王晋乐，车全伟，田爱琴，于洋洋

(中国北车集团 南车青岛四方机车车辆股份有限公司 技术中心，山东 青岛 266111)



轨道车辆耐撞性分析中转向架的模拟方法

王晋乐，车全伟，田爱琴，于洋洋

(中国北车集团 南车青岛四方机车车辆股份有限公司 技术中心，山东 青岛 266111)

在按照欧标EN15227评价轨道车辆的耐撞性能时，需对碰撞仿真过程中轮轨间的垂向位移做出准确的判定.基于HYPERMESH和LS-DYNA仿真软件的工程应用，以提高模拟精度与计算效率为目标，提出了一种有效模拟转向架实际结构、转向架与车体间连接关系以及轮对与轨道间接触关系的仿真方法.最后以某列10节编组轨道客车以25 km/h速度对撞为例，进行仿真验证，结果表明：该转向架模拟方法是较为准确且有效可行的.

轨道车辆；耐撞性；转向架；模拟方法

0 引言

转向架是轨道车辆最重要的组成部件之一，其结构是否合理直接影响着轨道车辆的运行品质、动力性能和行车安全，尤其转向架弹性悬挂装置(包括一系悬挂装置和二系悬挂装置)的缓冲和衰减性能对轨道车辆在碰撞事故中响应剧烈程度的影响更是难以忽略.

然而，从目前国内出版的相关文献及研究成果来看，大部分学者在轨道车辆碰撞仿真分析时，传统方法都是仅对轨道车辆车体结构做较为详细的有限元建模，而忽略了转向架及轨道结构的重要性，有时甚至把车体的横向自由度加以约束，然后只用两个刚性箱体结构来代替轨道车辆的转向架结构.

正确的轮轨关系是保持车辆沿轨道正常运行，防止轮对脱轨的重要保证.即使车辆是在直线轨道上发生碰撞，但是由于碰撞接触不可能是完全对称的，碰撞过程中很难避免横向力的存在，从而极易打破原有的轮轨平衡关系，而且随着碰撞速度的提高，车辆发生脱轨、倾覆的危险性进一步增大，传统将碰撞过程简化为是完全横向对称的，且对轮轨之间横向、垂向相对运动进行人为约束的模拟方法，由于在仿真研究之前人为降低了碰撞的严重性，与实际碰撞事故现场有较大的差异，显得更加难以令人信服.

此外，欧标EN15227[1]中对两列车对撞时可能发生的爬车现象有具体详细的规定：在整个碰撞模拟过程中，需保证每个转向架都至少有一个轮对能与轨道实现有效接触(转向架中至少有一个轮对与轨面的垂向位移不超过名义轮缘高度的75%，否则这里的有效接触不能实现).

鉴于此，本文基于HYPERMESH和LS-DYNA仿真软件的工程应用，以提高模拟精度与计算效率为目标，将转向架结构、转向架与车体间连接关系以及轮对与轨道间接触关系进行详细有限元建模，并按照标准EN15227中CII类要求，以某列10节编组轨道客车(1辆机车+9辆客车)以25 km/h初始速度撞击另一列处于静止无制动状态的相同列车为载体，分析出该列车的防爬性能，对该模拟方法进行仿真验证.

1 转向架的模拟方法

1.1 单元类型的选择

单元类型的选择以及控制参数的设定对于仿真分析的正确性和计算效率有着重要的意义.本文在转向架有限元建模时主要使用了SHELL163中的Belytschko-Tsay薄壳单元和COMBI165中的离散梁(弹簧阻尼)单元.

其中，Belytschko-Tsay薄壳单元(简称BT单元)是基于薄壳经典理论，采用非线性材料模型，并应用多层单点积分和沙漏粘性阻尼控制的四节点四边形或三节点三角形非线性薄壳单元，如图1所示，每个节点都有x、y、z方向的平动、转动自由度，能承受面内和面外载荷的作用，是目前薄壁结构碰撞仿真中运用极为广泛的一种薄壳单元.该单元算法上适于长度、厚度比大于10∶1的薄壳结构.在薄壳的计算中，壳单元相对实体单元有计算速度快、弯矩计算准确的优点.基于此，本文转向架的薄壁构件拟采用该Belytschko-Tsay薄壳单元来模拟.

转向架中一、二系弹簧悬挂装置则采用COMBIN165中的离散梁(弹簧阻尼)单元.在离散梁建模时，需要定义3个节点，如图2所示，其中，节点1(n1)和节点2(n2)用来定义梁单元坐标系的r轴方向，节点3是虚拟节点，用来定义梁单元坐标系的s轴方向.此外，一个离散梁最多可以有6个自由度，它可以是零长度的也可以是非零长度的，但是必须指定一个非零值的体积(*SECTION_DISCRETE中的VOL参数)，离散量的重量和它的长度没有关系，而是体积VOL和材料密度的乘积.

图1 SHELL163薄壳单元

图2 离散梁单元

1.2 转向架模拟

本文研究对象某客车所用转向架[2]采用H型构架、转壁式定位、大柔度空气弹簧、Z形双牵引拉杆、单元式盘形加踏面制动，如图3所示.该转向架由构架装置、一系定位装置、空气弹簧、牵引装置等部分构成.

通过研究转向架在运行中所承受纵向力、横向力和垂向力的传递过程发现，转向架的轮对、一系定位装置、二系悬挂装置和牵引装置对轨道车辆运行安全性的影响格外重要，建立有限元模型时需做重点考虑，最终建立的转向架有限元模型如图4所示.

图3 转向架总装

图4 转向架有限元模型

下面对转向架各关键部件的建模方法进行具体说明：

(1)构架装置

构架装置为H型结构，其主体箱形结构为板材焊接件.考虑到转向架构架的整体承载刚度特别大，本文建模时对其做了刚化处理，即其材料属性选择为LS-DYNA中MAT_20(MAT_RIGID).

(2)一系定位装置

一系定位装置位于轴箱与构架之间，由一系垂向减振器、工装定位块、定位转壁和轴箱弹簧等组成.本文所建一系定位装置局部有限元模型如图5(a)所示.其中，轴箱弹簧采用COMBI165离散梁(弹簧-阻尼)单元，配合LS-DYNA中的MAT_66(MAT_LINEAR_ELASTIC_DISCRETE_BEAM)材料来进行模拟.LS-DYNA中的MAT_66类型材料可以通过设置轴箱弹簧的三向刚度值来有效模拟其三向刚度效应，此外，还可以设置轴箱弹簧的预压力，使车体自重与预压力相互平衡，在计算开始时，梁单元不会被过分压缩，与实际情况极为吻合.此外，定位转壁是转向架纵向力的关键传力部件，本文按照定位转壁的实际结构进行了详细的有限元建模，如图5(b)，应用LS-DYNA中的面面接触(Surface to Surface)来模拟其传力性能以及其相互转动行为.

图5 一系定位装置模拟

(3)二系悬挂弹簧

本文转向架二系悬挂弹簧采用大曲囊空气弹簧，上盖板两个定位销以较小间隙配合安装于车体定位孔内，其模拟方法同一系定位装置中轴箱弹簧类似.

(4)牵引装置

牵引装置为连接车体与转向架的弹性连接部件，由两根弹性球铰拉杆成Z形安装在牵引座上，如图6所示.其中，牵引中心销与车体底架的枕梁相固定，牵引座则与牵引中心销连接成一个可以小幅度运动的弹性机构，以适应转向架相对于车体的运动.

图6 牵引装置

图7 有限元模型

本文按照牵引装置的实际结构进行有限元建模，如图7所示.牵引座和牵引中心销之间的相互作用通过LS-DYNA中的面面接触(Surface to Surface)来模拟，这样不仅可以保证车体与转向架之间纵向力的传递，而且可以实现二者之间的相对转动.

1.3 轮轨关系模拟

为了较为准确的模拟轮轨之间的接触关系，本文按照标准《TB/T449-2003机车车辆车轮轮缘踏面外形》[3]及《GB 2585-2007铁路用热轧钢轨》[4]对钢轨外形尺寸的要求，如图8，进行了详细有限元建模，如图9、10所示.轮轨间的相互作用则通过LS-DYNA中的点面接触(Node to Surface)来实现.

图8 钢轨外形尺寸

图9 轨道有限元模型

图10 轮轨有限元模型

2 客车防爬性能验证算例

本文按照标准EN15227中CII类要求，以某10节编组列车(1辆机车+9辆客车)为例，验证该列车以25 km/h初始速度撞击另一列处于静止无制动状态的相同列车时能否满足标准EN15227规定的 “整个碰撞模拟过程中， 所有转向架都至少有一个轮对与轨面的垂向位移不得超过名义轮缘高度75%”的防爬性能要求.算例有限元模型及车辆、碰撞界面编号如图11所示，其中客车有限元模型如图12所示.

图11 算例有限元模型

图12 客车有限元模型

计算结果如图13表明，在整个碰撞过程中，客车A1其转向架中一位端第一轮对、一位端第二轮对、二位端第一轮对、二位端第二轮对与轨面间的最大垂向距离分别为9.925、9.696、10.774、10.664 mm，客车B1其转向架中一位端第一轮对、一位端第二轮对、二位端第一轮对、二位端第二轮对与轨面间的最大垂向距离分别为9.937、9.707、10.536、10.662 mm，各轮对与轨面间的最大垂向距离均小于18.75 mm(轮对名义轮缘高度的75%，该转向架名义轮缘高度为25 mm)，该列车在碰撞过程中没有爬车风险，满足标准EN15227的防爬要求.

图13 算例仿真结果

3 结论

本文以某客车为载体，以提高模拟精度与计算效率为目标，对轨道车辆被动安全仿真分析时转向架结构、转向架与车体间连接关系以及轮对与轨道间接触关系的模拟方法进行研究，得到如下主要结论：

(1)通过给离散梁单元设置相应的预紧力和三向刚度值可以较为准确的模拟出转向架中一系、二系悬挂弹簧的力学性能；

(2)LS-DYNA中的面面接触(Surface to Surface)可以有效模拟出转向架结构中各传力部件的力学性能以及部件间的相对转动行为；

(3)按转向架轮对和轨道踏面的实际结构进行详细有限元建模对准确模拟轮轨间作用力十分必要.

[1]BS EN 15227:2008+A1:2010，Crashworthiness Requirements for Railway Vehicle Bodies[S]．[s.n.]，2010．

[2]刘满华．CL242型客车转向架[J]．铁道车辆，2010,48(4)：16-18．

[3]中华人民共和国铁道部.TB/T 449-2003机车车辆踏面轮缘外形[S]．北京：中国铁道出版社，2003．

[4]中国国家标准化管理委员会.GB 2585-2007铁路用热轧钢轨[S]．北京：中国标准出版社，2007.

Study of Simulation Method for Rail Vehicle Bogie in Crashworthiness Analysis

WANG Jinle，CHE Quanwei，TIAN Aiqin， YU Yangyang

(Technology Center, CSR Qingdao Sifang Co，Ltd.，Qingdao 266000，China)

When evaluating the crashworthiness of the rail vehicle, needs to be determined the vertical displacement between the wheel and the rail. Therefore a method to simulate the actual structure of the bogie，the connection between the bogie and the car body，and the contact between the wheel and the rail is proposed based on the engineering application of the HYPERMESH and LS-DYNA. In addition，this method was verified through a crash scenario，where two trains are impacted with each other in a relative speed of 25 km/h. The result shows that this simulation method is acceptable and effective.

rail vehicle；crashworthiness；bogie；simulation method

1673- 9590(2016)02- 0053- 04

2015-09-14

王晋乐(1989-)，男，助理工程师，硕士，主要从事轨道车辆被动安全设计E- mail:jayjinle@126.com.

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