一種軌道車輛吸能端墻結構設計方法

姜青霞

摘要：車輛碰撞變形時能量吸收的吸能結構是以研究車體端墻為主吸能端墻結構;車輛在正常運行時，車體不僅要有足夠的強度和剛度來滿足相關規(guī)范規(guī)定要求外;車輛發(fā)生碰撞時，車體還要有一定的吸能結構，即能沿著預設方向產(chǎn)生塑性大變形來吸收列車撞擊時所產(chǎn)生的沖擊動能，保證車體乘客區(qū)內的乘客的人身安全和此區(qū)域設備盡可能不被破壞，還可延緩其碰撞時間，降低撞擊瞬間的速度，使沖擊速度能夠降低到人體所能夠承受的范圍內。本文主要介紹了一種軌道車輛車體端墻結構吸能的設計方法。

關鍵詞：軌道車輛;吸能端墻;設計方法

前言

近年來，隨著我國鐵道車輛制造業(yè)迅速發(fā)展，已陸續(xù)向阿根廷、伊拉克、伊朗、孟加拉、等多個國家和地區(qū)批量出口鐵路客車。在出口這些車輛中所要求的技術條件制定中，客戶要求客車車體的設計標準采用國際鐵路聯(lián)盟標準UIC566《客車車體及其零部件的載荷》，替代了我國鐵道行業(yè)標準TB/T1335《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規(guī)范》。

UIC566與TB/T1335相比，車體不僅要有足夠的強度和剛度來滿足車輛在正常運行時相關規(guī)范規(guī)定要求外;車體還要有一定的吸能結構，即當車輛發(fā)生碰撞時，能沿著預設方向產(chǎn)生塑性大變形來吸收車輛撞擊時所產(chǎn)生的沖擊動能，保證車體乘客區(qū)內的乘客人身安全和此區(qū)域的設備盡可能不被破壞，還可延緩其碰撞時間，降低撞擊瞬間的速度，使沖擊速度能夠降低到人體所能夠承受的范圍內。

目前，很多車輛主要的吸收和釋放車輛在運行過程中所產(chǎn)生能量是通過聯(lián)掛車鉤自身帶的液壓、橡膠、彈性膠泥緩沖器等部件來完成，而對于使用鏈子鉤的車輛只能通過在底架端部增加側緩沖器來解決吸收和釋放這些能量，而UIC566標準對客車不但有較高強度的要求，同時對車體端部的耐撞性也有明確的要求，顯然將底架端部設計吸能功能是難滿足其強度標準需要，為了保證車體既要滿足高強度要求，還要滿足其吸能要求，這樣車體的端墻作為吸能結構來研究是急需考慮和解決的問題。而本文主要研究當車輛碰撞變形時所產(chǎn)生能量的吸能結構，是以車體的端墻為主的吸能端墻結構，即列車在正常運行及制動情況下，此吸能端墻結構既要有良好傳遞縱向力的性能，當列車發(fā)生撞擊時，還要能發(fā)生塑性大變形用來吸收這個沖擊能，從而滿足車體碰撞吸能的要求。

吸能端墻結構的設計方法

吸能端墻是承載的吸能結構，將吸能端墻結構設計成兩層，為了防止主車體發(fā)生大變形，造成旅客傷害，需要將靠近客室內端墻的結構其強度、剛度設計比較強大，來滿足列車正常運行及制動情況下，具有良好的傳遞縱向力性能;而外端墻強度、剛度設計相對較弱，在發(fā)生撞擊事故時，讓外端墻，及到內端墻中間這個區(qū)域產(chǎn)生塑性大變形來吸收大的沖擊能量。

根據(jù)吸能端墻結構的這種設計理念可以通過以下幾種方法來實現(xiàn)。

吸能端墻碰撞變形能量吸收區(qū)域設計成一個獨立模塊化部件，最后與車輛底架、側墻、頂組焊在一起;

由于吸能端墻的外端墻與內端墻的強度、剛度不一致，會造成外端墻弱強度部分的應力遠大于內端墻高強度那部分應力，導致弱強度那部分外端墻應力產(chǎn)生的比較集中，為了解決局部應力過大問題，需在內端墻結構與外端結構中間部分可增設緩沖結構，讓其緩慢過度，即可在其中間布置多根安裝梁，使這些安裝梁的剛度介于強外端墻結構與弱內端墻結構之間，使著吸能端墻整體的縱向剛度能夠逐漸減弱，即從大、中、小的方式逐漸過渡，而不是直接設計到弱剛度。

吸能端墻的外端墻與內端墻過渡區(qū)域的安裝梁上開設長圓孔，當列車發(fā)生碰撞事故時，在安裝梁上近長圓孔周圍的應力會急劇增加，造成安裝梁彎曲失穩(wěn)，隨著碰撞作用力加大，在安裝梁彎曲失穩(wěn)處會繼續(xù)加大變形，最終將安裝梁壓成皺褶;為了吸能端墻在發(fā)生變形時，能夠按照設計預設的順序有序進行，在安裝梁上同一位置處開始大小不同的長圓孔，想讓其先變形地方長圓孔應開大一些，后變形地方長圓孔可開小一些，當發(fā)生碰撞時，大長圓孔安裝梁結構強度相對較弱，因而先發(fā)生皺褶變形。這樣在撞擊過程中時，吸能端墻所產(chǎn)生的變形和大小及方向都能夠按預設有序的變形，其變形是穩(wěn)定的和可靠性的;同時在安裝梁上開孔又減輕了吸能端墻的自重，提高了比耗能。

將外端墻與內端墻過渡區(qū)域的安裝板設計成波紋板，當列車發(fā)生碰撞事故時，隨著撞擊力的作用，波紋板與安裝梁的孔一起，引導吸能端墻變形沿著預設方向有序的、穩(wěn)定的發(fā)生塑性變形。

繪制吸能端墻結構三維模型，然后通過Hypermesh進行幾何模型處理、網(wǎng)格的劃分和邊界條件的設定，通過LS–DYNA對車體端部結構進行碰撞分析計算驗證，并對吸能端墻結構進行優(yōu)化，最后將吸能端墻結構融入整體結構中進行列車級的碰撞計算分析。

吸能端墻結構使用不銹鋼材料，通過靜態(tài)強度和碰撞吸能的綜合仿真分析，通過調整吸能端墻骨架結構、安裝梁的厚度，即調整吸能結構所受平衡載荷和壓潰距離（E=FS），使得吸能端墻的壓潰變形按照一定的次序穩(wěn)步進行，滿足列車在高速運行狀態(tài)下碰撞時吸收最大程度的能量，保護乘客的生命安全。

結論

本文提供一種既能在常態(tài)下承載和傳遞一定要求靜態(tài)載荷，又能在特殊情況下可壓潰性的吸能端墻結構，用以在吸收碰撞過程時產(chǎn)生較大的沖擊能量，且還讓車輛按照設計的需要進行有序的發(fā)生變形，即在中間客室部位等重要區(qū)域發(fā)生彈性小變形，在車輛的次要部位發(fā)生塑性大變形，對有效的實施被動安全保護具有重要的意義，同時為后續(xù)其它的項目提供借鑒意義，提高項目開發(fā)效率;對符合UIC標準要求既要保證正常運行傳遞載荷，又要保證在碰撞變形產(chǎn)生能量的吸收車體端墻結構進行了進一步的研究。

參考文獻

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高陽.謝素明，李革，兆文忠.基于UIC566的客車車體設計[J].鐵道車輛，2008，46（5）：15–41.