某地鐵車側(cè)翻碰撞安全性分析

敖建安，趙國(guó)輝，周俊先，陳秉智

(1.中車大連機(jī)車車輛有限公司，遼寧 大連 116028;2.大連交通大學(xué) 機(jī)車車輛工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

側(cè)翻是指車輛在行駛過(guò)程中車體繞其行駛方向坐標(biāo)翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致車體側(cè)面與地面發(fā)生碰撞的運(yùn)動(dòng).側(cè)翻事故一般都發(fā)生在明線行駛車輛上，雖然地鐵車輛通常在隧道中行駛，不易發(fā)生側(cè)翻傾覆，但是當(dāng)列車運(yùn)營(yíng)維護(hù)人員工作出現(xiàn)失誤時(shí)，同樣會(huì)導(dǎo)致側(cè)翻事故發(fā)生.因此，地鐵車的側(cè)翻碰撞研究依然具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義.

目前鐵路車輛前端吸能結(jié)構(gòu)的正面碰撞研究已經(jīng)相當(dāng)成熟［1-4］，但是車體側(cè)翻碰撞研究還處于起步階段.側(cè)翻碰撞研究主要集中在客車領(lǐng)域，已經(jīng)有相當(dāng)完善的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)，如ECE R66法規(guī)［5］.在軌道車輛領(lǐng)域目前沒(méi)有任何側(cè)翻耐撞性的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要通過(guò)參考ECE R66汽車側(cè)翻標(biāo)準(zhǔn)作為邊界條件進(jìn)行仿真分析.Riazi等人通過(guò)側(cè)翻實(shí)驗(yàn)和有限元仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比來(lái)研究鐵路客車的側(cè)翻耐撞性能，結(jié)果表明頂棚橫梁能夠提高車輛在側(cè)翻過(guò)程中能量吸收效率［6］.Baykasoglu等人依據(jù)ECE R66標(biāo)準(zhǔn)采用單倍和兩倍角速度下兩種不同的碰撞邊界條件對(duì)鐵路車輛車體進(jìn)行側(cè)翻仿真分析，根據(jù)車體內(nèi)乘員生存空間的完整性和車體結(jié)構(gòu)的變形情況來(lái)判斷車體的側(cè)翻耐撞性能是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求［7］.西南交通大學(xué)劉豐嘉采用LS-TaSC軟件對(duì)正面碰撞和側(cè)翻碰撞兩種工況下的機(jī)車車輛端部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了耐撞性和剛度的拓?fù)鋬?yōu)化，結(jié)果表明:與原結(jié)構(gòu)相比，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)在側(cè)翻碰撞和正面碰撞兩種工況下的耐撞性能均有不同程度的提高［8］.

本文首先建立某地鐵車Tc車體結(jié)構(gòu)有限元模型，計(jì)算車體側(cè)翻碰撞時(shí)的初始條件，采用碰撞仿真軟件LS-DYNA對(duì)車體進(jìn)行仿真分析，并通過(guò)車體內(nèi)生存空間是否完整判斷車體的側(cè)翻耐撞性是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求;然后對(duì)發(fā)生塑性變形較大的薄弱結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提高車體的側(cè)翻耐撞性能，達(dá)到提高車輛被動(dòng)安全性的目的.

1 乘員生存空間

ECE R66客車側(cè)翻標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定車內(nèi)乘員生存空間是一個(gè)高度為750 mm的等腰梯形，梯形下端距離車體波紋地板的垂直高度為500 mm，距離側(cè)墻立柱的水平距離為150 mm;梯形上端距離下端的水平距離為250 mm，生存空間上端與下端的垂直高度為750 mm［9］，如圖1所示.

圖1 乘客生存空間示意圖

2 車體側(cè)翻碰撞仿真分析

2.1 車體有限元模型

該地鐵車Tc車體主要由底架模塊、側(cè)墻模塊、端墻模塊、頂棚模塊以及司機(jī)室模塊組成.車體上的大部分結(jié)構(gòu)為板殼結(jié)構(gòu)，因此在建模時(shí)選擇用殼單元模擬.由于在車輛側(cè)翻碰撞中整個(gè)車體長(zhǎng)度的結(jié)構(gòu)都會(huì)接觸地面，因此對(duì)整車網(wǎng)格統(tǒng)一對(duì)整車劃分20 mm尺寸的網(wǎng)格單元.模型的單元總數(shù)為1 488 153，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為1 580 414;車體有限元模型如圖2所示.

圖2 車體有限元模型

2.2 車體觸地角速度設(shè)定

依據(jù)ECE R66客車側(cè)翻標(biāo)準(zhǔn)，將車體側(cè)翻碰撞場(chǎng)景設(shè)計(jì)為在側(cè)翻平臺(tái)以靜止?fàn)顟B(tài)繞著旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)并撞擊在800 mm高度落差的水平地面上.在臨界側(cè)翻位置即車廂的重心位置達(dá)到最高點(diǎn)時(shí)，車廂旋轉(zhuǎn)角速度不超過(guò)5°/s(轉(zhuǎn)化為弧度0.087 5 rad/s)，此后車體因自身重力而繼續(xù)側(cè)翻.在此過(guò)程中車體重心下降高度ΔH=973 mm.車輛側(cè)翻過(guò)程如圖3所示.由于側(cè)翻碰撞過(guò)程中，列車的動(dòng)能與勢(shì)能總和不變，所以車體在臨界側(cè)翻位置的動(dòng)能與勢(shì)能之和與車體接觸地面時(shí)動(dòng)能與勢(shì)能之和相等:

式中，I為車體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;ΔH為車體從臨界側(cè)翻位置至車體接觸地面時(shí)重心下降高度;M為車體的總質(zhì)量;ω2為車體接觸地面時(shí)的角速度;ω1為車體在臨界側(cè)翻位置時(shí)角速度取值為0.0875rad/s.

在車體側(cè)翻過(guò)程中，任意設(shè)一個(gè)角速度ω2，將有限元模型導(dǎo)入到LS-DYNA中進(jìn)行計(jì)算，得系統(tǒng)初始能量為E，而

因此可得車體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:

聯(lián)立式(1)～(3)得車體觸地角速度為:

圖3 車體側(cè)翻過(guò)程示意圖

2.3 仿真結(jié)果及分析

列車車體在發(fā)生側(cè)翻碰撞時(shí)，由于車體與地面的碰撞而導(dǎo)致車體結(jié)構(gòu)變形吸能，其內(nèi)能不斷升高，動(dòng)能不斷降低.同時(shí)由于車體重心位置不斷下降，重力在此過(guò)程中做正功，使得系統(tǒng)的總能量不斷升高.如圖4所示，在側(cè)翻碰撞過(guò)程中車體共吸收內(nèi)能量0.28 MJ，系統(tǒng)沙漏能最大值為0.011 MJ，沙漏能占內(nèi)能比值最大為3.9%，小于5%，因此判斷仿真結(jié)果是有效可靠的.

圖4 車體側(cè)翻碰撞能量變化曲線

車體在側(cè)翻碰撞過(guò)程中骨架結(jié)構(gòu)是否侵入乘員生存空間是評(píng)價(jià)車體是否符合側(cè)翻安全法規(guī)的重要標(biāo)準(zhǔn).為了能夠準(zhǔn)確表達(dá)出側(cè)墻骨架結(jié)構(gòu)侵入到生存空間的具體量，在生存空間上邊緣和下邊緣、側(cè)墻立柱上選取四個(gè)點(diǎn)作為測(cè)量點(diǎn)，以測(cè)量生存空間與側(cè)墻骨架結(jié)構(gòu)的距離變化，如圖5所示.乘員生存空間與側(cè)墻骨架結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)的距離如圖6所示.當(dāng)側(cè)墻骨架上下測(cè)點(diǎn)與生存空間上下測(cè)點(diǎn)相對(duì)距離小于0時(shí)，說(shuō)明車體結(jié)構(gòu)變形侵入了生存空間.

由圖6可以看到，車體側(cè)墻立柱的上下測(cè)點(diǎn)與生存空間上下測(cè)點(diǎn)的相對(duì)距離總體趨勢(shì)為在第250 ms以前慢慢減小，以后又慢慢增大，說(shuō)明車體在側(cè)翻碰撞過(guò)程中生存空間與車體結(jié)構(gòu)的間距逐漸減小，在車體變形量達(dá)到最大時(shí)，發(fā)生回彈變形，兩者間距又逐漸增大.其中，生存空間的下部與側(cè)墻骨架的最短距離為36 mm，比未碰撞前減小了107 mm;上部與側(cè)墻骨架距離最小值為-66 mm，這說(shuō)明在整個(gè)側(cè)翻碰撞過(guò)程中側(cè)墻骨架侵入了車內(nèi)乘員生存空間，且侵入量為66 mm.因此判定該車車體在側(cè)翻碰撞中不符合安全法規(guī)ECE R66的要求，需要對(duì)此結(jié)構(gòu)加以改進(jìn).

圖5 生存空間測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖6 生存空間與側(cè)墻立柱相對(duì)距離曲線

3 車體結(jié)構(gòu)改進(jìn)及分析

3.1 車體薄弱部位分析

圖7 車體塑性應(yīng)變圖

車體在側(cè)翻碰撞過(guò)程中，二位端端部結(jié)構(gòu)相較于車體中部和司機(jī)室結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變形，因此重點(diǎn)關(guān)注二位端結(jié)構(gòu)變形情況.從圖7中可以看出車體發(fā)生較大塑性變形的區(qū)域主要包括:①車體二位端頂棚彎梁;②端墻防撞柱頂端;③端墻防撞柱根部.該部位在側(cè)翻過(guò)程中受到軸向和法向載荷的作用發(fā)生彎曲變形，為了避免乘員生存空間受到入侵，車體骨架變形應(yīng)盡可能的小，即提高車身骨架的抗變形能力，以使得乘員生存空間不被侵入.

3.2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法

目前主要采用兩種方法提高結(jié)構(gòu)抗彎能力:一是采用彈性模量更高的材料;二是改變部件的截面，增大其抗彎截面模量.結(jié)合實(shí)際情況，由于改變材料的成本更高，所以本次改進(jìn)采用更加經(jīng)濟(jì)的第二種方式.本次改進(jìn)的方法是:

(1)將兩根二位端+頂棚彎梁由1 mm厚乙型梁改為2 mm厚帽型梁;

(2)將端墻防撞柱和端墻門(mén)上橫梁由帽型梁改為同厚度的矩形梁.

3.3 改進(jìn)后結(jié)果分析

以相同的邊界條件對(duì)改進(jìn)結(jié)構(gòu)后的模型進(jìn)行碰撞仿真分析.通過(guò)對(duì)比改進(jìn)前后的車體結(jié)構(gòu)內(nèi)能吸收量，如圖8所示，可以發(fā)現(xiàn):

(1)改進(jìn)后的模型由于剛度更加協(xié)調(diào)，使得碰撞開(kāi)始發(fā)生后，更多的結(jié)構(gòu)參與變形吸能，吸能速率明顯高于優(yōu)化前結(jié)構(gòu);

(2)改進(jìn)后車體結(jié)構(gòu)模型由于剛度得到提高，使得車體在側(cè)翻碰撞中的最大吸能量小于原結(jié)構(gòu).

圖8 結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后車體能量吸收對(duì)比圖

分別測(cè)量生存空間上部和下部與車體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的相對(duì)距離，如圖9所示.可以看到，下部的最短相對(duì)距離為80 mm，比優(yōu)化前的最短距離提升了44 mm;優(yōu)化后上部最短相對(duì)距離為71 mm，沒(méi)有侵入到乘員生存空間，比優(yōu)化前相對(duì)距離提升了137 mm.這表明改進(jìn)后的車體結(jié)構(gòu)在側(cè)翻碰撞中的被動(dòng)安全性得到明顯的提升.

圖9 結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后生存空間距離對(duì)比圖

4 結(jié)論

本文參照ECE R66客車側(cè)翻碰撞標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行側(cè)翻碰撞分析，通過(guò)對(duì)車體結(jié)構(gòu)變形、能量變化以及生存空間侵入量的分析，發(fā)現(xiàn)車體側(cè)墻骨架結(jié)構(gòu)侵入乘員生存空間的侵入量高達(dá)66 mm，未滿足安全標(biāo)準(zhǔn).改進(jìn)發(fā)生較大塑性形變的薄弱結(jié)構(gòu)后，與原結(jié)構(gòu)相比，改進(jìn)結(jié)構(gòu)具有更高的吸能速率，且剛度更高.因此改進(jìn)后結(jié)構(gòu)未侵入乘員生存空間，車體的側(cè)翻被動(dòng)安全性能得到顯著提高.

可以看出地鐵列車側(cè)翻碰撞過(guò)程中主要發(fā)生塑性變形的部位是二位端頂棚彎梁和端墻防撞柱等，且變形是由于在與地面接觸過(guò)程時(shí)受到彎矩影響導(dǎo)致.因此在車體設(shè)計(jì)過(guò)程中，這兩個(gè)部位應(yīng)使用抗彎截面模量較高的結(jié)構(gòu)以提高其抗彎能力以保護(hù)乘員的生命安全.

本文仍有一些問(wèn)題需要完善，比如在側(cè)翻碰撞中沒(méi)有考慮到乘員與車體結(jié)構(gòu)二次碰撞時(shí)乘員的損傷情況，僅僅以車體結(jié)構(gòu)是否侵入乘員生存空間往往不足以保證乘員的安全性［10］.本文的側(cè)翻碰撞分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)對(duì)今后的鐵路車輛設(shè)計(jì)有一定的借鑒意義.