不銹鋼地鐵車輛設計及整車碰撞研究

張 霖

(長春師范大學工程學院，吉林長春130032)

隨著我國城市現代化建設的加快，以軌道交通為主的城市交通網絡正在日趨完善［1］。鑒于我國城市結構緊湊、人口密度大的特點，地鐵車輛成為軌道交通建設的首選。在地鐵車輛的發展進程中，不銹鋼點焊車因其具有高耐腐蝕性、車體自重輕、維修費用以及運營成本相對較低等優點而逐漸成為國內外軌道交通輕量化車體的主流。地鐵車輛主要運行于客流量大的城市環境中，一旦發生碰撞事故，造成的影響將是十分嚴重的。不銹鋼點焊車體正面碰撞時客室區域易發生塑性變形，其運行安全性已成為許多國家軌道車輛結構設計的重要課題之一［2－4］。本文在闡述地鐵車輛耐撞性設計理念基礎上，給出某不銹鋼點焊地鐵車的耐撞性設計方案。通過數值仿真技術對該不銹鋼地鐵車進行整車碰撞研究。

1 車體耐撞性設計理念

1.1 車體耐撞性設計理念

當兩列車相撞時，兩列車頭車所吸收的能量應占37.5%，其余一部分通過摩擦轉化成熱能，僅有很少一部分被后續車輛吸收，且不會損壞其他車［5－6］。根據地鐵端部司機室區間不長、中間車體無通過臺、衛生間等非乘客區域的特點，當地鐵車輛發生碰撞事故時，不能通過司機室和非乘客區域來耗散撞擊能量以保證客室區的完整。根據相關要求，地鐵頭車車體端部結構中應設有專用吸能結構，能夠通過摩擦、屈曲和斷裂等形式耗散沖擊動能，減少碰撞事故造成的損失，提高列車的被動安全保護功能。當滿載列車以一定速度(25Km·h－1)與另一列靜止滿載列車發生碰撞時，車體端部專用吸能結構發生可控有序的塑性變形來吸收沖擊動能，以保證乘客區域無損壞。

1.2 車體耐撞性設計方案

根據前面闡述的地鐵車特點，車體耐撞性設計的難點是在車體端部結構中合理設置塑性變形區域，本文研究的不銹鋼地鐵車采用將吸能結構與車體結構集成在一起的整體承載式專用吸能結構。考慮到與吸能結構相焊接的縱梁側面尺寸，該專用吸能結構采用矩形方管的外形。考慮到吸能結構應具有低觸發力的特性，該專用吸能結構采用兩組對稱開孔的形式。吸能結構開孔數量不宜過多以滿足大塑性變形的要求，該專用吸能結構開孔共計六組。該不銹鋼點焊地鐵頭車的整體承載式專用吸能結構如圖1所示，屬于典型的結構設計簡便、吸能效果顯著的整體承載式吸能結構。

2 車體碰撞數值模型

車輛碰撞過程是包含幾何非線性、材料非線性和邊界非線性的復雜瞬態響應過程。為了研究該整體承載式專用吸能結構對不銹鋼點焊地鐵車輛被動安全性能的影響，本文考慮到仿真軟件的兼容性，利用HYPERMESH軟件基于焊接圖紙和幾何模型建立編組列車有限元模型，采用PAMCRASH軟件對該編組列車的碰撞過程進行模擬。

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。為真實地反映該不銹鋼點焊車輛的實際情況，對該車剛度及強度有貢獻的車體結構均予以考慮。對于車體上的集中設備、吊掛件等一般采用質量單元進行模擬;四節點等參薄殼單元綜合考慮了構件中間面上的彎曲剛度、平面剛度和曲率效應，具有較高的計算精度，故車體結構盡可能采用四節點等參單元模擬。圖2為頭車的有限元模型。

圖2 頭車車體有限元模型

3 整車的碰撞數值仿真

從反映車體變形的圖3可以看出，不銹鋼點焊車6節編組列車以25km·h－1的速度與另一輛靜止的6節編組列車面對面撞擊時，前端整體承載式吸能結構相對車體其他結構的彈性極限低，塑性變形區域為頭車前端專用吸能結構。說明兩編組列車正面碰撞時，防爬器保障了兩車正撞，同時專用吸能結構一直受到軸向沖擊力而發生大塑性變形吸收沖擊能量。

圖3 車體變形圖

圖4為編組列車碰撞過程的車體能量隨時間變化的曲線圖，編組列車車體以25km·h－1的速度面對面撞擊過程中總能量保持恒定，在碰撞初始時刻的車體動能為4756.63KJ，360ms時車體動能為2984.64KJ，該過程中車體總吸能為2045.29KJ。圖5為整體承載式專用吸能結構吸能隨時間變化的曲線圖，前端專用吸能結構吸能956.65KJ，占車體總吸能的46.8%。

圖4 車體能量－時間曲線

圖5 吸能結構能量－時間曲線

4 結論

(1)綜上對地鐵車耐撞性設計理念進行了闡述，在不銹鋼點焊地鐵車耐撞性設計中，應采用整體承載式專用吸能結構，在車體端部結構中設置能發生可控有序的塑性變形結構。(2)建立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，碰撞過程中46.8%沖擊能量轉化為整體承載式專用吸能結構的塑性變形，該整體承載式專用吸能結構滿足吸收能量占沖擊能量37.5%的要求，該不銹鋼點焊地鐵車具有合理的變形模式和良好的能量吸收能力。

［1］程斌.軌道交通與城市交通可持續發展［J］.中國鐵道科學，2001(1):109－112.

［2］黃志宏，許彥強.不銹鋼車體結構設計及仿真分析要點［J］.鐵道車輛，2012(6):14－18.

［3］田紅旗.客運列車耐沖擊吸能車體設計方法［J］.交通運輸工程學報，2001(1):110－114.

［4］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.

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

［6］Lu G.耐碰撞車輛的撞擊性能［J］.國外鐵道車輛，2005(5):26 －34.