地鐵車輛端部吸能裝置碰撞仿真分析

姜焙晨 劉志祥 孟錳

摘?要：使用Hyperworks、Ls-Dyna軟件對地鐵車輛端部吸能裝置組合進行時速25km撞擊剛性墻仿真分析。其中，吸能裝置組合主要有車鉤緩沖裝置、防爬吸能裝置和端部吸能地板，該碰撞仿真參考標準EN?15227：2020《鐵路應用-軌道車輛耐撞性要求》進行建模和評估。通過仿真計算得出碰撞過程中的能量變化，變形情況、吸能量以及碰撞力等指標，校核各吸能裝置的耐撞性能是否符合設計要求。

關鍵詞：地鐵車輛；吸能裝置；碰撞仿真；吸能量；碰撞力

中圖分類號：TB?????文獻標識碼：A??????doi：10.19311/j.cnki.16723198.2023.04.101

0?引言

研究發(fā)現(xiàn)地鐵車輛碰撞過程中初始動能主要被頭車端部的吸能裝置所吸收，因此端部吸能裝置的吸能量直接影響地鐵車輛的耐撞性能。端部吸能裝置主要包括車鉤緩沖裝置、防爬吸能裝置和端部吸能地板等。吸能裝置碰撞試驗成本高、周期長，難以滿足車輛設計要求，依托Hyperworks、Ls-Dyna有限元仿真分析平臺，搭建碰撞動力學模型，采用顯示沖擊動力學數(shù)值計算方法，進行耐撞性仿真分析可有效解決上述問題。

1?有限元模型

本文碰撞有限元模型涉及大變形和非線性等特點，因此前端大變形區(qū)域單元尺寸為10mm，后端臺車等區(qū)域單元尺寸20mm。整個模型包括698350個單元和728131個節(jié)點。該有限元模型包括車鉤緩沖裝置、防爬吸能裝置、吸能地板、臺車、軌道和剛性墻。該模型中車鉤緩沖裝置的材料主要是Q355GNHD，防爬吸能裝置的材料主要有Q355GNHD和焊接蜂窩鋁等，吸能地板的材料主要有6A02和鋁蜂窩，臺車的主要材料是Q345。

1.1?車鉤緩沖裝置

在有限元模型中，車鉤緩沖裝置使用六自由度離散梁單元、球鉸和圓柱鉸來模擬車鉤的點頭、搖頭和轉動以及相應自由度的限位，通過119號材料（MAT_GENERAL_NONLINEAR_6DOF_DISCRETE_BEAM）分別輸入壓潰管和緩沖器的設計加載卸載曲線模擬車鉤緩沖裝置的吸能過程，車鉤緩沖裝置有限元模型如圖1所示。

1.2?防爬吸能裝置

在有限元模型中，防爬吸能裝置使用實體單元（六面體）模擬焊接鋁蜂窩結構，材料采用*MAT_26號材料，單個防爬吸能裝置的設計變形穩(wěn)態(tài)力約為350kN，防爬吸能裝置有限元模型如圖2所示。

1.3?吸能地板

吸能地板是鋁蜂窩夾層結構，兩端為3mm厚的6A02鋁板，中間是19mm厚的鋁蜂窩，該吸能地板厚度方向的強度是7MPa，車輛運行方向的強度是1.5?MPa，吸能地板有限元模型如圖3所示。

1.4?材料參數(shù)

吸能裝置的鋁合金和鋼材采用LS-DYNA中的24號材料（雙線性彈塑性材料）進行模擬，需要定義材料的密度、彈性模量、泊松比、屈服強度等參數(shù)，該有限元模型的具體材料參數(shù)如表2所示。

1.5?接觸定義

該碰撞有限元模型主要定義了如下兩種接觸方式：第一類接觸：面面接觸（車鉤緩沖裝置、防爬器吸能裝置以及吸能地板與剛性墻之間，輪對與軌道之間）；第二類接觸：單面接觸（主要為防爬吸能裝置和吸能地板部分）。

2?計算工況

本文碰撞仿真的計算工況為安裝有軌道車輛端部吸能裝置組合的臺車在平直軌道上以25km/h的初始速度正面撞擊剛性墻，碰撞質量合計24.965t，如圖4所示。

3?計算結果

3.1?吸能裝置變形

該碰撞工況初始速度25km/h，碰撞仿真時間為0.3s，碰撞過程中，車鉤緩沖裝置首先與剛性墻接觸壓縮吸能，當車鉤壓縮完全部行程并失效后，防爬吸能裝置緊接著開始壓縮變形吸能，0.01s后吸能地板也開始變形吸能，具體變形如圖5-7所示。

3.2?碰撞速度變化

地鐵車輛端部吸能部件組合碰撞過程中，由于初始動能逐漸轉化為吸能裝置的內能，其速度由初始的25km/h逐漸降低，最終在0.144s左右時降低為0，后續(xù)反向加速到1.5km/h時保持穩(wěn)定，具體曲線如圖8所示。

3.3?碰撞力

該碰撞過程中碰撞力主要由3部分組成即車鉤緩沖裝置、防爬吸能裝置和吸能地板的碰撞接觸力，具體的碰撞力-時間曲線如圖9所示。

3.4?能量變化

該碰撞仿真過程中能量隨時間的變化曲線如附圖10所示。由圖可知，初始動能為618?kJ，碰撞過程中共吸收能量588?kJ，主要由車鉤緩沖裝置、防爬吸能裝置和吸能地板所吸收。具體的能量轉化情況如表3所示。各吸能裝置吸能量曲線如圖11所示。

4?結論

通過對地鐵車輛端部吸能裝置組合碰撞仿真分析，得出如下結論：

（1）碰撞過程中，端部吸能裝置組合都發(fā)生了顯著地壓縮變形吸能；

（2）碰撞過程中，初始動能逐漸轉化為內能，導致初速度由25km/h逐漸降為0，后續(xù)反向加速到1.5km/h左右保持穩(wěn)定；

（3）碰撞過程中，各吸能部件的碰撞接觸力基本符合部件耐撞性設計要求；

（4）碰撞過程中，能量變化符合碰撞工況實際情況，且初始動能主要被端部吸能裝置吸收，滿足地鐵車輛端部吸能需求。

綜上所述，地鐵車輛端部吸能裝置組合滿足地鐵車輛耐撞性能要求。

參考文獻

[1]許平，王軍.高速列車結構安全防護理論與技術[M].北京：中國鐵道出版社有限公司，2021.

[2]王鈺棟.HyperMesh&?HyperView應用技巧與高級實例[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012：79103.

[3]傘軍民.列車吸能結構碰撞仿真與分析[D].大連：大連交通大學，2009.

[4]呂慶艷.鋁型材地鐵車車體耐撞性分析及吸能結構最優(yōu)設計[D].?大連：大連交通大學，2007.

[5]侯淑娟，龍述堯，李光耀，等.材料參數(shù)對車身吸能元件抗撞性影響的數(shù)值分析[J].汽車工程，2008，30（5）：416419.