基于第三方認證的地鐵車體仿真計算問題探討

李 麗，鐘 磊，2，王家恒，李 杰，苑 明

(1.中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412000；2.大功率交流傳動電力機車系統集成國家重點實驗室，湖南 株洲 412000)

0 引言

隨著軌道交通譜系的擴展及用戶對全壽命周期內車輛安全性要求的提高，對國內某城市城軌車輛項目引入第三方認證機構，對整車及各部件在設計、生產制造、測試、運行等階段進行全面的獨立安全評估。 車體作為承載車輛安全運行的關鍵部件，其安全性受到了較多關注，引入更專業的第三方評估機構對車體靜強度、疲勞、碰撞等進行全方面的評估，可以提升仿真計算的能力，完善仿真計算中存在的不足。本文在更嚴格的要求下對所設計的車體結構強度和防撞能力進行考察，就認證過程中車體靜強度、疲勞強度及碰撞仿真存在的主要問題進行進一步的仿真和研究，為后續項目仿真提供經驗。

1 靜強度計算問題

1.1 支反力

車體靜強度仿真根據《EN12663-2010+A1-2014》和項目的技術規格書的要求進行相應工況的加載和計算，結果輸出時須考慮各工況支反力情況。從結構力學的角度看，當物體受到外載荷作用時，在約束中產生作用在被約束的物體上的力即為支反力。

外載荷為外界加在計算模型上的作用力，包括體力、面力、集中力3種不同的激勵力。體力Fv主要包括模型自身的重力、運動引起的慣性力等；面力主要指作用在物體表面的力；集中力主要指激勵力作用于計算模型的一個點上的力。在車體靜強度計算時，外載荷僅考慮體力和集中力對計算模型的作用。在仿真計算中，將車體等效為彈性體，彈性體在受外載荷作用時仍處于平衡狀態[1]。根據此原理，可以在各工況計算結果中讀取相應約束點的支反力，用來判斷在工況下，車體是否處于平衡狀態。

1.2 支反力輸出

以AW0整備狀態車體計算工況為例。圖1為該工況下車體各位置約束情況。

圖1 AW0工況下車體約束示意圖

在靜強度計算完成后，在ANSYS中輸入：Main Menu>>General Postprocessor>>List Results>>Reaction Solution ，即可根據約束情況輸出各約束位置各方向的支反力。表1為AW0工況下各約束位置支反力。

表1 AW0工況下各約束位置支反力 單位：N

2 疲勞強度計算問題

根據《EN 12663-1-2010+A1 2014》標準規定，疲勞評估方法有耐久極限法和累積損傷法[2]。累積損傷法需要依賴載荷譜，由于具體項目中較難獲取準確的載荷譜，因此，目前疲勞強度評估時耐久極限法被廣泛應用。在仿真計算輸入時，外部載荷的輸入主要為運行狀態下列車垂向、橫向及縱向載荷，與之對應的轉向架質量與正常有效運行載荷對疲勞計算存在一定的影響。

2.1 正常有效載荷的定義

對正常有效載荷的使用應根據實際車輛的運行環境進行合理選擇。依據《EN 12663-1-2010+A1 2014》中“設計質量”定義指向為《EN 15663-2009》標準的規定：對于PⅡ-PⅢ類車輛，在整個運行壽命周期內可以使用正常設計有效載荷。《EN15663-2009》[3]標準中對正常有效載荷進行了具體要求。以上2個標準規定見表2。基于以上要求，在客流量較大的城市，車體疲勞計算正常設計載荷可以按照AW3載客量進行校核。

表2 正常有效載荷標準要求

2.2 有效載荷對疲勞的影響

疲勞仿真時，求得模型每個節點的最大等效主應力(σmax和最小等效主應力(σmin，再求出應力比R，然后按照《DVS 1608-2011》[4]標準對應的焊縫及母材的MKJ圖中查出相應的許用應力值[σ]。該節點絕對值(σmax最大應力值與許用應力值相除，即為材料利用度D。若D小于0，則該節點的疲勞強度滿足設計要求；否則，須改進該處的結構設計。

本項目中，Tc車AW3與AW2有效載荷輸入見表3。下面就兩種有效載荷作用下，選取典型的焊縫和母材上疲勞利用度較大點的疲勞計算結果進行對比[5]。

從表3中所列數據可以看出：有效載荷從AW2增加到AW3，總重量增加了68 670 N，但通過疲勞計算獲得的結果中母材和焊縫處材料利用度變化不大，對于中間車的疲勞分析也存在相同的結論。分析認為，雖然有效載荷增加了，但增加的載荷對疲勞計算的影響體現在縱向載荷的稍微增加，對疲勞計算不會有較明顯的影響。

表3 兩種載荷輸入對疲勞計算結果的影響

3 列車碰撞仿真問題

列車碰撞仿真主要依據《EN 15227:2008》 標準[6]。對于車體而言，提高碰撞仿真的準確性尤為重要。碰撞時，軌道列車的被動安全吸能過程為鉤緩系統吸能—防爬器吸能—車體可變形區吸能進行順序吸能。鉤緩系統的載荷-行程曲線由供應商提供，而車體材料動態特性和防爬器等效建模的準確性對碰撞仿真極為重要。

3.1 碰撞材料特性

碰撞分析涉及幾何非線性和材料非線性。碰撞發生時，由于破壞、失效、斷裂等情況存在，勢必會使得一些單元失效。僅考慮材料的線性問題不滿足碰撞實際情況，而是要考慮材料的非線性。車體主結構材料6005A和6082在高速拉伸應變率分別為0.02/s、1/s、400/s、800/s，進行試驗獲得的真實應力-真實應變曲線如圖2所示[7]。在Ls-Dyna中采用98號單元類型定義材料參數。由于碰撞時材料與輕微的應變率相關，采用Johnson-Cook本構關系計算得出的曲線與上述試驗曲線吻合性較好。6005A材料在軟件中的設置如圖3所示。

圖2 EN AW-6005A/EN AW-6082材料高速拉伸材料性能曲線

圖3 EN AW-6005A材料參數設置

3.2 防爬器等效模擬

防爬器建模時，通常要建立防爬部、導向部、固定部。不同類型防爬器的材料性能和失效模式均有所不同，對于切削式防爬器的實體建模更為復雜。為提高建模效率，采用了非線性彈簧單元Beam_119模擬，在彈簧材料中加入防爬器的力-行程曲線來表征動態沖擊過程中的響應特征。Beam_119可以實現離散梁單元3個自由度方向上力與位移吸能特性模擬，并且能夠根據吸能部件的實際吸能特性設定加載與卸載曲線。碰撞過程中，防爬器須承受較大的縱向載荷，因此在仿真建模中僅激活Beam_119單元在列車縱向的自由度[8]。

通過以上材料參數的完善和防爬器建模的合理設置，碰撞計算結果滿足《EN 15227:2008》 標準的要求。

4 結論

通過對第三方機構所提典型問題：靜強度仿真工況支反力輸出、載客量為AW3時對車體疲勞仿真的影響、考慮了車體材料的非線性特性的列車碰撞及車端防爬器等效建模的研究，充分說明以下幾點。

1)所建立的車體有限元模型是準確的，各工況下車體受力處于平衡狀態。

2)驗證了車體在更為嚴苛的載客量輸入前提下，仍滿足疲勞評估的要求，且AW3載客量對車體的疲勞計算結果并未產生明顯的影響。

3)考慮了車體材料非線性特性計算的列車碰撞更接近實際，同時采用防爬器等效建模的方式，在考慮了防爬器動態特性曲線前提下，提高了建模和仿真的效率，結果仍然滿足相應的碰撞標準要求。