张文，李纯

（1.南京铁道职业技术学院，轨道交通工程实践中心；2.南京铁道职业技术学院，机车车辆学院，江苏 南京 210015）

在我国高速铁路运输不断发展的过程中，人们越来越重视动车组的安全性能。动车组的被动安全是指铁路会出现交通安全事故，通过动车组的车体结构降低碰撞的性能，将不良影响消除，保证人员的人身安全。随着轨道车辆的速度和载重的持续提高，也提高了车辆碰撞的发生概率，导致经济损失和人员伤亡更是触目惊心。所以，车辆防撞性试验备受重视。大量设计人员车体都研究了车体防撞性，并且得到了大量指导意义结论。

1 车体碰撞分析

以技术合同的实际需求，列车的防碰撞性车体以每个小时35km的速度对40t静止卡车撞击时，会导致前段变形区出现变形，除了车体端对结构变形区能量进行吸收，其他部位没有永久性的变形。本文使用AUTOCAD结合UG的方式创建车体几何模型，一般动车组车体都是对称的，所以只创建一半的车体几何模型。如果左右不对称，通过后续对单元网格进行改变。本文使用Hypermesh划分几何模型，因为计算资源有限，单元大小使用40mm。为了使碰撞分析精度得到满足，细化碰撞区域。车体仿真模型一共包括748246个单元，模型包括实体单元和壳单元，图1为碰撞有限元模型。

图1 碰撞有限元模型

整列车的碰撞分析模型量比较大，如果将所有列车的细节设计到有限元模型中，无法使计算资源的需求得到满足。以此，本文对模型进行简化。在进行碰撞的时候，司机室车头主要参与到碰撞中，在碰撞分析模型设计过程中要对头车进行考虑。动车组车钩最大吸收量为110kJ，和整个碰撞过程能量对比，车钩吸能比较小。为了便于建模，在进行碰撞的时候要忽略车钩缓冲吸能对于碰撞的影响，利用实体车钩模型设计车钩。

2 碰撞仿真结果

2.1 不同场景的碰撞分析

（1）场景1。静止列车与运动列车在碰撞前的初始状态垂向错开40mm，开始发生碰撞到结束的列车能量变化详见图2，列车初始的总动能为10.4MJ，主吸能器、防爬器、车钩与司机室吸收能量为4.8MJ，沙漏能为121kJ，占据总能量1.16%，能够满足计算精确度需求。在发生碰撞0.44s之后，两个列车速度相同。在列车碰撞的过程中，第一节车体客室的平均减速度为1.5g，比规定的5g要小。静止列车与运动列车的轮对垂向偏移量为8mm与14mm。每个转向架到轮对垂直位置比轮缘高度要小75%，此轮缘高度设置为28mm，有效满足列车碰撞过程中避免爬车、脱轨等需求。以车体的纵向压缩变量，设置车体的中心线和侧边梁分别为20mm、24mm，比规定要小。

图2 碰撞开始到结束的列车能量变化

（2）场景2。创建15t可变形障碍物模型，实现障碍物刚度的机损验证，计算值比标准值要大。此工况并不考虑车钩，观察司机室的结构，要能够保护司机的安全性。由于列车在运营过程中的最高速度为160km/h，以标准需求平交道口碰撞速度为110km/h。列车速度在碰撞过程中从30.56m/s变为28.9m/s，车体客室平均减速度为1.1g。车体侧边梁与中心线根据车体纵向压缩变形量最大为34mm、57mm，比固定小。

2.2 假人碰撞仿真

使用碰撞仿真分析软件对动车组头车实现碰撞仿真分析，头车初始速度设置为36m/s，和刚性墙碰撞。在碰撞40ms之后，只有驾驶员动作，头部撞向车体，其他时间不明显。在40～80ms，背向车辆行驶方向头部逐渐靠在座椅靠背中，到最后时刻撞向对面座椅，此运动趋势满足实际情况，说明碰撞仿真结果可信。图3为五个假人的位置，表1为假人受到的撞击力值。1号假人（驾驶员）的冲击力是最大的，驾驶室右方假人受到的冲击力其次。在乘客区中，和列车行驶方向相背的假人会受到最大的撞击，动车组能够利用旋转座椅。所以，为了避免保证乘客的安全性，要求乘客面向车辆运行方向。

图3 五个假人的位置

表1 假人受到的撞击力值

另外，对假人的胸部、头部和腹部损伤程度进行对比，所受的最大位移、加速度和速度降到最小时进行分析。表2为假人不同部位受到损伤降到最低的时间，通过表2可以看出来，胸部、腹部和头部为1号假人受到加速度最大的位置，速度降低最短的部位为腹部，最严重的是头部。从而可以看出来，驾驶员位置的假人腹部位移的差别比较多，5.2mm/m³为最大的加速度，降到最低的速度为50ms。

表2 假人不同部位受到损伤降到最低的时间

2号假人受到加速度最大的位置为头部、腹部和胸部，最大位移部位为头部、胸部与腹部；腹部速度降低需要的时间比较短，之后是头部。从而可以看出来，头部是受伤最严重的部位，腹部为其次。

3号假人受到加速度最大的位置为头部、腹部和胸部，最大位移部位为头部、胸部与腹部；腹部速度降低需要的时间比较短，然后是胸部。

4号假人受到加速度最大的位置为腹部、胸部和头部，最大位移部位为头部、胸部与腹部；腹部速度降低需要的时间比较短，头部为其次。以此可以看出来，乘客区域面向行驶方向的假人损伤差别不大。

5号假人受到加速度最大的位置为胸部、腹部头部，头部、胸部、腹部位置为最大位移实践。那么，假人头部和胸部在乘客区域背向位置的损伤最大，腹部的损伤比较小。

2.3 强度结果

（1）静态强度。在纵向载荷作用过程中，动车底架前端下部盖板局部开孔具有较大的应力。在1500kN压缩工况中，车钩底架F端和地板型材连接过程中的应力值和需求接近。利用分析表示，在纵向力传递路径中，此立板开孔位置连接地板型材，破坏力的连续性，从而使应力比较集中。但是，纵向载荷通过连接型材传递到地板中。地板的受力比较均匀，降低应力水平，枕内并没有高应力区，此和车体纵向承载特性的分析结论一致。在垂向载荷下，转向架摇枕安装面的上方窗口具有较大的应力。利用分析力学角度表示，无论是何种车体结构，简化垂向承载特性为简支梁模型，侧墙开窗口会对力传递连续性造成破坏，表示窗角的应力比较集中。

（2）疲劳强度。评估横向和纵向疲劳载荷工况，对于固结设备，通过不同方向疲劳载荷创建工况之后评估。利用计算结果可以看出来，固结设备与车体的动力、应力水平比材料疲劳极限要低，以此表示动车组疲劳强度存在较大的冗余。

2.4 满员状态

不对车钩吸能考虑，碰撞过程仿真时间为180ms，对车钩吸能进行考虑的时候，防爬吸能装置吸能元件所需要的吸收能量比较小，仿真时间为160ms。在碰撞结束之后，防爬吸能装置的吸能元件纵向结构塑性变形并没有满足有效行程需求。动车组头车司机室结构和客室都没有明显的塑性变形，头车在满员状态时的碰撞速度为20km/h，能够使耐碰撞性需求得到满足。

2.5 整备状态

不对车钩吸能进行考虑，碰撞过程中的仿真时间为160ms。在对车钩吸能进行考虑的时候，能够降低防吸爬能装置吸能元件所需要的能量，仿真时间为150ms。在结束碰撞之后，防爬吸能装置吸能元件对大部分动能吸收之后能够达到有效行程需求，不对车钩吸能考虑时候的变形为417.6mm，充分考虑车钩吸能时候的变形为390.54mm，司机室变形区出现塑性变形，但是司机室后客室、乘区并没有出现塑性变形。在仿真计算过程中，不对车钩吸能进行考虑，半车的界面力第一个最大值为907.36kN，司机室结构出现塑性变形之前的平均界面力为653.14kN。假如对车钩吸能进行考虑，半车界面力第一个最大值为923.82kN。所以，在动车头车整备工况中，碰撞速度为每小时36km的时候，能够使耐碰撞性需求得到满足。

3 试验验证

对动车组车体结构进行静强度试验，并且根据标准评定试验结果。利用实验结果可以看出来，动车组的车体刚度和强度能够使标准需求得到满足。通过实验结果进行分析，无论是车体变形或者应力分布，满足车体承载特性的规律，并且仿真结果满足实验结果需求。以此表示，动车组车体分析与有限元计算是成功的在车体设计技术中具有良好的指导作用，表3为车体部分应力计算值和实验值的对比。

表3 车体部分应力计算值和实验值的对比

4 结语

设计理念不同，所以会有不同的设计标准，导致动车组与铁库客车的车体结构也各不同。那么，在对轨道车辆结构强度设计过程中，要对结构承载性能进行分析，然后通过力学模型分析验证。我国铁路标准根据安全系数静态方法对车体安全性与可靠性进行保证。在设计铁路客车车体的过程中，具有较大的静强度冗余，随着列车速度与运行里程的增加，存在局部疲劳损坏的情况。所以，要针对车体指定有效考核标准与疲劳评估。