張勇韋海菊

基于逐級(jí)吸能原理的地鐵B型車耐撞性分析

張勇1韋海菊2

（1.南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司系統(tǒng)設(shè)備處，210017，南京；2.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，210031，南京//第一作者，高級(jí)工程師）

基于逐級(jí)吸能原理，建立了地鐵B型車的非線性大變形碰撞動(dòng)力學(xué)有限元力學(xué)模型，應(yīng)用LS-DYNA非線性大變形分析軟件，對(duì)兩列列車碰撞情形進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。研究結(jié)果表明：列車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合逐級(jí)吸能原理的要求，僅吸能裝置和部分車體端部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了塑性變形，客室結(jié)構(gòu)區(qū)域縱向長(zhǎng)度的最大變化值均小于其總長(zhǎng)的1%，乘客的生存空間可以得到保障，且列車間不會(huì)發(fā)生爬車現(xiàn)象。

地鐵列車；耐撞性；吸能防爬裝置；逐級(jí)吸能

Author′s addressSystem Equipment Division of Nanjing Metro Construction Co.，Ltd.，210017，Nanjing，China

隨著城市軌道交通技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，碰撞安全問題作為現(xiàn)代車輛設(shè)計(jì)中的重要組成部分已成為城市軌道車輛設(shè)計(jì)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。碰撞安全技術(shù)可分為主動(dòng)防護(hù)技術(shù)和被動(dòng)防護(hù)技術(shù)兩類。主動(dòng)防護(hù)技術(shù)主要是指為防止碰撞所采取的各項(xiàng)防范措施；被動(dòng)防護(hù)技術(shù)則是指車輛所采用的耐碰撞結(jié)構(gòu)，通過耐碰撞結(jié)構(gòu)的塑性變形，耗散撞擊動(dòng)能，提高車輛的耐碰撞性，最大限度地保護(hù)乘員生命安全和車輛主體結(jié)構(gòu)的完整。

在城市軌道交通車輛的被動(dòng)防護(hù)技術(shù)研究方面，有限元數(shù)值模擬以其經(jīng)濟(jì)便捷、操作性強(qiáng)、周期短和可重復(fù)性成為目前最常用的結(jié)構(gòu)耐撞性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證手段之一。主要研究?jī)?nèi)容包括：吸能元件設(shè)計(jì)與仿真［1］、結(jié)構(gòu)薄弱位置及其改進(jìn)［2］、碰撞能量管理［3］、乘員安全性［4］、列車側(cè)面碰撞安全性［5］等。本文主要基于逐級(jí)吸能原理，對(duì)地鐵列車的耐撞性進(jìn)行分析，從而達(dá)到指導(dǎo)車體結(jié)構(gòu)耐撞性設(shè)計(jì)的目的。

1 耐碰撞車體的逐級(jí)吸能原理

傳統(tǒng)軌道交通車輛的設(shè)計(jì)，主要以保證承載結(jié)構(gòu)的完整性為目標(biāo)，即在最惡劣的載荷條件下車輛承載結(jié)構(gòu)也不允許有永久變形，因此將其設(shè)計(jì)成一個(gè)近似連續(xù)的剛性體。而耐碰撞車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)則是通過引入吸能結(jié)構(gòu)，合理安排不同部位的縱向剛度，以保證在意外碰撞事故發(fā)生時(shí)，通過附加在頭車前端的專用吸能裝置或頭車車體薄弱部分結(jié)構(gòu)產(chǎn)生可控的有序失效變形，吸收和耗散能量，這即是碰撞能量的逐級(jí)吸收原理。列車多級(jí)能量吸收系統(tǒng)的吸能順序和過程如圖1所示。

采用多級(jí)能量吸收系統(tǒng)吸收撞擊能量，在第一速度界限下，車鉤緩沖裝置起作用；在第二速度界限下，車鉤剪切裝置被破壞，碰撞車輛的防爬器嚙合，吸能裝置吸收能量；在第三速度界限下，前兩部分吸能達(dá)到極限，剩余能量由車體端部的易變形區(qū)吸收，保證車體的生存空間不受影響。該原理要求設(shè)計(jì)的車體結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足以下要求：

（1）碰撞動(dòng)能應(yīng)盡可能地以不可逆的形式轉(zhuǎn)化為變形能，即結(jié)構(gòu)以塑性變形來吸收動(dòng)能，而不是以彈性變形來儲(chǔ)存這種能量，否則，將導(dǎo)致車輛發(fā)生巨大的“二次碰撞”。

（2）吸能元件塑性屈服變形呈逐步漸進(jìn)式，其特征曲線呈現(xiàn)振蕩波形，在碰撞沖擊變形的很長(zhǎng)距離內(nèi)沖擊力水平基本保持一致，從而確保作用在司乘人員身上的加速度值不超過人體的耐受極限，且具有良好的“比吸能”特性。

（3）吸能結(jié)構(gòu)既是吸能部件又兼有縱向力的傳遞功能，應(yīng)有合理的縱向剛度和彎曲剛度，同時(shí)具有足夠的能量吸收能力、延緩碰撞作用時(shí)間的能力，以及足夠的失效變形行程，從而保證吸收更多沖擊動(dòng)能，且在變形吸能過程中不造成次生破壞。

（4）無論是附加式吸能裝置，還是承載式吸能結(jié)構(gòu)部件，都應(yīng)盡可能做到在車體結(jié)構(gòu)中的位置合理，而且成本低、易制造、易更換。

2 地鐵列車的碰撞有限元模型

南京地鐵6輛編組B型車采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將整車（包括頭車和中間車）結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解，形成若干獨(dú)立而又相互聯(lián)系的子結(jié)構(gòu)，主要分成車頂模塊、底架模塊、側(cè)墻模塊、端墻模塊、司機(jī)室模塊等。防爬吸能裝置主要由吸能元件、導(dǎo)向元件及防爬器等組成。頭車和中間車的結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。

在列車發(fā)生正面碰撞過程中，頭車前端車鉤首先接觸，車鉤斷裂后頭車前端防爬器開始接觸，而且車體主要依靠吸能防爬裝置的吸能元件來吸收能量；吸能防爬裝置破壞后司機(jī)室結(jié)構(gòu)隨后受到撞擊，因此，司機(jī)室及所有車體的前端部分都是可能發(fā)生結(jié)構(gòu)大變形的區(qū)域。因此，有限元模型中對(duì)吸能防爬裝置和前端吸能結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)建模。頭車、中間車以及整列車有限元模型如圖4～6所示。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)格書要求，當(dāng)一列靜止并制動(dòng)的空載列車承受速度超過20 km/h而低于25 km/h的另一列列車的沖擊時(shí)，首先是車鉤剪斷，防爬器參與吸能；然后是司機(jī)室變形區(qū)吸收剩余的能量。司機(jī)室結(jié)構(gòu)由于吸能結(jié)構(gòu)的破壞將導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)被破壞，客室車廂無影響使用的塑性變形。

圖3 地鐵列車中間車結(jié)構(gòu)

圖4 地鐵列車頭車有限元模型

圖5 地鐵列車中間車有限元模型

圖6 整列地鐵列車碰撞有限元仿真模型

3 地鐵列車耐撞性仿真分析結(jié)果

3.1 碰撞變形

地鐵列車碰撞相對(duì)速度為25 km/h，碰撞仿真時(shí)間為800 ms。圖7～8給出了碰撞結(jié)束時(shí)主、被動(dòng)車頭車的變形圖；圖9給出了碰撞結(jié)束時(shí)刻主、被動(dòng)車防爬吸能裝置變形圖。

圖7 主、被動(dòng)車頭車的變形圖

圖8 主、被動(dòng)車中間車的變形圖

圖9 主、被動(dòng)車防爬吸能裝置變形圖

可以看出，碰撞結(jié)束后，主、被動(dòng)車頭車界面處的車鉤緩沖裝置發(fā)生了剪切破壞；頭車前端吸能裝置結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了明顯的塑性變形，前端司機(jī)室結(jié)構(gòu)則并未產(chǎn)生明顯塑性變形；各中間車車端結(jié)構(gòu)都未發(fā)生碰撞接觸，客室結(jié)構(gòu)未產(chǎn)生塑性變形。

3.2 乘客生存空間

從乘客生存空間的角度，圖10～11分別給出了列車碰撞最嚴(yán)重的兩節(jié)車（主動(dòng)車A1、被動(dòng)車B1）乘客生存空間縱向長(zhǎng)度變化量隨時(shí)間的變化曲線。

圖10 A1車乘客空間縱向長(zhǎng)度-時(shí)間變化曲線

圖11 B1車乘客空間縱向長(zhǎng)度-時(shí)間變化曲線

從圖中可以看出，在整個(gè)碰撞過程中主動(dòng)車A1乘客生存空間縱向長(zhǎng)度變化量的最大值為9.871 mm，遠(yuǎn)小于乘客生存空間縱向長(zhǎng)度的1%（A1車乘客生存空間縱向長(zhǎng)度為20 340 mm）；被動(dòng)車B1車乘客生存空間縱向長(zhǎng)度變化量的最大值為12.777 mm，遠(yuǎn)小于乘客生存空間縱向長(zhǎng)度的1%（同A1車），可見主、被動(dòng)車的乘客生存空間均能滿足標(biāo)準(zhǔn)EN 15227的要求。

3.3 碰撞能量分配

碰撞結(jié)束后，地鐵列車的碰撞能量隨時(shí)間的變化曲線以及碰撞能量分布如圖12和表1所示。

圖12 列車碰撞能量-時(shí)間曲線

從表1可見，地鐵列車的碰撞動(dòng)能由初始4 765.390kJ到碰撞結(jié)束后剩余的動(dòng)能為1 940.230 kJ，占初始動(dòng)能的40.715%；碰撞過程中共吸收能量1 978.429 kJ，占初始動(dòng)能的41.517%，主要由各吸能防爬裝置、各車輛的端部結(jié)構(gòu)、車鉤緩沖裝置所吸收，分別占總吸收能量的33.824%、19.969%、46.207%；另外，接觸面上耗散掉的滑移能也很可觀，為785.505 kJ，占初始動(dòng)能的16.483%；模型沙漏能較少，為61.226 kJ，僅占初始動(dòng)能的1.285%。表1中的數(shù)據(jù)表明列車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合逐級(jí)能量吸收原則。

表1 列車碰撞能量分配表

4 結(jié)論

通過基于逐級(jí)吸能原理的地鐵列車耐撞性分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）列車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合逐級(jí)吸能原理的要求。發(fā)生碰撞時(shí)，僅吸能裝置和部分車體端部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了塑性變形，客室結(jié)構(gòu)區(qū)域縱向長(zhǎng)度的最大變化值均小于其總長(zhǎng)的1%，乘客的生存空間可以得到保障。

（2）吸能防爬裝置產(chǎn)生了多個(gè)塑性鉸，有穩(wěn)定的屈服變形；同時(shí)，吸能裝置能夠提供碰撞車輛間穩(wěn)定的互鎖，并將產(chǎn)生的最大界面力適當(dāng)?shù)貍鬟f到互鎖界面上，列車間不會(huì)發(fā)生爬車現(xiàn)象。

［1］雷成，肖守訥，羅世輝.軌道車輛切削式吸能裝置吸能特性研究［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2013，24（2）：263-267.

［2］XU X，SCHMID F，SMITH R A.Analysis of the structuralcharacteristics of an intermediate railvehicle and their effecton vehicle crash performance［J］.J Railand Rapid Transit，2007，221：340-352.

［3］HOSSEINI-TEHRANI P，BAYAT V.Study on crashworthiness of wagon′s frame under frontal impact［J］.International journal of Crashworthiness，2011，16（1）：25-39.

［4］張志新，肖守訥，陽光武，等.高速列車乘員碰撞安全性研究［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2013，35（10）：24-32.

［5］舟津浩二.車輛側(cè)面碰撞時(shí)車體變形評(píng)價(jià)［J］.國(guó)外鐵道車輛，2007，44（1）：29-33.

連云港至徐州高鐵開工建設(shè)

7月13日10時(shí)58分，在江蘇省新沂市，隨著第一根樁基在機(jī)器轟鳴聲中順利開鉆，新建連云港至徐州鐵路拉開了全面開工建設(shè)的序幕。新建連徐鐵路東起連云港，西至徐州，正線全長(zhǎng)180.03 km，總投資281.7億元，建設(shè)工期3.5年，預(yù)計(jì)2020年12月完工。全線設(shè)置連云港、東海、新沂南、邳州東、后馬莊和徐州東6座車站，速度目標(biāo)值每小時(shí)350 km。據(jù)了解，目前從連云港到徐州開車需要2.5 h左右，到南京要4 h以上。新建連徐鐵路建成后，江蘇北部地區(qū)將形成高效便捷、內(nèi)連外通的高速鐵路網(wǎng)，區(qū)域內(nèi)主要城市之間、與周邊大中城市之間將形成1至2 h交通圈。新建連徐鐵路的東起點(diǎn)連云港同樣也是新亞歐大陸橋的起點(diǎn)。該項(xiàng)目建成后，將與寶蘭高鐵連通，與蘭新高鐵一起形成一條貫通東、中、西部地區(qū)的大通道，使“一帶一路”沿線國(guó)家之間的往來更加便捷。

（摘自2017年7月19日《人民鐵道》報(bào)，記者孫業(yè)國(guó)、栗錚報(bào)道）

Analysis of B-type Subway Train Crashworthiness Based on Step-by-step Energy Absorption Principle

ZHANG Yong，WEI Haiju

Based on the principle of step-by-step energy absorption，a finite element model of nonlinear large deformation collision dynamics for B-type subway train is established.LSDYNA nonlinear large deformation analysis software is used to conduct a detailed numerical simulation of the collision between two trains.The results show that the design of the train is in accordance with the requirements of the step-by-step energy absorption principle，plastic deformation is only observed in energy absorption device and part of the train.The maximum change of the longitudinal length of the passenger compartment structure area is less than 1%of the total length of the train energy structure，thus the living space for passengers can be guaranteed，there will be no climbing of one train on another at the same time.

subway train；crashworthiness；anti-climbing device；step-by-step energy absorption

U270.1+2

10.16037/j.1007-869x.2017.08.008

2017-03-13）