基于碰撞仿真的地鐵車輛不銹鋼點焊車體前端結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

來亞南 鄭喜斌

（大連交通大學交通運輸工程學院，116028，大連∥第一作者，碩士研究生）

為降低事故造成的損失，國內(nèi)外深入研究車輛的被動安全防護技術。被動安全防護主要是通過改善車體自身結(jié)構(gòu)，使其具有良好的耐撞性，車體安裝的吸能部件能夠按照人的意志有序地發(fā)生變形，盡最大可能吸收車輛碰撞能量，以增加壓潰行程、延長撞擊時間，進而降低了碰撞加速度，最大程度地保護旅客和司乘人員的人身安全，并降低碰撞造成的車輛損傷［7－10］。

本文以某不銹鋼點焊地鐵車體作為研究對象，應用大變形碰撞仿真技術，建立有限元模型，對其進行被動安全性研究，并且通過仿真試驗中得到的結(jié)構(gòu)變形，優(yōu)化車體第二級吸能裝置（壓潰管）的結(jié)構(gòu)，使其吸能容量提高，以降低事故損失。

1 碰撞有限元仿真理論基礎

車輛碰撞是一個復雜的非線性動態(tài)響應過程。碰撞發(fā)生過程中產(chǎn)生的大位移、大轉(zhuǎn)動和大應變之間是一種非線性關系，其求解過程非常復雜。碰撞的典型特征是動態(tài)接觸，必須考慮變形對運動的影響。這是一種以接觸摩擦為特征的邊界非線性和以材料的彈塑變形為特征的材料非線性綜合問題。盡管如此，任何結(jié)構(gòu)都要遵守質(zhì)量守恒、能量守恒定律以及物體的運動方程。對于大變形碰撞問題，目前廣泛應用的PAN－CPASH 軟件其算法都是基于質(zhì)量守恒、動量守恒定律及物體運動的有關方程。

車輛大變形碰撞問題屬于顯式動力分析，最主要的困難是費時過多，采用單點高斯積分進行單元計算能提高計算效率，但是這種方法容易產(chǎn)生零能模式，又稱沙漏模式，它的存在將導致解答失真，甚至求解無法進行。因此，在實際分析中必須防止沙漏模式的出現(xiàn)。

2 不銹鋼點焊地鐵車輛頭車碰撞仿真

本文使用PAN－CRASH 軟件，采用單節(jié)頭車迎面碰撞剛性墻仿真，只截取頭部變形圖，通過仿真試驗中得到的結(jié)構(gòu)變形來優(yōu)化車體吸能結(jié)構(gòu)，提高車體吸能效果，最大程度上減小客室變形，以降低碰撞損失。

圖1為頭車撞擊剛性墻時，車體在0～200 ms時的變形圖。由圖1可以看出，頭車以25 km／h的速度迎面碰撞剛性墻時，在端部吸能結(jié)構(gòu)完全壓潰時客室區(qū)車體底架承載邊梁發(fā)生變形。這說明吸能結(jié)構(gòu)吸能不足是引起客室區(qū)發(fā)生變形的主要原因之一。

圖1 頭車吸能結(jié)構(gòu)與客室區(qū)域變形仿真圖

圖2給出了碰撞過程中車體能量隨時間變化的曲線圖。從圖2中可以看出：碰撞過程中，車體動能減少，內(nèi)能增加，總能量不變；在碰撞200 ms后車體動能減少，減少的部分被車體吸能結(jié)構(gòu)吸收，其中2／3的動能被前端吸能結(jié)構(gòu)吸收，其余1／3能量大部分被車體客室區(qū)吸收。圖3可以看出，車體最大撞擊力為1 390 kN。

圖2 車體能量隨時間變化的曲線圖

圖3 撞擊力隨時間變化的曲線圖

3 壓潰管吸能特性的研究

在車體碰撞過程中壓潰管的壁厚、材料特性、結(jié)構(gòu)形狀等對其吸能和變形有很大的影響。為使車體安裝的吸能部件能夠按照人的意志有序地發(fā)生變形，以最大程度地保護旅客和司乘人員的人身安全，現(xiàn)研究以上各因素對壓潰管吸能特性的影響。

3.1 壓潰管管壁厚度變化的影響

本文在初始方案中采用尺寸為長490 mm、寬68 mm、高150 mm 的壓潰管，管壁厚度為3 mm，如圖4所示。

圖4 初始方案的壓潰管分析模型

為使試驗結(jié)果更真實，本文使用橫向比較的方法，即均采用HT 級材料的壓潰管，改變厚度，厚分別為3 mm、4 mm 和5 mm 進行仿真，從而得出不同管壁厚度對吸能效果的影響，如圖5及圖6所示。

圖5 不同壁厚的壓潰管撞擊剛性墻時的撞擊力隨時間變化曲線

圖6 不同壁厚的壓潰管撞擊剛性墻時的吸能隨時間變化曲線

從圖5、圖6中可看出，不同壁厚壓潰管的變形觸發(fā)力以及吸能效果有明顯不同，可將兩圖對比結(jié)果以表格的形式統(tǒng)計出來，見表1。由表1可知，壁厚為5 mm 的壓潰管吸能最多，但同時觸發(fā)力變化波動幅度也較大。

表1 不同壁厚的壓潰管觸發(fā)力和吸能效果對比

3.2 材料性能的影響

由于地鐵車輛通用的不銹鋼材料有4種調(diào)制狀態(tài)，分別為SUS301L－DLT、SUS301L－ST、SUS301LMT、SUS301L－HT。在保持壓潰管形狀、壁厚、初始撞擊速度等因素不變時，分別應用以上4種材料做成的壓潰管來進行車體碰撞仿真分析，并觀察壓潰管的變形，結(jié)果如圖7～圖8所示。

圖7 不同材料的壓潰管撞擊剛性墻時的撞擊力隨時間的變化曲線

圖8 不同材料的壓潰管撞擊剛性墻時的吸能隨時間的變化曲線

由圖7、圖8可知，4種壓潰管的撞擊力與吸能情況有明顯的不同，結(jié)果如表2所示。

3.3 結(jié)構(gòu)形狀的影響

為使試驗結(jié)果更加全面，本文對結(jié)構(gòu)形狀的影響設計兩種方案。

表2 不同材料的壓潰管撞擊力與吸能情況對比

方案一使用SUS301L－HT級材料、壁厚為3mm的壓潰管，撞擊初始速度都為25 km／h，但在初始模型上增加誘導孔的數(shù)量，且把原圓形的誘導孔變?yōu)榫匦危鐖D9所示。仿真分析結(jié)果如圖10～圖11所示。

圖9 方案一更改前后的壓潰管模型對比

圖10 方案一壓潰管撞擊剛性墻時撞擊力隨時間的變化曲線

由圖10可以觀察到，雖然2個曲線大致趨勢相同，但誘導孔更改為矩形后的壓潰管較更改前撞擊力明顯變小，而且更為平穩(wěn)。從圖11可以看出，更改前后壓潰管的吸能曲線沒有明顯改變，這說明壓潰管誘導孔的形狀及數(shù)量只對撞擊力有影響，對吸能效果并沒有明顯的影響。

方案二同樣采用SUS301L－HT 級材料，管壁厚為4 mm，撞擊初始速度依然為25 km／h，不同的是將原矩形的模型管改為錐形，為了降低觸發(fā)力又多開設了誘導孔（這不影響吸能效果）。方案二壓潰管模型如圖12所示。

圖11 方案一壓潰管撞擊剛性墻時所吸收的能量隨時間變化曲線

仿真分析結(jié)果如圖13～14所示。由圖13可以看出改進后的壓潰管撞擊力較改進前明顯降低。由圖14可知，改進后的壓潰管在吸能方面也明顯優(yōu)于改進前。

圖12 方案二更改前后的壓潰管模型對比

圖13 方案二壓潰管撞擊剛性墻時撞擊力隨時間的變化曲線

綜上所述，改變壓潰管誘導孔的形狀、數(shù)量對觸發(fā)力有所改變，但對壓潰管吸能沒有明顯影響，而壓潰管的形狀對吸能效果影響較大。

3.4 優(yōu)化后壓潰管抗撞性驗證

通過以上仿真試驗的分析，現(xiàn)采用壁厚為4 mm、材料為SUS301l－HT 不銹鋼的錐形壓潰管進行驗證，觀察裝有改進后壓潰管的車體在碰撞后0～200 ms時的變形圖（如圖15所示）。

圖15與圖1對比可知，裝有改進后壓潰管的車體在碰撞過程中前端變形大大減少，且壓潰管的變形良好，此處的應力集中得到削減，說明優(yōu)化壓潰管確實能降低客室碰撞損失。

圖14 方案二壓潰管撞擊剛性墻時所吸收能量隨時間的變化曲線

圖15 不同時刻頭車吸能結(jié)構(gòu)與客室區(qū)域變形圖

圖16為車體碰撞中全局能量與端部吸能隨時間變化的曲線圖。由圖16 可知，在發(fā)生撞擊200 ms后，車體端部吸能占車體總吸能的90%以上，大大高于改進前。圖17為車體撞擊力隨時間變化的曲線圖。從圖17可以看出，改進壓潰管后觸發(fā)力明顯降低，這又證實了改進后的方案可以提高車體被動安全性。

4 結(jié)論

本文以某不銹鋼點焊地鐵車輛車體為研究對象，著重于優(yōu)化車體第二級吸能裝置（壓潰管）的結(jié)構(gòu)，為了驗證優(yōu)化后的壓潰管能否解決原車輛碰撞過程中發(fā)現(xiàn)的問題，利用碰撞仿真軟件PANCRASH 分別從壓潰管壁厚、材料及變形狀改變等方面進行仿真試驗，并獲得以下結(jié)論：

1）壓潰管管壁厚度越大，吸能效果越好，但是隨之觸發(fā)力增加，造成車體變形不穩(wěn)定。

2）壓潰管的材料強度越高，吸能效果越好，同樣會使觸發(fā)力增高、車體變形不穩(wěn)定。

3）在壓潰管上增加誘導孔的數(shù)量可以降低觸發(fā)力，但對于吸能沒有明顯影響。

4）把矩形的壓潰管改為錐形并增加誘導孔后，吸能效果變好并使觸發(fā)力降低。

圖16 改進設計后車體全局能量與端部吸能隨時間的變化曲線圖

圖17 改進設計后撞擊力隨時間的變化曲線

優(yōu)化設計結(jié)果表明，車體前端吸能結(jié)構(gòu)在整個碰撞過程中變形良好，而且車體客室區(qū)沒有發(fā)現(xiàn)明顯塑性變形。這表明壓潰管的優(yōu)化設計解決了上述中所出現(xiàn)的問題，達到了優(yōu)化設計目的。

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