軌道車輛曲線碰撞研究

黃敬輝

摘 要：隨著軌道交通建設速度不斷加快，各大城市軌道交通線路也越來越多。由于城市土地以及發展規劃的限制，大多軌道交通都是在小半徑曲線上運行，曲線運行里程占比越發突出。而在曲線段中，軌道車輛曲線碰撞是一直是人們關注的重點。基于此，本文首先闡述課題研究背景及意義，并重點從軌道車輛耐碰撞性、軌道車輛曲線段碰撞以及軌道車輛曲線段碰撞響應三方面進行國內外文獻綜述梳理，最后提出了軌道車輛曲線碰撞研究的未來發展趨勢，以期本文研究對相關研究者有所幫助。

關鍵詞：軌道列車;列車曲線碰撞;耐碰撞性

1 研究背景與意義

我國目前擁有世界上規模最大、運行速度最快的鐵路網。然而，隨著鐵路運行密度和速度的不斷提高，列車碰撞事故發生的概率有所增大。自甬溫線列車事故以來，我國各大高校和科研院所相繼開展了針對提高軌道車輛防碰撞安全性方面的相關研究，但在曲線線路上，對列車發生碰撞時動力學性能和耐碰撞性能運用數字仿真試驗進行分析研究很少。

因此，總結梳理軌道車輛曲線段碰撞研究方法和成果，具有重大的現實意義。

2 國內外研究現狀

2.1 軌道車輛耐碰撞性相關研究

在關于軌道車輛耐碰性研究中，國外學者Taguchi M[1]研究了列車碰撞時不同列車的能量分布，每輛車在碰撞時的能量消耗比例是不同的，頭模型車吸收的碰撞能量，遠遠超過其他車輛。

Guan W[2]選擇列車與剛性障礙物碰撞、嚴重碰撞和輕微碰撞作為碰撞設計的事故場景。采用有限元方法對KHST的碰撞安全性進行了評估，并通過實際試驗驗證了數值分析結果的可靠性。韓國成均館大學的金俊和趙勛開發了拓撲優化技術，來設計框架結構，提高了其不同沖擊下的吸能能力，并與現有的框架結構相比具有較好的耐碰撞性。

在國內研究中，陳淑琴[3]以某城市軌道車輛頭車與剛性固壁碰撞為研究對象，利用LS-DYNA對不同參數（材料、截面、截面等）的吸能結構進行分析，研究影響防爬裝置防爬能力的主要因素。

2.2 軌道車輛曲線段碰撞相關研究

在軌道車輛曲線段碰撞研究中，國外主要是通過模型仿真進行試驗分析碰撞的安全性。

Shao G[4]研究表明列車頭部吸收的能量遠大于其他車輛末端吸收的能量，曲線過程列車產生耦合水平旋轉角度，耦合的縱向力在輪軌接觸面上產生橫向力，最終影響車身，顯著降低車輛穩定性。

Bounds S[5]選擇列車在曲線段與剛性障礙物碰撞、嚴重碰撞和輕微碰撞作為碰撞設計場景。采用有限元方法對KHST的碰撞安全性進行了評估，并通過實際試驗驗證了數值分析結果的可靠性。

在國內研究中，現階段國內有關軌道車輛碰撞的研究主要是針對線路上車輛的縱向碰撞響應，包括多級吸能、爬車、減速度、生存空間評估等，對列車曲線碰撞的安全研究涉及較少。

楊皓杰[6]利用LS-DYNA分別模擬了一列動態列車與另一列靜態列車在曲線上的三種碰撞情況，對比列車在曲線上相撞結果與直線相撞結果。分析得出，軌道半徑的減小增大了車輛的加速度。

2.3 軌道車輛曲線段碰撞響應相關研究

Kirkpatrick[7]建立了一列五節編組列車三維碰撞模型，對其在曲線線路中的脫軌行為進行了研究，如圖1所示。研究發現，列車開始時為鋸齒式褶曲行為，然后逐漸轉變為Z形褶曲，這種行為不斷放大，最后表現為大位移橫向褶曲行為。

3 碰撞研究方法

3.1 非線性有限元解法

軌道車輛的碰撞過程涉及復雜的非線性問題，例如幾何非線性，邊界非線性和材料非線性。因此，通過傳統的研究方法較為復雜。非線性有限元分析方法在各種應用中得到了長足的進步。

3.2 碰撞接觸搜尋

選擇合適的接觸類型，預測接觸面積，并考慮到接觸面之間的摩擦行為，可以提高模型分析的準確性。在地鐵碰撞過程的仿真分析中，尋找接觸點是保證分析結果可靠性的關鍵。

4 未來研究趨勢

在關于軌道車輛曲線碰撞研究中，隨著深度學習以及人工智能技術的發展，在軌道車輛曲線段碰撞中通過仿真得到最佳安全結構設計，并運用防撞預警算法對列車碰撞進行提前預警，該系統能夠預測兩車的受損程度，以使得在碰撞不可避免的情況下，幫助駕駛員做出減輕受傷程度的措施。

參考文獻：

[1]Taguchi M，Fujimoto A，Yamada T，et al.Analysis of railway level crossing accident using numerical simulations （Study of crash safety evaluation for railway vehicles）[J].transactions of the japan society of mechanical engineers，2015.

[2]Guan W，Gao G，Yu Y，et al.Crashworthiness analysis and multi-objective optimization of expanding circular tube energy absorbers with cylindrical anti-clamber under eccentric loading for subway vehicles[J].Structural and Multidisciplinary Optimization，2020，61（4）：1711-1729.

[3]陳淑琴.城軌車輛碰撞仿真分析及其耐撞性研究[D]. 蘭州交通大學，2015.

[4]Shao G.Analysis and Prevention Measures for Damaged Shield Segment of Small Radius Curve Section in Soft Soil Layer.2016.

[5]Bounds S.Summary Report on Dynamic Behavior of the Whole Train in Collisions and the Improvement of the Crashworthiness，2017.

[6]楊皓杰，肖守訥，李鐸.地鐵列車曲線碰撞仿真研究[J]. 機械設計與制造，2019，337（3）：8-11.

[7]Kirkpatrick，O，Sills，et al.Estimating the Impacts of Local Policy Innovation： The Synthetic Control Method Applied to Tropical Deforestation.[J].Plos One，2015.