A型不锈钢地铁车体耐撞性研究

胡基贵 韦海菊 王兴文（南车南京浦镇车辆有限公司技术中心，江苏 南京 210031）

A型不锈钢地铁车体耐撞性研究

胡基贵 韦海菊 王兴文
（南车南京浦镇车辆有限公司技术中心，江苏 南京 210031）

轨道车辆车体基本性能的研究需要考虑多方面的因素，车体耐碰撞性是重要指标之一。以A型不锈钢地铁车体为研究对象，基于LS-DYNA碰撞仿真平台，分析了车辆在不同碰撞速度下车体的耐撞性能；然后，采用逼近法，获取了该型地铁车的最大碰撞安全速度，为车体的耐撞性设计提供了理论支撑。

A型不锈钢地铁；车体耐撞性；逼近法；最大碰撞安全速

1 引言

城市轨道交通车辆是一种跨学科、跨领域、综合性强的现代交通运输工具，国内市场中城市轨道车辆主要以A型和B型车辆为主。A型车相对B型车具有轴重大、车辆尺寸大的特点，不锈钢材质的车体具有较强的耐腐蚀性能，车体涂装维修成本也较低，在车体材料的选择方面受到极大地青睐。不锈钢A型车的显著优势使得在市场上得到了广泛的应用，目前国内对A型不锈钢车体的耐碰撞性能研究较少，因此本文以A型不锈钢车体为研究对象，建立了列车碰撞仿真力学模型，以20km/h、25km/h的初始碰撞速度对列车进行了耐撞性计算分析。同时，为得到该型地铁车的最大碰撞安全速度，采用逼近法， 确定了该型车辆结构损坏时的最小速度。

2 地铁车辆耐碰撞性能要求

为了使轨道车辆车体满足标准规定的耐撞性要求，轨道车辆在一定速度的碰撞过程中，其能量转换应以一种合理有序的方式进行。按照此思想设计的耐碰撞轨道车辆应能满足如下要求：

（1）轨道车辆在发生碰撞时，不可逆的塑性变形应首先从车辆端部吸能区及其附近区域开始，并按设定的变形过程渐进式变形性能；

（2）列车发生碰撞时的减速度应保持在一个适度的水平，以便保护乘务人员及乘客的安全，并避免设备安装、内装及转向架连接装置脱落或损坏。

3 车体的有限元模型

由于不锈钢车体的零部件基本是薄壁构件，车体结构全部采用壳单元模拟，板壳之间的点焊连接通过梁单元模拟。

为了提高计算效率，考虑到车体结构的对称性，采用半车进行模型耐撞性分析计算。为提高仿真的精确性，车体端部变形吸能区的单元尺寸细化，中间客室结构的单元尺寸则取较大，有限元力学模型中共有1063096个单元。仿真模型的网格划分如图1所示。

4 不锈钢车体耐撞性分析

4.1 20km/h车体耐撞性分析

车辆的仿真场景为头车以20km/h的速度与刚性墙发生正面碰撞，仿真时间为180ms。图2为头车司机室及吸能元件在180ms时刻的变形图。

从图2中可以看出，碰撞过程中，只有吸能元件出现塑性变形，碰撞后吸能元件吸收大部分的动能，由于吸能元件未达到其饱和行程，头车司机室结构没有出现塑性变形，客室也没有出现塑性变形。因此列车在碰撞时，头车各部分在碰撞过程中均没有出现结构失效。

图3给出了车体中部位置的加速度时间曲线，其平均加速度为-2.12g，该加速度能够满足标准中的要求。

4.2 25km/h车体耐撞性分析

车辆的仿真场景为头车以25km/h的速度与刚性墙发生正面碰撞，仿真时间为180ms。图4为头车司机室及吸能元件在180ms时刻的变形图。从图4中可以看出，碰撞过程中，在纵向冲击力作用下吸能元件有规律地先后出现几个对称的皱折，其变形方式为稳定的轴对称模式，吸能元件在达到其最大有效行程，司机室结构均出现明显塑性变形，吸收剩余的动能。

图5给出了车体中部点的加速度时间曲线，其平均加速度是-4.656g，该加速度能够满足标准中的要求。

4.3 车辆结构损坏的最小碰撞速度确定

根据20km/h和25km/h碰撞的计算结果可以看出，实际结构损坏时的最小速度应大于20km/h小于25km/h，采用逐渐逼近法计算结构损坏时的最小速度，选择23km/h和24km/h的碰撞速度进行分析。

图6为列车在碰撞速度为23km/h时，车体局部在126ms、180ms时刻的变形图。从变形图中可以看出，在120ms左右车体一位端枕梁内侧地板发生变形，在碰撞结束后，车体局部发生反弹，该变形回复。由此可知列车碰撞速度为23km/h时，车体在碰撞过程中都没有出现结构塑性变形。

图7为列车在碰撞速度为24km/h时，车体局部在96ms、180ms时刻的变形图，从变形图7中可以看出，在96ms左右第二个车门左侧底架边梁和地板发生变形，碰撞结束时该变形没有恢复。由此可知列车碰撞速度为24km/h时，车体结构发生了塑性变形，因此可以确定24km/h的碰撞速度不是车体结构实际损坏的最小速度。

结语

（1）碰撞速度为20km/h时，能量由吸能装置的失效变形吸收和耗散，车辆客室的乘客保护区无任何损伤，司机室也没有发生结构破坏。车体中部平均加速度是-2.12g，车体端部能量吸收区没有发生塑性变形。

（2）碰撞速度为25km/h时，能量由吸能装置的失效变形和车体结构的变形来吸收和耗散，司机室出现了较大的塑性变形。车体中部平均加速度是-4.656g。

（3）碰撞速度为23km/h时，车辆客室无任何损伤，司机室也没有发生结构破坏；碰撞速度为24km/h时，地铁车辆头车客室产生塑性变形，因此发生碰撞时，结构损坏的最小速度为23km/h。

[1]田华军.轨道交通运营车辆选型[J].都市快轨交通，2010，23（01）：47-49.

[2]高春宏，屈海洋.城市轨道交通车辆总体设计研究[J].城市轨道交通研究，2009，1（11）：44-48.

[3]徐寅忠.不锈钢车辆和轻合金车辆的优缺点[J].国外铁道车辆，1984，4（05）：15-19.

U270

A