軌道車輛吸能防爬器碰撞仿真試驗對標技術研究

王 暉，李 寧，姜焙晨，田 凱

(中車青島四方機車車輛股份有限公司國家工程技術研究中心，山東 青島266111)

為確保列車碰撞安全性能，在撞擊事故中最大限度保護乘員生命安全。在列車的首尾車司機室端部底架設置防爬裝置、吸能構件和撞擊能量吸收區，以防止兩列車發生沖撞時產生爬疊，可控有序地通過塑性變形吸收大量的碰撞能量，保持救生空間結構完整，是實現車輛被動安全保護技術的一項重要手段[1-2]。目前，許多研究學者采取仿真評估與試驗驗證評估各種吸能結構用于提高車輛的耐撞特性。肖守訥等[2]對用于耐碰撞車體的不同壁厚的圓管吸能元件的吸能特性進行了實驗和數值仿真分析;高廣軍等[3]對圓管、方管、蜂窩及組合形式等6種吸能結構進行了碰撞分析，獲得了其變形模式、撞擊力、吸能量等一系列參數;謝素超等[4-5]對地鐵用鋁合金方管組合的吸能部件分別進行了臺車撞擊試驗和數值仿真計算;劉鳳剛等[6]設計了一種壓潰式吸能結構，并通過試驗和數值計算研究其吸能特性;劉俊[7]設計了泡沫鋁填充的方管和圓管吸能結構，并對其吸能特性進行了數值仿真計算。因為軌道車輛碰撞試驗是典型的破壞性試驗，成本高且整備周期長，而仿真計算是可重復的技術手段，成本低且易于復現，但仿真模擬與實際試驗結果存在差異，因此仿真試驗對標技術是仿真技術研究的重點工作。本文基于軌道車輛防爬器碰撞試驗結果，運用顯示有限元分析軟件Hypermesh/Ls-dyna進行仿真計算，研究其吸能特性。針對材料加工成形過程中的塑性應變強化效應、倒角區域網格畸變、蜂窩鋁材料曲線修正、接觸穿透量調整等關鍵影響因素對仿真模型進行修正，形成4種修正方案。仿真計算結果與試驗結果對標表明，修正模型的仿真計算精度較原模型有所提高，其中采用方案4的改進效果最為明顯，與試驗結果最為接近。

1 防爬器仿真模型建立

1.1 模型網格劃分

基于Hypermesh前處理平臺對防爬器進行網格劃分，殼單元采用16號全積分殼公式，沿厚度方向設置3個積分點。實體單元采用1號減縮積分公式。防爬器模型網格質量檢查結果見表1，有限元模型示于圖1。

圖1 防爬器有限元模型

1.2 碰撞工況的設置

根據甲方提供的試驗資料，碰撞條件設置如下：

(1)防爬器配重5.3噸。

(2)設定防爬器初速度25.9km/h。

(3)在防爬器前端定義剛性墻。

1.3 主要材料參數設置

1.3.1 金屬結構件材料模型

部分含應變率效應的材料甲方提供了MAT15號JOHNSON-COOK模型參數，根據公式(1)將表2中材料的參數賦予設計圖的各有關零部件。圖2是Q310的材料卡片。

圖2 Q310材料卡片

其他零部件如安裝板、筋板采用MAT15_Q355材料，防爬齒采用MAT24_Q310材料，防爬齒安裝板采用MAT24_Q355材料。

1.3.2蜂窩鋁材料模型

蜂窩鋁采用實體單元模擬，材料類型選擇MAT126號蜂窩鋁材料。表3是材料參數，圖3是蜂窩鋁材料卡片，圖4是蜂窩鋁的材料曲線。

圖3 蜂窩鋁材料卡片

圖4 蜂窩鋁材料曲線

表3 蜂窩鋁的材料參數

2 仿真分析結果試驗對標

按碰撞試驗獲得的數據，就防爬器變形狀態、臺車的位移、速度、加速度和剛性墻碰撞力諸項作對比分析。

2.1 防爬器變形量

圖5顯示防爬吸能器在碰撞過程中的變形狀態，試驗和仿真結果的對比。碰撞初期，間隔為100mm的方管逐漸壓潰，仿真分析的變形形態與試驗結果吻合得較好。45ms左右仿真分析的變形形態與試驗結果開始有些差別，在后端產生了變形，仿真結果壓潰略多一些。變形發展到85ms試驗的壓潰順序還是正常的，而仿真的最后一節已經壓潰。85ms-150ms范圍時試驗的變形失去了連續漸進壓潰的特征，變形發展到150ms左右模型開始回彈，此時可以看出試驗的最后一段已完全變形，而仿真的變形保持了連續漸進壓潰的特征，剩余一段一直沒有被壓潰。

圖5 吸能件碰撞變形過程

圖6為防爬器碰撞仿真與試驗對比，可以看出，X向位移曲線在40ms之前吻合較好。在之后的時間兩條曲線逐漸分離，仿真的位移比試驗的大，存在的差異越來越大。最大位移達到572mm，比試驗值527mm偏大8.5%。試驗顯示大約150ms開始回彈，這與高速攝像觀察到的一致。

圖6 臺車位移

2.2 臺車速度

如圖7所示，X向速度曲線在40ms之前有較好的吻合，在之后的時間里曲線存在的差異越來越大。試驗結果顯示在150ms左右速度歸零，即碰撞結束開始回彈，仿真結果顯示速度歸零在略微靠后一點的時間。

圖7 臺車速度

2.3 加速度

圖8顯示的是加速度經60Hz濾波的曲線，試驗結果含有振幅較強的波形，而仿真的結果比較平穩。60ms前兩者波形雖有差別，但是就加速度的平均值而言兩者比較接近。60-80ms仿真值偏低，80-120ms仿真值偏高，直到150ms左右反彈。

2.4 碰撞力

圖9顯示剛性墻碰撞力的對比。40ms前碰撞力的波形相仿，仿真的結果略為弱一些。50-90ms的過程試驗出現了三個波峰，節距65mm的后段被壓潰，仿真值低了很多。100-160ms時間內試驗的碰撞力在一個低水平上趨于平穩，此階段的碰撞力沒有達到前述防爬器被壓潰的值，但是圖5顯示防爬器后段都被壓潰，仿真變形結果的最后幾節沒有再被壓潰，與仿真碰撞力是相應的。

圖9 剛性墻碰撞力

在180ms左右試驗和仿真的碰撞力已歸零，防爬器已回彈脫離剛性墻。

2.5 小結

從防爬器的變形、臺車的位移、速度、加速度和剛性墻碰撞力這五個方面將仿真和試驗數據進行了對比，其結果表明仿真結果和試驗具有相仿的變形規律。但是，在后部的4節矩形管全部產生了變形，且偏離了連續漸進的壓潰規律，而仿真變形最后有兩節沒有被壓潰。

3 仿真模型修正分析

從上面的仿真與試驗結果的比較來看，仿真模型結構偏弱，主要是吸能梁。表4為4種應對方案，以下重點分析碰撞力和變形量的結果。

表4 仿真模型的修正方案

3.1 臺車位移對標

圖10為上述防爬器4個修正方案的臺車位移量與試驗的對比。可以看出，在80ms之前，4種修正方案都幾乎與試驗的曲線重合，在之后的時間里逐漸與試驗曲線產生差異。方案1和方案2的曲線幾乎重合，方案3和方案4的曲線幾乎重合，方案4的曲線與試驗的曲線最接近。表5是幾種修正方案計算的臺車位移量即防爬器碰撞變形量的最大值和試驗結果的比較，修正方案4的偏差最小，達到0.2%。

圖10 臺車位移對比

表5 變形量對比

3.2 剛性墻碰撞力對標

圖11顯示剛性墻碰撞力的比較，在50ms之前，4種修正方案和試驗的趨勢走向是一致的。50-90ms的過程試驗出現了3個波峰，仿真值仍然偏低。100-160ms時間內仿真的碰撞力出現的波形和峰值與前面的保持一致，而試驗值在一個低水平上趨于平穩。

圖11 剛性碰撞力對比

3.3 吸能件碰撞變形對標

圖12顯示仿真和試驗的碰撞變形比較，在85ms之前變形是一致的。140ms時回彈前瞬間，仿真變形與試驗變形是不一致的。

圖12 吸能件碰撞變形對比

4 結論

從防爬器變形狀態、臺車位移、速度、加速度和剛性墻碰撞力這5個方面對仿真分析結果與實際碰撞試驗結果進行對比，發現兩者的前端吸能管變形過程比較接近。后段殼體進入壓潰變形后，兩者存在較大差異，主要是仿真模型顯得比較“軟弱”。因此，提出了仿真模型的4種修正方案，并把這4種修正方案的計算結果與試驗結果作進一步對比。

方案1是對吸能梁部件的倒角進行材料加工強化修正，其仿真結果與試驗結果吻合得較好。方案2是在方案1的基礎上同時采用對倒角區域殼單元的沙漏控制，以提高計算精度，其結果與方案1相近。方案3是在方案2的基礎上更換材料模型，方案4是在方案3的基礎上加強接觸剛度，這兩種方案計算的臺車位移量與方案1、2有一定的差異，與試驗位移曲線吻合的很好。

綜上所述，用16號單元模擬并不損失精度，厚殼單元未必更好。倒角區域加工強化的影響比較強。在下一步的防爬器碰撞仿真分析時可采用修正方案4以提高對標精度。