□ 吕元颖

上海轨道交通设备发展有限公司 上海 200245

1 研究背景

随着我国经济的快速发展,轨道交通在许多城市从无到有,从有到多,不断发展,我国的轨道交通运营总里程不断增加,轨道交通车辆运营安全问题也随之增多。轨道交通车辆碰撞事故发生概率虽然远小于汽车碰撞事故,但是由于轨道交通运行密度大,载客量大,一旦出现碰撞事故,将会带来严重的人员伤害和经济损失。因此,对轨道交通车辆碰撞吸能安全性进行研究具有重要意义[1]。

美国Volpe研究中心将试验与有限元仿真相结合,开展轨道交通车辆耐撞性、乘员损伤与内饰的关系研究。欧洲标准委员会(CEN)于2007年审核通过标准EN 15227《铁路应用 铁路车辆车体的防撞性要求》,在标准EN 12663《铁路应用 铁路车辆车体的结构要求》规定的基本强度要求基础上增加了结构的被动安全性要求。

我国在轨道交通车辆被动安全方面的研究虽然起步较晚,但是也取得了一些成果。王文斌、赵洪伦等[3]运用多体动力学技术进行两列轨道交通车辆的碰撞动力学仿真,实现了对新设计轨道交通车辆碰撞被动安全系统的总体性能评估。丁晨、赵洪伦[4]使用吸能模块与不同吸能材料,研究轨道交通车辆的清障器,显示新的清障器能够实现良好的收集能量与缓冲碰撞功能。

笔者应用LS-DYNA软件对轨道交通车辆碰撞工况进行安全分析,根据EN 15227标准模拟不同速度下的轨道交通车辆对撞工况,确保轨道交通车辆主体结构不受损伤。笔者同时研究分析了不同速度下轨道交通车辆的吸能特性,并对轨道交通车辆的安全性能进行初步评估[5-6]。

2 碰撞非线性理论

在描述轨道交通车辆碰撞非线性大变形时,通常使用拉格朗日描述,即使用运动中的质点描述物体的运动和变形。选取物质坐标和时间构建独立坐标系,运动方程表征的是物体的单值连续映射,由原始构型V0变化为现有构型V[7]。

除运动方程外,质量守恒定律、能量守恒定律和动量守恒定律也是轨道交通车辆发生碰撞时必须遵守的三大定律[8]。

质量守恒定律为:

ρ=Jρ0

(1)

式中:ρ为现时物体的密度;ρ0为开始时物体的密度;J为碰撞发生时的变化密度因数。

(2)

式中:∂x/∂X为变形梯度。

当原始构型中的微六面体dV0发生改变时,有:

(3)

如果介质不能变化,那么J为1[9]。

能量守恒定律为:

(4)

动量守恒定律为:

(5)

3 基本参数

上海轨道交通8号线四期增购车辆为七节编组车型,编组形式为-Tc*Mp*M1*M2*M1*Mp*Tc-,Tc为带司机室的拖车,Mp为带受电弓的动车,M1和M2为普通动车,-为带气液缓冲的全自动车钩,*为带气液缓冲和压溃管的半永久车钩。轨道交通车辆编组形式如图1所示,车钩与防爬器配置见表1。轨道交通车辆碰撞示意图如图2所示。左侧车辆为静止车辆,右侧车辆为运动车辆。断面七为头车碰撞接触面,为一对气液缓冲器车钩。断面一、断面六、断面八、断面十三的压溃管变形力为1 100 kN,断面二、断面三、断面四、断面五、断面九、断面十、断面十一、断面十二的压溃管变形力为1 000 kN。所有压溃管和气液缓冲器的剪断力均为1 250 kN。Tc车设两个前端防爬器,单个前端防爬器触发力为525 kN,每节车端部安装防爬装置。建立轨道交通车辆转向架简化模型,钢轨使用平面替代,考虑车轮与钢轨之间的接触问题。车体的主要材料是铝合金和合金钢。

图2 轨道交通车辆碰撞示意图

表1 车钩与防爬器配置

图1 轨道交通车辆编组形式

根据用户及环境需求,轨道交通车辆车体结构材料一般采用钢、不锈钢、铝合金[10]。上海轨道交通8号线车辆车体采用钢铝混合结构,具体材料机械性能参数见表2。

表2 车体材料机械性能参数

根据车体材料密度及设备质量,换算出轨道交通车辆质量,见表3。整车质量为243 634 kg。

表3 轨道交通车辆质量 kg

4 建模

依据轨道交通车辆三维模型,建立有限元模型,为七节编组。同时建立转向架简化模型,钢轨使用平面替代,考虑车轮与钢轨之间的接触问题,并配置相关材料及参数。轨道交通车辆有限元模型如图3所示。

图3 轨道交通车辆有限元模型

有限元模型较为详细地考虑了轨道交通车辆的前端结构和防爬器,纵向由非线性弹簧连接各个车体,竖直方向上转向架的轮对与地面产生接触。因为碰撞主要发生在车钩和司机室头部部位,所以仿真中静止车辆和运动车辆发生接触的Tc车为变形体单元,防爬器也为变形体单元,其它车和转向架为刚体单元。

5 碰撞场景工况

轨道交通车辆建模完成后,在同一轨道上设置两列轨道交通车辆,建立碰撞有限元模型,如图4所示。设置两种工况,工况一为一列七节编组轨道交通车辆以25 km/h的速度与另一列静止的相同编组轨道交通车辆碰撞,工况二为一列七节编组轨道交通车辆以15 km/h的速度与另一列静止的相同编组轨道交通车辆碰撞。

图4 轨道交通车辆碰撞有限元模型

6 碰撞仿真

建立完整的轨道交通车辆碰撞有限元模型,导入LS-DYNA软件进行计算。碰撞发生后,轨道交通车辆相接触,运行车辆逐步减速,静止车辆逐步加速,两列车辆速度达到基本一致后,剩余的动能平稳,即可认为碰撞结束。工况一的碰撞仿真时间为1.1 s,工况二的碰撞仿真时间为0.9 s。

两种工况碰撞后司机室前端变形情况如图5、图6所示。当以25 km/h速度碰撞后,车辆司机座前端车钩接触,然后压缩,直到剪断,防爬器开始接触并压缩。四个防爬器各压缩约190 mm后,两列车辆的变形基本结束。当以15 km/h速度碰撞后,司机室前端车钩接触并压缩,但是车钩并未剪断,防爬器也未接触,两列车辆变形结束。在整个碰撞过程中,除司机室前端车钩缓冲装置外,其余车钩缓冲装置也有不同程度且相对较小的压缩变形。

图5 工况一司机室前端变形情况

图6 工况二司机室前端变形情况

7 碰撞吸能分析

运动车辆以25 km/h速度碰撞静止车辆时,司机室端车钩接触并剪断失效,防爬器接触压缩而吸能,司机室前端部分结构产生变形,也参与了吸能。工况一能量变化如图7所示,轨道交通车辆初始动能为5.9 MJ,所有车钩缓冲装置、防爬器及结构变形吸收2.9 MJ能量,占初始动能的49.15%。其中,车钩缓冲装置吸收2.35 MJ能量,其余为结构变形吸能。轮轨摩擦力消耗0.85 MJ能量,沙漏能为20.3 kJ,占总能量的0.34%,在5%范围内。

图7 工况一能量变化

运动车辆以15 km/h速度碰撞静止车辆时,所有车钩均未发生失效,司机室前端结构也未发生变形。工况二能量变化如图8所示,轨道交通车辆初始动能为2.11 MJ,所有车钩缓冲装置吸收865 kJ能量,占初始动能的41.0%,防爬器及结构并未参与吸能。轮轨摩擦力消耗986 kJ能量,沙漏能为5 kJ,占总能量的0.24%,在5%范围内。

图8 工况二能量变化

从上述两种工况仿真可以看出,当运动车辆以15 km/h速度碰撞静止车辆时,车体主体结构件不会发生变形。当速度加快到25 km/h时,头车全自动车钩缓冲装置及中间车部分半永久车钩缓冲装置已经发生剪切失效,前端防爬器开始作用,并伴随司机室前端部分结构变形吸能。此时车体主体结构件仍未产生变形,确保了车辆及乘员的安全。从列车碰撞过程中各种能量吸收配比来看,车钩缓冲装置的吸能占能量耗散相当大一部分,防爬器及司机室前端吸能结构作为车钩剪断后的又一道安全屏障,在安全保护方面也起到了积极作用。

通过工况一仿真,进一步验证了轨道交通车辆吸能缓冲设计顺序的正确性,车钩缓冲装置先开始吸能动作,然后防爬器参与吸能,最后司机室前端吸能结构作用。

8 结束语

笔者对轨道交通车辆碰撞吸能安全性进行研究,基于车辆有限元模型与碰撞吸能仿真计算,分析两种工况下运动车辆碰撞静止车辆的安全性。仿真结果表明,两种不同工况下,车体主体结构均有损伤或塑性变形,但是满足车辆碰撞安全性要求。各种吸能保护装置在发生碰撞后变形顺序有序可控,符合安全保护准则。碰撞速度越快,对轨道交通车辆的破坏性越大,给乘员生命财产带来的威胁性也就越大。

通过研究不仅验证了上海轨道交通8号线四期增购车辆碰撞吸能的安全性,而且掌握了对吸能结构进行验证的方法,为今后国产化轨道交通车辆碰撞及吸能结构的设计奠定了基础。