A型不銹鋼地鐵車體耐撞性研究

胡基貴 韋海菊 王興文（南車南京浦鎮車輛有限公司技術中心，江蘇 南京 210031）

A型不銹鋼地鐵車體耐撞性研究

胡基貴 韋海菊 王興文
（南車南京浦鎮車輛有限公司技術中心，江蘇 南京 210031）

軌道車輛車體基本性能的研究需要考慮多方面的因素，車體耐碰撞性是重要指標之一。以A型不銹鋼地鐵車體為研究對象，基于LS-DYNA碰撞仿真平臺，分析了車輛在不同碰撞速度下車體的耐撞性能；然后，采用逼近法，獲取了該型地鐵車的最大碰撞安全速度，為車體的耐撞性設計提供了理論支撐。

A型不銹鋼地鐵；車體耐撞性；逼近法；最大碰撞安全速

1 引言

城市軌道交通車輛是一種跨學科、跨領域、綜合性強的現代交通運輸工具，國內市場中城市軌道車輛主要以A型和B型車輛為主。A型車相對B型車具有軸重大、車輛尺寸大的特點，不銹鋼材質的車體具有較強的耐腐蝕性能，車體涂裝維修成本也較低，在車體材料的選擇方面受到極大地青睞。不銹鋼A型車的顯著優勢使得在市場上得到了廣泛的應用，目前國內對A型不銹鋼車體的耐碰撞性能研究較少，因此本文以A型不銹鋼車體為研究對象，建立了列車碰撞仿真力學模型，以20km/h、25km/h的初始碰撞速度對列車進行了耐撞性計算分析。同時，為得到該型地鐵車的最大碰撞安全速度，采用逼近法， 確定了該型車輛結構損壞時的最小速度。

2 地鐵車輛耐碰撞性能要求

為了使軌道車輛車體滿足標準規定的耐撞性要求，軌道車輛在一定速度的碰撞過程中，其能量轉換應以一種合理有序的方式進行。按照此思想設計的耐碰撞軌道車輛應能滿足如下要求：

（1）軌道車輛在發生碰撞時，不可逆的塑性變形應首先從車輛端部吸能區及其附近區域開始，并按設定的變形過程漸進式變形性能；

（2）列車發生碰撞時的減速度應保持在一個適度的水平，以便保護乘務人員及乘客的安全，并避免設備安裝、內裝及轉向架連接裝置脫落或損壞。

3 車體的有限元模型

由于不銹鋼車體的零部件基本是薄壁構件，車體結構全部采用殼單元模擬，板殼之間的點焊連接通過梁單元模擬。

為了提高計算效率，考慮到車體結構的對稱性，采用半車進行模型耐撞性分析計算。為提高仿真的精確性，車體端部變形吸能區的單元尺寸細化，中間客室結構的單元尺寸則取較大，有限元力學模型中共有1063096個單元。仿真模型的網格劃分如圖1所示。

4 不銹鋼車體耐撞性分析

4.1 20km/h車體耐撞性分析

車輛的仿真場景為頭車以20km/h的速度與剛性墻發生正面碰撞，仿真時間為180ms。圖2為頭車司機室及吸能元件在180ms時刻的變形圖。

從圖2中可以看出，碰撞過程中，只有吸能元件出現塑性變形，碰撞后吸能元件吸收大部分的動能，由于吸能元件未達到其飽和行程，頭車司機室結構沒有出現塑性變形，客室也沒有出現塑性變形。因此列車在碰撞時，頭車各部分在碰撞過程中均沒有出現結構失效。

圖3給出了車體中部位置的加速度時間曲線，其平均加速度為-2.12g，該加速度能夠滿足標準中的要求。

4.2 25km/h車體耐撞性分析

車輛的仿真場景為頭車以25km/h的速度與剛性墻發生正面碰撞，仿真時間為180ms。圖4為頭車司機室及吸能元件在180ms時刻的變形圖。從圖4中可以看出，碰撞過程中，在縱向沖擊力作用下吸能元件有規律地先后出現幾個對稱的皺折，其變形方式為穩定的軸對稱模式，吸能元件在達到其最大有效行程，司機室結構均出現明顯塑性變形，吸收剩余的動能。

圖5給出了車體中部點的加速度時間曲線，其平均加速度是-4.656g，該加速度能夠滿足標準中的要求。

4.3 車輛結構損壞的最小碰撞速度確定

根據20km/h和25km/h碰撞的計算結果可以看出，實際結構損壞時的最小速度應大于20km/h小于25km/h，采用逐漸逼近法計算結構損壞時的最小速度，選擇23km/h和24km/h的碰撞速度進行分析。

圖6為列車在碰撞速度為23km/h時，車體局部在126ms、180ms時刻的變形圖。從變形圖中可以看出，在120ms左右車體一位端枕梁內側地板發生變形，在碰撞結束后，車體局部發生反彈，該變形回復。由此可知列車碰撞速度為23km/h時，車體在碰撞過程中都沒有出現結構塑性變形。

圖7為列車在碰撞速度為24km/h時，車體局部在96ms、180ms時刻的變形圖，從變形圖7中可以看出，在96ms左右第二個車門左側底架邊梁和地板發生變形，碰撞結束時該變形沒有恢復。由此可知列車碰撞速度為24km/h時，車體結構發生了塑性變形，因此可以確定24km/h的碰撞速度不是車體結構實際損壞的最小速度。

結語

（1）碰撞速度為20km/h時，能量由吸能裝置的失效變形吸收和耗散，車輛客室的乘客保護區無任何損傷，司機室也沒有發生結構破壞。車體中部平均加速度是-2.12g，車體端部能量吸收區沒有發生塑性變形。

（2）碰撞速度為25km/h時，能量由吸能裝置的失效變形和車體結構的變形來吸收和耗散，司機室出現了較大的塑性變形。車體中部平均加速度是-4.656g。

（3）碰撞速度為23km/h時，車輛客室無任何損傷，司機室也沒有發生結構破壞；碰撞速度為24km/h時，地鐵車輛頭車客室產生塑性變形，因此發生碰撞時，結構損壞的最小速度為23km/h。

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[2]高春宏，屈海洋.城市軌道交通車輛總體設計研究[J].城市軌道交通研究，2009，1（11）：44-48.

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