PAM-CRASH軟件在地鐵車碰撞分析中的應用

張 霖，張 婧

(長春師范大學工程學院，吉林長春 130032)

PAM-CRASH軟件在地鐵車碰撞分析中的應用

張 霖，張 婧

(長春師范大學工程學院，吉林長春 130032)

在地鐵車輛碰撞分析中有限元求解軟件得到普遍采納。本文以某不銹鋼地鐵車輛為研究對象，借助通用顯示有限元求解軟件PAM-CRASH進行數值仿真，得到兩列相同編組地鐵車輛碰撞過程的變形趨勢、能量曲線和撞擊力曲線，進而評價車體的被動安全性能，并驗證殼單元積分算法、沿單元厚度的積分點數和沙漏控制方法設置的合理性。合理的參數設置提高了數值分析結果的準確性，為地鐵車輛的碰撞分析提供一定的理論依據。

地鐵車輛；PAM-CRASH；數值仿真

耐撞性研究是地鐵車輛現代化設計程度的一項指標。地鐵車碰撞的多重非線性涉及以大位移為特征的幾何非線性、以材料壓縮變形為特征的材料非線性和以接觸摩擦為特征的邊界非線性[1]。研究此類問題的方法有實驗測試和數值仿真。鑒于新產品研發的周期和成本，目前國內普遍采用數值仿真方法進行地鐵車輛耐撞性研究。

隨著數值仿真計算的深入，相關有限元軟件PAM-CRASH、LS-DYNA和RADIOSS也逐漸成熟。而單元類型、控制參數和求解算法的不斷完善提高了數值仿真的求解精度和求解效率。廣泛使用的碰撞模擬軟件PAM-CRASH屬于新一代計算機三維碰撞模擬系統，強大的前處理系統和簡明的后處理系統得到軌道車輛仿真領域的一致認可[2-4]，控制參數和邊界條件設置保證了大變形碰撞數值分析結果的準確性。

本文利用有限元軟件的兼容性，基于某不銹鋼地鐵車的有限元模型，通過PAM-CRASH軟件對兩編組列車的碰撞過程進行數值分析。

1 基于PAM-CRASH的數值求解

1.1 碰撞數值仿真的理論基礎

地鐵車輛碰撞的多重非線性反映了碰撞過程數值分析的復雜性。考慮車體運動和變形方面，車輛碰撞過程涉及質量守恒方程、能量方程和運動方程。

質量守恒方程為

ργ=ρ0.

(1)

其中，γ為相對體積，ρ為當前質量密度，ρ0為初始質量密度。

能量方程為

(2)

經單元離散后，可以得到有限元法求解車輛大變形碰撞之類的高度非線性動力分析的運動方程

(3)

其中，總體質量矩陣M為

1.2 PAM-CRASH軟件的控制參數問題

鑒于頭車前端為大塑性變形區域，在計算中殼單元發生翹曲是必然的。對于殼單元的材料模型而言，PAM-CRASH軟件在默認情況下采用Belytschko-Tsay積分算法，該算法是基于單元節點位于一個平面內的假設建立的，針對大塑性變形問題類型極有可能致使求解結果是不收斂的[5]，本文采用考慮了單元翹曲剛度的Belytschil-Wong-Chiang積分算法。

鑒于沿殼單元厚度方向的應力分布呈現非線性特征，在單元厚度方向上增設積分點，增加求解的精準度；另一方面，沿單元厚度方向上積分點個數的增加也會致使求解時間增加。在保證求解精準度的前提下，力求減少求解時間，本文在沿單元厚度方向上設定的積分點個數為5。

四邊形殼單元受縮減積分法的影響而產生沙漏模態，這種沒有能量損耗的變形模態導致無序振蕩的變形，降低結構剛度，數值求解結果的準確性因而降低。通常控制沙漏的方法有三種：基于向單元增加彈性剛度形式；基于向單元增加塑性剛度形式；粘性沙漏控制。鑒于頭車前端結構是承擔主要吸能的塑性大變形區域，PAM-CRASH軟件通常采用的塑性剛度沙漏控制算法對于頭車前端結構的處理仍顯得較為剛硬，因而采用較高沙漏控制系數的粘性沙漏控制方法。

2 編組列車有限元模型的建立

本文研究的不銹鋼點焊地鐵車輛采用首尾頭車、四節中間車的編組運行模式。在評價車體被動安全性能時，要求頭車前端結構應為碰撞過程中發生塑性變形的主要區域。過粗的網格劃分將致使求解結果失真，而單元尺寸過小會使求解時間以近似指數的方式增長。同時考慮到有限元模型的規模，編組列車的有限元模采用尺寸不同的網格劃分，其中頭車前端結構采用8mm的單元尺寸劃分，頭車其余結構采用20mm的單元尺寸劃分，共計1074981個單元。中間車采用50mm的單元尺寸劃分，共計10030個單元，編組列車有限元模型共計2899702個單元。車體有限元模型如圖1所示。

圖1 車體有限元模型

3 編組列車的碰撞數值仿真

編組列車車體以15km·h-1的速度面對面發生碰撞，僅頭車前端發生大塑性變形吸收沖擊能量而客室區無變形，頭車前端結構保障了客室區的安全，車體變形圖如圖2所示。

圖2 車體變形圖

列車車體以15km·h-1的速度面對面撞擊時，碰撞總能量隨時間變化的曲線如圖3所示。可以看出，碰撞過程中系統總能量為2593.46KJ，且保持恒定。初始動能為2302.91KJ，由于沙漏導致的能量損失為290.55KJ，僅占系統總能量的11%。車體末動能為1323.35KJ，車體總吸能為1270.11KJ，滿足碰撞過程中能量守恒定律，即系統總能量為末動能與總吸能之和(不考慮摩擦耗能)[6]。

圖3 車體能量-時間曲線

列車車體以15km·h-1的速度面對面撞擊時，碰撞力隨時間變化的曲線如圖4所示。可以看出，在碰撞開始的20ms內撞擊力迅速增大，在20ms到70ms逐漸下降，之后趨于穩定。在19ms時撞擊力達到最大峰值756KN，滿足聯邦汽車安全標準。

圖4 撞擊力-時間曲線

4 結論

第一，綜上對碰撞數值仿真理論基礎進行了闡述，針對PAM-CRASH軟件用于地鐵車輛碰撞仿真分析的控制參數，依次討論了殼單元的積分算法、沿單元厚度方向積分點數和沙漏控制方法，并針對本文研究對象確定了具體的控制參數。第二，利用PAM-CRASH軟件完成該不銹鋼點焊地鐵編組列車碰撞有限元模型，通過對編組列車碰撞的數值仿真分析表明：車體前端區域發生大塑性變形吸收能量而客室區無變形，碰撞過程中撞擊力變化規律正確且滿足聯邦汽車安全標準，車體被動安全性能良好。第三，編組列車碰撞過程中系統能量滿足能量守恒定律，數值求解過程正確。沙漏導致的能量損失僅占總能量的11%，表明殼單元的積分算法、沿單元厚度方向積分點數和沙漏控制方法的設置合理，為地鐵車輛的碰撞分析提供一定的依據。

[1]謝素明,兆文忠,閆學東.高速車輛大變形碰撞仿真基本原理及應用研究[J].鐵道車輛,2001(8):1-4.

[2]田紅旗,姚松.新型耐沖擊鐵路客車[J].鐵道知識,2004(2):10-11.

[3]MarkusHecht.有軌電車和輕軌車輛的防碰撞性[J].國外鐵道車輛,2005,42(5):39-41.

[4]賈宇.機車車體耐碰撞結構設計與碰撞仿真研究[D].成都:西南交通大學,2003.

[5]姚曙光,田紅旗.高速不銹鋼車體結構設計[J].鐵道科學與工程學報,2008(1):72-75.

[6]LuG.耐碰撞車輛的能量吸收要求[J].國外鐵道車輛,2006(3):8-13.

Application of PAM-CRASH in Crash Analysis of Subway Vehicle

ZHANG Lin, ZHANG Jing

(College of Mechanical Engineering, Changchun Normal University, Changchun Jilin 130032, China)

Explicit finite element solver software was universally adopted in the subway vehicle crashworthiness analysis. Take the stainless steel as subject, get the deformation trends, energy curve and force curve of collision course of two identical grouping subway vehicle by explicit finite element solver software PAM-CRASH, and evaluate passive safety performance of the vehicle, verify the reasonableness of shell element integration algorithm, the number of integration points along the thickness of the element and hourglass control method. The accuracy of numerical analysis was improved by abundant parameters, the accuracy of numerical analysis was improved by abundant parameters, and the theoretical basis of subway vehicle collision analysis was provided by the calculation results.

subway vehicle; PAM-CRASH;numerical simulation

2014-12-03

張 霖(1989- )，男，內蒙古呼倫貝爾人，長春師范大學工程學院車輛系助教，碩士，從事數值仿真研究。

U270.1

A

2095-7602(2015)04-0020-04