緩沖裝置對有軌電車碰撞行為研究

張佳慧,許鵬飛,張竹林,蔡 華,吳 兵,唐 強

（1. 蘇州高新有軌電車集團有限公司,江蘇 蘇州 215000; 2. 蘇州大學軌道交通學院,江蘇 蘇州 215131）

0 序言

有軌電車在城市中運行時，時常遇到因為各種意外情況進入軌道限界的物體，從而發生交通事故導致車輛損壞，嚴重時甚至司機和乘客的人身安全得不到保障[1-3]。而緩沖裝置是有軌電車的重要組成部分，用來連接有軌電車的各車輛，傳遞和緩沖軌道縱向沖擊力，因此研究緩沖裝置在有軌電車運行過程中發生碰撞行為時的作用，對有軌電車緩沖器的吸能參數選擇是否安全，具有重要現實意義[4-5]。該文采用有限元仿真分析方法，研究緩沖器不同剛度和阻尼對有軌電車與一般轎車發生碰撞的影響。

1 有軌電車與乘用汽車碰撞模型

圖1顯示的是采用ANSYS/LS-dyna建立的有軌電車與小汽車碰撞有限元模型，模擬不同速度的小汽車與有軌電車的碰撞情況。在該有限元模型中，小汽車沿X方向或與X方向成一定夾角去撞擊有軌電車，有軌電車運行方向始終與Z軸平行，車頭朝著正方，Y軸與地面垂直。

圖1 小汽車與有軌電車的碰撞有限元模型

由于主要是分析小汽車與有軌電車整體碰撞情況，因此在建模過程中忽略掉小汽車與有軌電車內部設置，分別整體賦予小汽車和有軌電車材料為鋼材和鋁合金。小汽車和有軌電車均采用8節點六面體單元來模擬，最大單元尺寸3 cm。有軌電車網格如圖2所示，最大單元尺寸為4 cm。整個有限元模型共有節點數544 862和單元數544 605。

圖2 有軌電車局部網格劃分展示

小汽車與機車車輛的碰撞采用顯式有限元仿真算法，即采用中心差分法。在已知的邊界條件下，位移已知，順序地運算應變-位移方程、本構方程和節點方程，可以確定節點力。依此類推，可以達到整個碰撞過程整個時間域的位移，從而得到應變。

2 碰撞工況

根據調查，有軌電車與小汽車發生碰撞一般發生在軌道和馬路的交叉路口，發生原因一般是小汽車未按交規行駛搶先進入道路。在此路段碰撞速度一般不會太高，有軌電車速度采用40 km/h、70 km/h、100 km/h，小汽車靜置在道路上，仿真模擬了不同速度下的碰撞結果。此外，為研究不同緩沖器剛度和阻尼對碰撞的影響效果，這里分別采用6種不同的阻尼和彈簧剛度進行仿真，緩沖器彈簧剛度選擇1 kN/m、5 kN/m、10 kN/m、30 kN/m、50 kN/m、70 kN/m，緩沖器阻尼設置選擇0.3 kN/(m/s)、1.5 kN/(m/s)、3 kN/(m/s)、7 kN/(m/s)、11 kN/(m/s)、15 kN/(m/s)，碰撞工況如表1所示。

表1 有軌電車與小汽車碰撞工況

3 有軌電車碰撞仿真結果

有軌電車在和小汽車發生碰撞時，由于電車質量遠大于小汽車，所以小汽車受到的損傷常常更加嚴重。對于不同緩沖器的作用效果，就有限元仿真模型而言，可以查看車頭碰撞位置處的應力大小，同時可以通過小汽車被撞擊時的加速度大小來評判撞擊的嚴重程度。

圖3~4分別顯示了不同速度下的有軌電車發生碰撞時的縱向沖擊力和加速度，結果顯示速度越高，對小汽車的沖擊力越大。

圖3 不同速度下的Z向沖擊力

圖4 不同速度下小車參考點的Z向加速度

圖5分別顯示了不同彈簧剛度和阻尼不同時刻的碰撞結果車頭表面的應力大小結果，結果顯示車頭緩沖器的彈簧剛度和阻尼對車頭撞擊后的表面應力大小基本沒有影響。

圖5 不同彈簧剛度和阻尼車身應力大小

圖6分別顯示了不同彈簧剛度和阻尼對發生碰撞后小汽車加速度大小的影響。結果顯示車頭緩沖器的彈簧剛度和阻尼對撞擊后小汽車的加速度基本沒有影響。

圖6 不同彈簧剛度和阻尼對小汽車加速度的影響

4 結論

該文以有軌電車—小汽車碰撞為研究對象，采用顯式有限元仿真算法，即采用中心差分法模擬預測了有軌電車碰撞小汽車的場景，通過仿真不同速度以及不同車頭彈簧剛度和阻尼的有軌電車碰撞小汽車，探究緩沖裝置對有軌電車的碰撞影響。得出以下結論：

（1）不同速度下的有軌電車對小汽車的碰撞損傷程度不同，速度越快，撞擊的沖擊力越大，速度提高30 km/h，沖擊力峰值大小提高7e10。

（2）車頭緩沖器不同彈簧剛度和阻尼對碰撞結果的影響相差不大，但仍舊可以考慮其對有軌電車碰撞的影響。

（3）有軌電車經過車輛道口時，應該減小速度行駛，最高速度不超過40 km/h。