基于EN 15227標(biāo)準(zhǔn)的市域車排障器性能分析

摘" 要：EN 15227標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了能減少碰撞事故的被動(dòng)性安全要求，為測(cè)定鐵路車輛的車體所能承受的碰撞條件提供了框架。新標(biāo)準(zhǔn)EN 15227—2020較其舊版標(biāo)準(zhǔn)新增了排障器的吸能要求，滿足新標(biāo)準(zhǔn)的載客列車能更好地保障乘員的安全。該文基于一款200 km/h速度等級(jí)的市域車排障器進(jìn)行有限元分析，以確定該排障器滿足標(biāo)準(zhǔn)EN 15227—2020對(duì)排障器的靜載荷、過載吸能性能的要求。

關(guān)鍵詞：市域車；排障器；EN 15227—2020；FKM指南；吸能

中圖分類號(hào)：U260" " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）31-0102-04

Abstract： The EN 15227 standard specifies passive safety requirements to reduce collisions and provides a framework for determining the collision conditions that a railway vehicle body can with stand. The new standard EN 15227-2020 has added the energy absorption requirement of the exhaust device compared with the old standard， and the passenger trains that meet the new standard can better protect the safety of the passengers. This paper conducts finite element analysis based on a 200 km speed class commuter vehicle cowcatcher to determine that the cowcatcher meets the requirements of standard EN 15227-2020 for static load and overload energy absorption performance of the cowcatcher.

Keywords： commuter vehicle; cowcatcher; EN 15227-2020; FKM Guide; energy absorption

軌道車輛排障器作為列車車體前端的被動(dòng)安全部件，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于路權(quán)模式為開放系統(tǒng)或部分封閉系統(tǒng)的城市軌道交通車輛上。國(guó)內(nèi)載客運(yùn)行的列車主要依照歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 15227—2008相關(guān)要求設(shè)計(jì)排障器[1]。

近年來隨著障礙物侵入鐵軌造成傷亡事故的不斷增加，以及社會(huì)各界對(duì)載客列車被動(dòng)安全防護(hù)問題重視程度的提高，EN 15227—2020（以下簡(jiǎn)稱EN 15227）首次規(guī)定了不同速度等級(jí)列車上的排障器通過中心負(fù)載的吸能量。本文基于一款200 km/h速度等級(jí)的市域車排障器，通過有限元分析手段驗(yàn)證其前端排障器的性能滿足EN 15227中Table 6要求的靜態(tài)負(fù)載與過載相關(guān)性能規(guī)定，為該款排障器的裝車應(yīng)用提供依據(jù)[2]。

1" 靜強(qiáng)度分析

靜強(qiáng)度分析以包含排障器在內(nèi)的市域車頭車單元為有限元建模主體。由于EN 15227中并未要求對(duì)排障器疲勞強(qiáng)度評(píng)估，所以本文僅對(duì)排障器母材和焊縫的靜強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估，疲勞強(qiáng)度在整車上進(jìn)行。

1.1" 分析程序

在靜強(qiáng)度分析程序中，預(yù)處理階段依靠頭車車體結(jié)構(gòu)建立有限元模型，采用HyperMesh作為預(yù)處理工具，根據(jù)實(shí)際工況對(duì)車體結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行約束，針對(duì)EN 15227中規(guī)定的靜態(tài)負(fù)載加載區(qū)域與負(fù)載進(jìn)行加載。后處理階段使用OptiStruct求解器進(jìn)行載荷工況的有限元計(jì)算求解，并進(jìn)行基于FKM指南的分析和評(píng)估。

1.2" 有限元預(yù)處理

取頭車單元進(jìn)行分析，采用板殼單元（SHELL181）和六面體單元（SOLID185）離散，整個(gè)頭車共離散為1 857 465個(gè)單元。材料參數(shù)的參數(shù)賦予見表1。

排障器與車體結(jié)構(gòu)采用beam梁?jiǎn)卧M螺栓連接。梁?jiǎn)卧ㄟ^剛性RBE2單元連接到排障器和車體結(jié)構(gòu)。在夾緊的板之間，螺栓使用RBE2單元?jiǎng)傂赃B接以最小預(yù)緊力對(duì)梁元件進(jìn)行預(yù)拉伸。

圖1描述了頭車完整的有限元模型，在頭車司機(jī)室骨架下端的排障器上依照EN 15227中Figure 4規(guī)定區(qū)域和EN 15227中Table 6規(guī)定的中心區(qū)域負(fù)載300 kN、兩側(cè)區(qū)域負(fù)載250 kN進(jìn)行加載[2]。為了防止剛體運(yùn)動(dòng)，根據(jù)市域鋁合金車體骨架與轉(zhuǎn)向架、車鉤的作用關(guān)系，設(shè)置了以下約束：在空氣彈簧安裝面上約束垂向；在二位端車鉤安裝面上約束橫向和縱向；在中心銷接觸面約束橫向和垂向。

1.3" 評(píng)價(jià)方法

該款排障器所使用的材料牌號(hào)為S355，使用材料參數(shù)見表1。其母材與焊縫的強(qiáng)度采用FKM指南提供的評(píng)價(jià)方法評(píng)估：若實(shí)際利率小于等于1，則認(rèn)定構(gòu)件安全[3]。根據(jù)本排障器使用的材料和發(fā)生作用時(shí)的場(chǎng)景，母材強(qiáng)度評(píng)估中使用的母材利用率DoUB如式（1）所示

式中：npl為截面系數(shù)，采用局部應(yīng)力法，對(duì)于S355材料取截面系數(shù)npl=1.0[3]；RP為矯正屈服強(qiáng)度，由標(biāo)準(zhǔn)試樣屈服強(qiáng)度Rp，N和實(shí)際屈服強(qiáng)度因子Kd，p的乘積計(jì)算得出，見式（2）

RP=Kd，p·Rp，N。（2）

在靜強(qiáng)度評(píng)估中，Kd，p取決于部件的有效厚度deff、材料的屈服強(qiáng)度參數(shù)ad，p和試樣直徑deff，N，p，相關(guān)參數(shù)以及與Kd，p的計(jì)算式可在FKM指南中查得。

荷載安全因子js和材料安全因子jf的乘積組成了式（1）中的總安全因子。根據(jù)排障器母材S355為各項(xiàng)同性材料和排障器作用工況，不考慮由于各向異性和溫度作用影響，所以jf取值根據(jù)式（3）

式中：jp，jm為材料基本安全因子，對(duì)于式（3）中的因子和修正系數(shù)，在FKM指南中提供了可查閱的參考值或簡(jiǎn)化計(jì)算方法。

根據(jù)FKM指南，焊縫的靜強(qiáng)度評(píng)估利用法向應(yīng)力σ⊥（垂直于焊縫方向）和σ||（沿焊縫方向），以及剪切應(yīng)力τ計(jì)算焊縫利用率DoUW，如式（4）所示[3]

式中：σadm為最大許用應(yīng)力。根據(jù)建議，取總安全系數(shù)為1.1[4]，因此排障器焊縫的最大需用應(yīng)力如式（5）所示

1.4" 分析結(jié)果

根據(jù)EN 15227標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，圖2和圖3概述了母材與焊縫的靜強(qiáng)度基于EN 15227標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的計(jì)算結(jié)果。在圖2和圖3中顯示了根據(jù)3種載荷情況得出的最大應(yīng)力，顯示了利用程度。利用強(qiáng)度評(píng)估程序計(jì)算利用率DoU。

根據(jù)圖2、圖3云圖結(jié)果可知：

1）大部分的母材與焊縫的利用率小于等于1，保持在允許范圍內(nèi)。

2）在位于中心加載位置內(nèi)且呈對(duì)稱分布的小范圍母材與焊縫的利用率等于1，該位置上可能發(fā)生非常小的塑性變形，但由利用率等于1的區(qū)域較小且位于中心加載位置內(nèi)，且周圍結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大，具有承載額外荷載的能力，因此這些位置上的塑性變形不會(huì)影響軌道清潔器的功能，認(rèn)為該區(qū)域具有足夠的強(qiáng)度。

3）排障器模型的殼體棱角處的個(gè)別奇點(diǎn)利用率大于1，在靜強(qiáng)度評(píng)估中，可以忽略此類不影響安全的拐角奇點(diǎn)超利用率的情況。

綜上，排障器的母材與焊縫在EN 15227標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的靜態(tài)負(fù)載要求下不會(huì)失效，排障器的功能不受影響。

2" 過載分析

針對(duì)EN 15227—2020標(biāo)準(zhǔn)在基于舊版標(biāo)準(zhǔn)對(duì)列車不同運(yùn)行速度等級(jí)的排障器具備相應(yīng)靜態(tài)負(fù)載性能的基礎(chǔ)上，對(duì)排障器的過載工況也新增了最小能量吸收值的要求，并不得成為新的危險(xiǎn)。

由于市域車頭車前端結(jié)構(gòu)縱向?qū)ΨQ，為降低計(jì)算難度和時(shí)長(zhǎng)，以車體前端二分之一模型進(jìn)行有限元建模分析，使用HyperMesh和HyperView進(jìn)行預(yù)處理和后處理，采用Radioss求解器對(duì)該排障器進(jìn)行了基于Johnson-Cook本構(gòu)模型的過載吸能能力分析。

2.1" 有限元建模

在車體前端模型進(jìn)行分析，沿列車縱向中心面（X-Z平面）截取前端二分之一模型，并采用板殼單元（SHELL181）和六面體單元（SOLID185）對(duì)前端二分之一模型進(jìn)行離散，每個(gè)二分之一模型由177 550個(gè)單元組成，有限元離散模型如圖4所示。

載荷施加位置與EN 15227標(biāo)準(zhǔn)要求一致，沿負(fù)X方向集中施加在排障器上。初始作用在單位載荷Fu為1 000 N。式（6）為作用于二分之一模型上的載荷Fh與單位載荷的關(guān)系。

Fh=K·Fu，（6）

式中：K為比例因子，K值在計(jì)算總時(shí)長(zhǎng)27 s內(nèi)隨時(shí)間線性變化如圖5所示。整個(gè)加載過程直到全模型中排障器和周邊結(jié)構(gòu)吸收超過EN 15227中規(guī)定的36 kJ（二分之一模型為18 kJ）的能量后停止。

在列車前端模型與列車車體連接處約束約束縱向和垂向，在前端模型縱向剖面約束橫向，約束縱向和約束垂向轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，如圖6所示。

過載分析中，對(duì)金屬材料采用彈塑性本構(gòu)模型以估算此過程中的吸能量。根據(jù)排障器母材和實(shí)際作用工況不考慮應(yīng)變率和溫度影響的情況，簡(jiǎn)化后的Johnson-Cook 本構(gòu)模型如式（7）所示[5]

σ=（A+Bpn），（7）

式中：A為材料屈服強(qiáng)度，B為應(yīng)變硬化系數(shù)，n為應(yīng)變硬化指數(shù)，參數(shù)A、B、n通過于Radioss中輸入屈服強(qiáng)度σy、極限拉應(yīng)力σUTS和極限拉應(yīng)變UTS得出。

該款排障器及周邊結(jié)構(gòu)材料選用及參數(shù)見表1，其中包括楊氏模量E、泊松比υ、失效塑性應(yīng)力σmax。

圖7給出了表1中的不同材料在市域車司機(jī)室區(qū)域的應(yīng)用位置。

2.2" 結(jié)果分析

隨著時(shí)間的推移，生成作用在排障器位移方向上的分力和排障器上吸收量的變化過程，如圖8所示。

通過能量變化曲線可知，約26.6 s時(shí)，在二分之一模型中的18 kJ（全模型中的36 kJ）的能量被吸收，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)EN 15227中規(guī)定的能量吸收量的要求。對(duì)應(yīng)圖5中作用在二分之一模型上的載荷Fh為532 kN（對(duì)應(yīng)作用在全模型上的載荷為1 064 kN）。

第27 s時(shí)的能量吸收量以及施加在排障器上的載荷均大于26.6 s，由于施加在二分之一模型中的載荷Fh線性增加，所以取第27 s生成應(yīng)力的云圖來評(píng)估排障器結(jié)構(gòu)的可靠性，如圖9所示。

根據(jù)圖8所示曲線，在第27 s時(shí)，二分之一模型的排障器以及其通過螺栓連接的周圍車體結(jié)構(gòu)通過應(yīng)變共吸收了超過18 kJ的能量（對(duì)應(yīng)全模型超過36 kJ）。

圖9中最大應(yīng)力為470 MPa，位于排障器結(jié)構(gòu)上，未超過材料S355J2C的失效塑性應(yīng)力σmax，排障器整體未發(fā)生破壞失效，不會(huì)造成重大損壞如剝落致自身成為危險(xiǎn)的情況發(fā)生。再根據(jù)基于Johnson-Cook本構(gòu)模型進(jìn)行有限元彈塑性模型仿真，證明該款排障器滿足EN 15227標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)應(yīng)過載工況下的吸能要求。且圖9中周圍車體結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力均未超過對(duì)應(yīng)材料的屈服強(qiáng)度σy，不會(huì)損壞車體結(jié)構(gòu)。

3" 結(jié)束語

本文通過基于FKM指南評(píng)估的有限元排障器母材與焊縫靜強(qiáng)度分析和基于Johnson-Cook模型的有限元過載吸能分析，設(shè)置工況并驗(yàn)證了該款排障器能滿足EN 15227標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于大于等于160 km/h速度等級(jí)列車排障器規(guī)定的靜強(qiáng)度、過載吸能性能要求。得出該款排障器具有足夠的強(qiáng)度來承受靜態(tài)負(fù)載而不會(huì)失效，還具備通過應(yīng)變吸收36 kJ能量而不會(huì)造成重大損壞或自身成為危險(xiǎn)，確定該款排障器滿足市域車的裝車條件。

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