李少方， 侯本虎， 朱 濤， 肖守訥

(1 中車青島四方機車車輛股份有限公司， 山東青島 266111；2 西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室， 成都 610031)

隨著我國城市軌道交通的快速發(fā)展，為方便人口流動以及滿足人們的日常工作需求，地鐵已成為人們生活和工作必不可少的一部分。特別是在大城市，客流量相對龐大，地鐵運行的安全性受到了人們高度的重視，特別是在人口密集的市區(qū)中，更是不能忽視，地鐵列車一旦發(fā)生碰撞事故，將帶來無法彌補的巨大災難[1]。在客運軌道車輛被動安全防護技術(shù)研究領(lǐng)域，歐洲標準委員會(CEN)頒布的EN 15227標準描述了軌道車輛在設(shè)計、運營、試驗乃至事故發(fā)生時對車體耐撞性的要求[2]；王文斌等人建立了列車耐碰撞系統(tǒng)有限元和多體動力學聯(lián)合仿真策略[3]；田紅旗等人依照第2類Lagrange方程建立了列車撞擊動力學方程，模擬列車車輛的撞擊吸能情況[4]；肖守訥等人建立了列車縱向和垂向碰撞動力學耦合模型，利用不同材料模擬司機室前端吸能裝置來研究其耐撞性，研究了高速列車和地鐵列車在不同碰撞條件下列車輛的碰撞條件下列車輛的碰撞性能[5]；兆文忠和陳秉智等人研究車體安裝假人的條件下，鋁合金車體的二次碰撞以及前端結(jié)構(gòu)抗碰撞性優(yōu)化設(shè)計[6]。

目前大多的文獻和研究人員以歐標EN 15227來評價和研究列車的耐撞性，但其中針對地鐵列車的只要求在標準(AW0載荷+坐席乘客質(zhì)量的50%)工況下車輛結(jié)構(gòu)滿足耐撞性要求。AW0載荷是指車輛處于空載狀態(tài)，但對于目前中國大城市地鐵的日運客量，特別是上下班高峰期以及節(jié)假日期間，只研究標準載客的耐碰撞性，已不能滿足目前地鐵列車對耐撞性的要求，故有必要對地鐵列車在超載狀態(tài)下的碰撞安全性進行研究。

以某地鐵列車為例，建立地鐵列車有限元模型以及列車動力學方程，模擬超載工況下(即：9人/m2)地鐵列車耐碰撞性能[7]，在此基礎(chǔ)上，對被動列車施加停放制動，研究列車在該載荷狀態(tài)下的損壞情況，以及與不施加制動的對比結(jié)果，分析地鐵列車的吸能特性和司乘人員的安全問題。

1 數(shù)學模型和理論方程的建立

列車碰撞是一個涉及結(jié)構(gòu)非線性，接觸非線性，彈塑性非線性等復雜的非線性大變形問題。文中建立了某地鐵列車頭車和中間車完整的有限元模型，模擬兩列6節(jié)編組列車在直線軌道上的正面碰撞。表1為筆者給出的3種不同碰撞條件下的分析工況。

根據(jù)(AW0、AW1、AW2、AW3)的要求對空車車輛、坐席車輛、定員車輛、超員車輛的規(guī)定，文中除車體本身固有的質(zhì)量外，其余質(zhì)量(包括乘客和物品)均是通過建立質(zhì)量點均分在車體底架上來進行實現(xiàn)。

表1 工況計算匯總表

為了對比的準確性，3種工況下主動車的速度均按照(25 km/h)來進行模擬，數(shù)學模型(圖1)和動力學方程如式(1)～式(4)[8]：

圖1 列車碰撞模型圖

主動車輛：

(1)

(2)

被動車輛：

(3)

(4)

式中mi代表每輛車的質(zhì)量(主動車輛從A6至A1，i=1,2…6；被動車輛從B1至B6,i=7,8…12)；ci代表車鉤緩沖器的阻尼；ki代表車鉤緩沖器的剛度，(i=1,2,3…n);fa代表主動列車的輪軌摩擦系數(shù)；fb代表被動列車的輪軌摩擦系數(shù)；

式中Fmi代表每輛車所受摩擦力；Fi代表界面力的大小；fd代表動摩擦系數(shù)；fs代表靜摩擦系數(shù)。

2 有限元模型及動力學參數(shù)的建立

2.1 有限元模型的建立

根據(jù)某地鐵列車的三維實體模型建立列車碰撞有限元模型，車輛車體采用由底架、側(cè)墻、車頂、端墻、司機室(僅Tc車有)等構(gòu)成的薄壁筒形整體承載結(jié)構(gòu)，除司機室前端骨架采用不銹鋼材料外，其他車體結(jié)構(gòu)均采用鋁合金材料，其中司機室外部由玻璃鋼罩組成(這里不予模擬)。

該模型按其規(guī)定定義密度、彈性模量、泊松比、屈服應(yīng)力和材料屈服后硬化的有效應(yīng)力應(yīng)變曲線等性能。通過定義車體模型與轉(zhuǎn)向架模型間正確的連接關(guān)系以及建立各車輛有限元模型間鉤緩裝置進行耦合關(guān)聯(lián)，最終形成連掛列車。

對于6節(jié)編組的列車碰撞，相關(guān)研究表明[10]：列車大部分碰撞動能主要靠前兩節(jié)車吸收，因此為提高計算效率，列車頭車及第1節(jié)中間車建立完整的有限元力學模型，其余車輛用剛體代替。

仿真模型考慮了地鐵列車在碰撞過程中的頭車前端結(jié)構(gòu)和防爬吸能裝置之間的碰撞沖擊接觸，輪軌之前的面面接觸，轉(zhuǎn)向架自身的接觸和頭車前端結(jié)構(gòu)在碰撞壓塑過程中的自身接觸等[11]。列車主要的模型連接，以及輪軌接觸如圖2所示。

圖2 有限元模型圖

2.2 動力學仿真參數(shù)

為區(qū)分標準載荷列車和超員載荷列車在其載客上面的不同，表2列出了仿真計算中的車輛質(zhì)量；有關(guān)第Ⅲ種工況，被動列車的停放制動，從摩擦學的觀點來看，車輛的驅(qū)動與制動所需要的輪軌的摩擦小(在鐵路上稱為黏著)，在低速、干燥條件下，鐵路鋼輪與鋼軌之間的黏著系數(shù)為0.3～0.5；在遇到降雨時，黏著系數(shù)會減小[12]，文中模擬列車在低速干燥條件下的運行情況，被動列車施加的摩擦系數(shù)取0.3。

表2 配重列表 t

3 3種工況碰撞對比分析

3.1 司機室前端壓潰區(qū)壓縮量

根據(jù)上述信息，建立完整的有限元模型，導入LS-DYNA軟件中進行仿真計算，在碰撞過程中，各主動車輛由初速度(25 km/h)撞擊靜止的同類型同配置的被動列車，主動列車逐步減速，而各被動車輛則由靜止逐步加速，當仿真結(jié)果的速度曲線交匯以及碰撞能量吸收和剩余動能數(shù)值平穩(wěn)時，視為碰撞結(jié)束。工況Ⅰ仿真時間0.85 s，工況Ⅱ仿真時間0.9 s，工況Ⅲ仿真時間1 s，頭車車鉤和司機室前端防爬吸能裝置均充分吸收能量，隨后司機室前端結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞，如圖3～圖6表現(xiàn)了司機室前端壓潰區(qū)的碰撞結(jié)果。

圖3 定員工況碰撞初始時刻

圖4 定員工況碰撞結(jié)束時刻

圖5 超載工況碰撞結(jié)束時刻(無制動)

圖6 超載工況碰撞結(jié)束時刻(有制動)

圖7為被動列車司機室前端壓潰區(qū)的長度與時間之間的關(guān)系，隨著載客量的增加，被動列車司機室受壓越來越嚴重其縱向最大受壓距離分別為：58.67，284.99，452.86 mm。受壓的被動車壓潰區(qū)是司機安全的最后一道屏障，在超載狀態(tài)下，被動列車壓潰區(qū)基本已被侵占，452.86 mm的壓潰距離也逐漸逼近壓潰的極限600 mm。

圖7 壓潰區(qū)縱向長度變化量與時間特性曲線

3.2 司機室前端吸能

在列車碰撞過程中，主動列車在初始動能的驅(qū)使下向前推進，首先頭車車鉤壓縮吸能，隨后剪斷并失效，接著防爬吸能裝置嚙合并切削吸能，同時產(chǎn)生熱量(很少，忽略不計)，在防爬器壓縮大約180 mm(單個總行程650 mm)行程后，車體結(jié)構(gòu)開始接觸，在3種工況下，在司機室前端產(chǎn)生碰撞后的最大界面力均為2 100 N左右，此時，防爬器和車體前端結(jié)構(gòu)同時作用吸能。其能量吸收情況如表3所示，司機室前端壓縮距離與吸能百分比的對比情況如表4所示。

表3 列車碰撞能量吸收及耗散表

表4 列車碰撞能量吸收及耗散表

在列車碰撞過程中，撞擊界面的吸能量占主要部分，頭車車鉤的行程和阻抗力都是一致的，防爬吸能裝置的前180 mm也是在不同工況中吸能一致的，只有在司機室結(jié)構(gòu)接觸后，吸能才有所區(qū)別，其中第Ⅰ種工況，按照對地鐵列車的一般要求，標準載荷條件下的碰撞對于司機室前端的壓潰區(qū)結(jié)構(gòu)基本沒有影響，到碰撞結(jié)束時最大壓縮量是58.67 mm，當載荷加大，到達超員載荷時，壓縮距離逐漸加大，大約是總行程的一半， 最大壓縮距離284.99 mm，在此基礎(chǔ)上在被動列車施加停放制動，其碰撞程度達到最惡劣，司機室前端壓潰區(qū)壓縮距離逼近極限值，最大壓縮距離452.86 mm，其前端對應(yīng)的吸能距離660.65 mm(結(jié)構(gòu)壓潰后也需有一定的容量空間)也逼近極限壓縮吸能容量。

4 結(jié) 論

基于建立的某地鐵列車碰撞有限元模型，分析了在標準工況載荷，超員載荷以及施加停放制動的超員載荷這3種工況下，司機室前端的壓潰破壞和列車整體能量吸收情況，得出以下結(jié)論；

(1) 在標準載荷和超員載荷下主動車以初速度(25 km/h)撞擊同類靜止無制動的被動列車，兩種工況下司乘人員均為安全，而且司機室前端壓潰區(qū)還有可供壓縮的空間來保護司機室空間不受破壞；超員載荷下，司機室前端所被壓縮的距離是標準條件下的5倍左右。

(2) 在同等初速的撞擊條件下，被動車施加停放制動時，撞擊的結(jié)果更為嚴重，司機室前端的車鉤和防爬吸能裝置均走完全程，被動車司機室前端的壓潰區(qū)幾乎被全部壓潰，幾乎是司機室前端壓潰吸能的極限，在工況Ⅲ條件下，若再次加大速度即會對司機室空間產(chǎn)生威脅。

在地鐵運營高峰期列車超員是很常見的現(xiàn)象，通過對3種工況的對比研究發(fā)現(xiàn)，對超員載荷條件下列車的碰撞安全性研究很有必要，以此評價所設(shè)計車輛結(jié)構(gòu)的碰撞安全性，降低碰撞事故中的生命和財產(chǎn)損失。

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