寇麗君

摘 要：根據(jù)不同地鐵車(chē)輛的結(jié)構(gòu)，建立頭車(chē)有限元模型，當(dāng)發(fā)生碰撞，頭車(chē)相對(duì)于車(chē)身更危險(xiǎn)，對(duì)頭車(chē)結(jié)構(gòu)采用有限元模型，利用OptiStruct軟件對(duì)車(chē)端吸能結(jié)構(gòu)吸能梁的分布進(jìn)行研究。對(duì)于車(chē)輛碰撞過(guò)程中理想四級(jí)吸能順序進(jìn)行參照，結(jié)合PAM-CRASH碰撞仿真軟件，用碰撞仿真軟件進(jìn)行驗(yàn)證四種吸能結(jié)構(gòu)的吸能特性。對(duì)于不同的吸能特性進(jìn)行分析，從而達(dá)到優(yōu)化地鐵車(chē)輛的吸能結(jié)構(gòu)的目的。

關(guān)鍵詞：吸能結(jié)構(gòu) 車(chē)鉤 有限元模型 優(yōu)化

Analysis on the Energy-absorbing Structure of Subway Vehicles

Kou Lijun

Abstract：Based on the structure of different subway cars， a finite element model of the lead car is established. When a collision occurs， the lead car is more dangerous than the car body. The finite element model of the lead car structure is adopted， and the OptiStruct software is used to analyze the distribution of the energy absorbing beams of the car end energy absorbing structure. The paper refers to the ideal four-level energy absorption sequence in the process of vehicle collision， combined with the PAM-CRASH collision simulation software， and uses the collision simulation software to verify the energy absorption characteristics of the four energy absorption structures. Besides the paper also analyzes different energy absorption characteristics to achieve the purpose of optimizing the energy absorption structure of subway vehicles.

Key words：energy-absorbing structure， car coupler， finite element model， optimization

1 地鐵車(chē)輛吸能結(jié)構(gòu)的研究背景

中國(guó)是一個(gè)國(guó)土面積十分遼闊的國(guó)度，在中國(guó)的土地上鐵路發(fā)展的尤為迅速。交通強(qiáng)國(guó)、鐵路先行的口號(hào)也一直伴隨著我們的鐵路事業(yè)不斷前進(jìn)著。地鐵車(chē)輛的發(fā)展，可以說(shuō)是推薦城市之中經(jīng)濟(jì)進(jìn)步的重要因素。地鐵多建于地下，多條地鐵線(xiàn)路的建設(shè)可以讓城市的交通得到很大程度的提升。特別是在私家車(chē)保有量逐漸增多的今天，城市地鐵車(chē)輛的建設(shè)顯得尤為的突出和重要。城市人員流動(dòng)大，地鐵站內(nèi)人流密集，所以更應(yīng)該加強(qiáng)安全管理，避免發(fā)生碰撞事故，消除安全隱患。地車(chē)車(chē)輛頭車(chē)司機(jī)室相對(duì)于車(chē)身設(shè)計(jì)的比較短，當(dāng)發(fā)生碰撞，沒(méi)有特定的吸能區(qū)域來(lái)吸收、耗散碰撞能量。由于地鐵內(nèi)部設(shè)計(jì)和高鐵等不同，中間車(chē)輛沒(méi)有衛(wèi)生間、行李架等可以犧牲掉的薄弱區(qū)域來(lái)耗散能量，因此地鐵車(chē)輛前端吸能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。

怎樣使地鐵車(chē)輛在碰撞過(guò)程中能夠穩(wěn)定的吸收更多的能量，減少財(cái)產(chǎn)損失，確保乘務(wù)人員的安全，減少不必要的傷害，就特別重要。本文主要研究地鐵車(chē)輛的吸能結(jié)構(gòu)，車(chē)輛端部吸能裝置設(shè)置有編組列車(chē)頭車(chē)（Tc車(chē)）采用全自動(dòng)機(jī)械車(chē)鉤。如圖1所示為地鐵車(chē)輛四級(jí)吸能結(jié)構(gòu)順序理想的曲線(xiàn)模型圖，通過(guò)對(duì)圖1所示的吸能順序，我們對(duì)地鐵車(chē)輛進(jìn)行優(yōu)化研究其吸能結(jié)構(gòu)的工作。按照車(chē)鉤緩沖裝置建模、防爬器建模、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分布研究三部分進(jìn)行分析。

2 地車(chē)車(chē)輛頭車(chē)各部模型建立及分析

2.1 建立車(chē)輛車(chē)鉤模型

首先建立車(chē)輛車(chē)鉤模型，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，車(chē)鉤的其他部位用實(shí)體單元來(lái)模擬，車(chē)鉤模型就由這部分構(gòu)成，我們?cè)诮④?chē)鉤模型過(guò)程中全自動(dòng)車(chē)鉤常采用后置式鼓脹管結(jié)構(gòu)，如下圖2所示。在建立了車(chē)鉤有限元模型之后，我們還要注意改變材料、厚度等相應(yīng)的條件，盡管我們對(duì)各種條件進(jìn)行改變，但是該計(jì)算過(guò)程存在工作量大、重復(fù)性大等相應(yīng)的特點(diǎn)也會(huì)導(dǎo)致結(jié)果具有一定的誤差，因此，探索新的建模方式已經(jīng)成為設(shè)計(jì)建模的重點(diǎn)。

為提高準(zhǔn)確性采用非線(xiàn)性彈簧單元模擬車(chē)鉤，如圖2所示，在彈簧材料中加入車(chē)鉤的載荷-行程曲線(xiàn)來(lái)表征車(chē)鉤在發(fā)生動(dòng)態(tài)沖擊過(guò)程中的響應(yīng)特征[2]，得到EFG3緩沖器的動(dòng)態(tài)載荷-行程曲線(xiàn)如圖3所示。

2.2 建立車(chē)輛防爬器模型

頭車(chē)端部存在一種防護(hù)措施，這就是防滑器。防爬器的功能有很多，其中主要的功能如下：（1）使列車(chē)無(wú)法縱向爬行;（2）當(dāng)列車(chē)出現(xiàn)事故發(fā)生碰撞時(shí)，可以使一車(chē)無(wú)法爬到另一車(chē)上;（3）可以吸收碰撞所散發(fā)出的碰撞能量[3]。在以往的碰撞事故中，當(dāng)兩列車(chē)發(fā)生碰撞事故時(shí)，由于頭車(chē)在車(chē)輛前端，所以?xún)绍?chē)端部往往是損害最嚴(yán)重的地方，會(huì)造成不可估計(jì)的財(cái)產(chǎn)損失或人員傷害甚至死亡的嚴(yán)重的后果。有時(shí)候甚至還會(huì)發(fā)生一列車(chē)爬升到另一列車(chē)上的情況，這種情況的事故就會(huì)加重傷害[4]。因此，防爬器的設(shè)計(jì)就更加重要，EN15227標(biāo)準(zhǔn)中有了對(duì)頭車(chē)端部防爬器的一系列規(guī)定，改善防爬器性能，對(duì)防爬器進(jìn)一步要求。

本文中，為得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，列車(chē)端部防爬器采用了刨削式防爬器，具有穩(wěn)定的切削載荷值。圖4給出了防爬器實(shí)際實(shí)驗(yàn)載荷-行程曲線(xiàn)，依據(jù)試驗(yàn)曲線(xiàn)來(lái)模擬模擬防爬器的彈簧單元載荷-行程曲線(xiàn)。

2.3 地鐵車(chē)輛端部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分布研究

為研究地鐵車(chē)輛端部端部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，研究采用合理的分析方法。結(jié)合某地鐵列車(chē)頭車(chē)結(jié)構(gòu)，截取頭車(chē)前端司機(jī)室有限元模型，車(chē)輛的車(chē)體采用鋁合金材料，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，防爬器的位置不能隨意改變，以此研究吸能梁位置分布。

密度法和別的計(jì)算方法不同，它是根據(jù)單元密度值（0或1）來(lái)決定單元的取舍。1代表紅色單元密度值，為要保留的單元;0代表藍(lán)色單元密度值，此單元對(duì)結(jié)果沒(méi)有影響，所以要去掉。

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合我國(guó)地鐵車(chē)輛發(fā)展現(xiàn)狀，首先介紹了我國(guó)地鐵車(chē)輛發(fā)展的背景，以及敘述地鐵車(chē)輛發(fā)生碰撞的特點(diǎn)，再通過(guò)國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)研究的地鐵車(chē)輛碰撞課題從而引出本文的中心思想。本文首先對(duì)車(chē)鉤模型進(jìn)行建立，在車(chē)鉤有限元模型建立后進(jìn)行緩沖器動(dòng)試驗(yàn)特征曲線(xiàn)的編寫(xiě)。再進(jìn)行防爬器模型建立，通過(guò)EN14227標(biāo)準(zhǔn)對(duì)防爬器模型進(jìn)行規(guī)劃，從而得到防爬器載荷行程試驗(yàn)曲線(xiàn)。最后對(duì)地鐵車(chē)輛拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分布研究，通過(guò)載荷分布研究利用軟件優(yōu)化算法，從而最終達(dá)到對(duì)該部分進(jìn)行優(yōu)化。本文的撰寫(xiě)有助于分析地鐵車(chē)輛發(fā)生碰撞的各部分吸能結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。對(duì)于我國(guó)未來(lái)地鐵車(chē)輛的發(fā)展可以起到一定的促進(jìn)推動(dòng)作用，讓地車(chē)車(chē)輛能夠更加安全。

參考文獻(xiàn)：

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