与障碍物发生碰撞后减速且头车端部结构持续变形，动能逐渐减少，内能逐渐增加，在这个过程中，损失的动能逐渐转化为内能，在大约178 ms后，两条曲线均基本保持水平状态，表明碰撞过程的主要阶段结束。碰撞动能从初始的27.78 MJ到碰撞结束后剩余的25.28 MJ，占初始动能的91.01%；碰撞过程中共吸收能量2.35 MJ，占初始动能的8.45%，主要由各防爬吸能装置及可变形障碍物、车体端部其他吸能结构所吸收，分别为1 105 kJ和801 kJ；滑移能为108.5 kJ，占初始动能的0.39%；沙漏能为40.2 kJ，仅占初始动能的0.14%。

3 结语

本文以某型城际动车组为例，通过对三种不同碰撞工况的仿真分析得到了车辆碰撞区域变形、能量和速度等参数的变化情况，并从生存空间、减速度、车轮抬升等方面验证了车辆的耐碰撞性能。仿真结果表明，该城际动车组列车满足防撞设计要求，具备一定的防撞性能，其车体结构和吸能装置设计可有效减轻碰撞危害，保障司乘人员的人身安全。

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