軌道交通列車前端吸能結構碰撞研究

（1．中車長春軌道客車股份有限公司工程實驗室，130062，長春；2．吉林大學數學學院，130012，長春∥第一作者，高級工程師）

軌道交通列車前端吸能結構碰撞研究

王科飛1滕萬秀1崔城瑋2

（1．中車長春軌道客車股份有限公司工程實驗室，130062，長春；2．吉林大學數學學院，130012，長春∥第一作者，高級工程師）

利用LS－DYNA軟件建立列車前端吸能結構的有限元模型，通過仿真分析對試驗臺車吸能結構進行優化以及試件材料選擇；通過受力對比分析確定整車模型與試驗臺車模型對于吸收結構碰撞試驗的一致性。臺車吸能結構碰撞試驗結果及其分析表明：利用臺車吸能結構碰撞試驗可以替代整車碰撞試驗，用于驗證列車前端吸能結構設計的合理性。采用仿真分析與臺車試驗相結合的方法，對列車端部吸能結構的耐碰撞性能進行驗證，可以有效地壓縮設計與試驗的成本和周期。

軌道交通列車；吸能結構；碰撞試驗；有限元分析

First－author′saddressCRRC Changchun Railway Vehicles Co．，Ltd．，130062，Changchun，China

隨著軌道交通客運車輛國際化的快速發展，按國際標準進行車體設計的情況將會越來越多，以便滿足各類市場需求。尤其在以被動安全標準嚴格而著稱的北美城市軌道交通客運車輛市場，合理的碰撞能量分配管理以及合理的車體吸能結構越來越成為滿足設計要求的關鍵。通過碰撞仿真分析和吸能結構試驗，尤其是對底架吸能結構進行碰撞試驗，可以用來驗證結構是否滿足碰撞吸能設計要求。

本文依據美國機械工程師協會（ASME）相關標準，利用有限元分析軟件LS－DYNA，采用仿真分析與吸能區碰撞試驗結合的方法，研究了某新型不銹鋼地鐵車輛的耐碰撞性。通過整車受力與底架吸能結構受力的對比分析，得出受力差別較小的結論，確定了可用試驗臺車代替整車試驗的方法來壓縮設計周期和節約設計成本。該方法為今后應用仿真分析來指導車體結構設計提供了參考依據。

1 碰撞機理及相關依據

1．1 碰撞機理

機車車輛的碰撞是一個瞬態過程，是一個包含幾何非線性、材料非線性和邊界非線性變化的復雜過程。這些非線性過程的綜合表現使得機車車輛的碰撞仿真非常困難。盡管存在這些非線性因素，但機車車輛碰撞過程仍然遵守基本的力學定律，這些力學定律包括動量定律、質量守恒定律及能量守恒定律。

1．2 相關標準

根據ASME標準中有關碰撞的規定，車體需滿足：當遭受超過它靜態載荷能力的端部負荷時，能以可控的方式產生塑性變形并吸收能量；結構吸能區應該位于車體結構的端部，并且應該按規定的順序和壓潰量級，在其他車體結構破壞前產生作用，以保護乘客和駕駛員免受結構穿透的影響。

其中關于能量管理部分，最嚴格的情況為運動車輛以40km／h的速度與另一列靜止車輛相互撞擊時，車體端部吸能區能夠吸收大部分撞擊能量，而客室無損壞。根據相關理論，碰撞分析采用試驗樣件以20km／h速度撞擊剛性墻工況來考察吸能區的能量吸收及其他指標。

2 主要結構及材料模型

2．1 吸能區結構

由于國內條件限制，目前無法開展整車碰撞試驗。中車長春軌道客車股份有限公司工程實驗室經過多輪計算分析及優化分析，驗證了可通過簡化整車模型，采用車體端部吸能區的分析及試驗來校核整車的碰撞吸能能力，通過局部模型來驗證整車吸能能力的要求。車端吸能區設計可通過局部模型來驗證吸能區設計的合理性，并驗證吸能元件的吸能動作順序合理性（見圖1）。

圖1 車體端部吸能區臺車試驗結構

2．2 有限元模型

碰撞響應中的物理現象是非常復雜的非線性行為，包括：結構大尺度變形、材料破壞及失效、復雜的碰撞響應。有限元分析軟件LS－DYNA在大變形分析領域有長期應用歷史，并在各領域應用廣泛，采用其作為列車碰撞分析軟件，可保障分析結果的合理性。

車體端部吸能區主體結構的有限元模型采用Belytschko－Tsay單元（見圖2），為4節點4積分點殼單元，可以準確捕捉結構的彎曲變形；防爬器等端部結構則采用單點積分的8節點實體單元，其廣泛應用于LS－DYNA計算中；點焊應用于連接不同的結構件，通常作為殼單元的連接點，故焊點區域采用Huges－Liu單元的2節點梁單元（見圖3）。

2．3 材料模型

對材料本構模型的首要要求是能夠反映非線性真實應力－應變特性的變化，這種要求明確了材料的力學響應并限定了材料的變形（應變）。

通常來講，分段線性彈塑性本構模型的構建是基于拉伸試驗數據。對板材試樣，一般在縱向和橫向進行一系列的標準拉伸試驗，如圖4所示。圖4所示的數據是實測工程應力－應變數據。工程應力為測得的負載除以試驗件的原截面積，工程應變為試驗件長度變化除以原來的長度。

圖2 車體端部吸能區臺車有限元模型

圖3 點焊梁單元在殼單元間的傳遞關系示例

圖4 材料拉伸試驗數據示例

有限元分析中的本構模型，要求將工程數據轉換為真實的應力和應變。有些是基于材料（拉格朗日）坐標和空間（歐拉）坐標的對應關系，即

其中：

σT——真實應力；

σeng——工程應力；

e——工程應變。

真實應變εT定義為

式中：

l——試件當前長度；

l0——試件初始長度。

真實應變的增加量定義為長度變化量除以當前長度，

工程應變定義為長度變化量Δl除以原長度l0，

由于車體端部吸能區涉及ASTM標準中A588－A類的多種不同厚度碳鋼，故取不同厚度材料做材料拉伸試驗。分別取板材或棒材制成試驗樣件（如圖5所示），分別得到的應力－應變曲線如圖6所示，并轉化為真實應力－應變曲線，用于碰撞模型分析。采用真實材料的力學性能，可以保證材料性能的準確性。材料特性如表1所示。

圖5 A588－A試樣樣件

圖6 工程應力－應變曲線

表1 ASTM A588－A鋼材料特性

3 分析及試驗

3．1 試驗結構

因各方面條件限制，國內暫不具備做整車吸能碰撞試驗的能力，故可通過吸能區試驗來間接驗證車體吸能能力。通過對比分析整車及試驗臺車受力，可基本確定整車模型與試驗臺車模型的一致性，如圖7所示。

圖7 整車與試驗臺車對剛性墻的撞擊力對比

吸能區試驗的目的是提供有效的吸能區實際能量吸收特性，證明吸能區的實際結構是否滿足設計要求。吸能區試驗完全按照實際結構來制定試驗大綱，并著重考慮關鍵結構的吸能特性；通過多輪分析及結構優化確定吸能區的測試結構，其中關鍵是底架結構，要能夠安裝在按照實車配重的試驗臺車上，以保證試驗的準確性。

碰撞車體總重量35t，由于該型車端部吸能區設計為多級吸能結構，本次分析及試驗考慮除車鉤吸能之外吸能區的吸能能力，總能量大約為780kJ，以滿足整體吸能能力設計要求（如圖8所示）。

圖8 車體吸能區能量計算

3．2 試驗分析

通過用LS－DYNA軟件進行碰撞分析計算，進行多次吸能區碰撞仿真分析以及結構優化后，最終得到可信的吸能區結構。分析結果表明：在吸能區結構前端接觸剛性墻作為碰撞時刻的始發點（t＝0），此時整個吸能區開始動作；當t＝120ms時，吸能區壓潰管行程完全走完（如圖9所示），各吸能模塊按照吸能順序依次動作，無產生較大應變，初步滿足設計要求。

圖9 t＝120ms時刻吸能區動作完成情況

3．3 試驗結果

整個吸能區臺車的試驗速度為22km／h，滿足ASME標準中對速度的要求。

本次試驗通過高速攝影來記錄整個試驗過程，關鍵時間節點部分的試驗結果如下：t＝0時，吸能區前端開始接觸剛性墻，吸能區開始依次動作；t＝121ms時，整個吸能區吸能過程結束（見圖10）；t＝122ms時，吸能區繼續整體向后壓縮至后部縱向梁，并于t＝136ms時測力墻受力開始持續下降，最終在t＝151ms時下降至零，即試件與剛性墻分離。

圖10 t＝121ms時刻吸能區壓潰管行程完全走完情況

3．4 試驗數據分析

根據高速攝影儀記錄的試件碰撞序列圖像，對主要吸能部件進行數據分析，其中兩根壓潰管的行程－時間曲線如圖11所示，壓潰管的行程基本走完，與設計需求及分析結果一致，符合要求。

本次試驗剛性墻處使用4個測力傳感器，經過處理后，得到的剛性墻撞擊力－時間曲線如圖12所示。由圖12可知，撞擊力處于合理區間范圍內。由于測力傳感器記錄到的數據比實際設計吸能區承載力稍小，故測得的數據僅作為參考，仍需要以設計的承載力作為基準，以保證吸能區的吸能能力。

圖11 壓潰管行程－時間曲線

圖12 剛性墻撞擊力－時間曲線

4 結論

利用列車端部碰撞吸能區仿真分析與試驗相結合的方法，得出的試驗及分析結果表明：

（1）經過多輪碰撞分析及優化，增強薄弱區域結構設計，使車體前端吸能區在碰撞過程中主要吸能結構依次動作，以保證碰撞過程中的能量吸收。該設計可以滿足ASME碰撞標準中對能量吸收管理要求。

（2）碰撞模擬采用真實材料的動態應力－應變曲線，以提高仿真分析的正確性。

（3）通過對比分析整車及試驗臺車受力變化過程，確定可用試驗臺車代替整車進行碰撞試驗；前端吸能結構的設計通過多次優化分析，確定試驗樣件的選擇；車體吸能區的試驗對整車的吸能能力有很好的驗證作用，可以省時高效地驗證整車的碰撞性能。

（4）在吸能區試驗樣件正式試驗前，開展針對試驗樣件的碰撞分析，具有現實意義，可以用于指導試驗，同時對仿真分析有修正作用。

［1］ 李本懷．軌道客車車體碰撞吸能研究［D］．長春：吉林大學，2014．

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Study on the Energy Absorption Structure of Railway Vehicle Front End

WANG Kefei，TENG Wanxiu，CUI Chengwei

The software LS DYNA is used to establish a finite element model of energy absorption structure on railway vehicle front end．Through simulation analysis of a testing trolley，the structure and materials are optimized，then a force contrast analysis is used to decide the consistency of the testing trolley and the crash test of the absorption structure．The test result shows that the testing trolley could replace the real vehicle in the crash test of the absorption structure，and verify the design of the energy absorption structure on railway vehicle front end．With a combination of simulation analysis and trolley crash test，the crashworthiness of the front end absorption structure could be verified，the design cycle be shortened and testing cost be reduced effectively．

rail transit vehicle；energy absorption structure；crash test；finite element analysis

U270．1＋2

10．16037／j．1007－869x．2017．02．006

2016－09－25）