轨道客车能量分配快速分析方法及应用

李本怀

(中车长春轨道客车股份有限公司 工程实验室，吉林 长春 130062)*



轨道客车能量分配快速分析方法及应用

李本怀

(中车长春轨道客车股份有限公司 工程实验室，吉林 长春 130062)*

为实现方案设计阶段轨道客车吸能系统的快速设计，基于LS-DYNA的碰撞接触分析技术，提出一种应用刚体和非线性弹簧相结合的客车碰撞性能分析方法.该方法根据列车重量、吸能元件的压溃力、可用压溃空间等输入参数，快速分析轨道客车的碰撞能量.采用该方法研究两列6辆编组地铁列车以25 km/h相对速度碰撞的能量分配问题，结果表明该方法对列车吸能系统能量分配高效可行.

轨道客车；吸能系统；碰撞；压溃行程；能量分配

0 引言

随着国内城市化进程的推进，各大中型城市因轨道交通大容量、速度快和准时的优势，相继将轨道交通作为公共交通优先发展[1].与此同时，车辆运行安全性也备受关注[2].近年来，欧美、日本等发达国家列车被动安全设计技术已经成熟，根据相应的事故研究和分析，制定了各自的碰撞法规[3].列车各界面的缓冲装置的设计对列车整体碰撞有较大影响，英国OLEO公司和日本东京都开发了自己的一维碰撞仿真分析系统，用于车钩缓冲、吸能装置的设计.国内各铁路院校及主机厂采用三维多车编组模型模拟了列车碰撞过程，对列车碰撞安全性能进行研究[4].但在列车吸能方案的设计阶段，三维分析模型规模大，计算时间长，无法满足主机厂列车吸能系统的设计要求.

基于上述原因，有必要对列车碰撞能量分配方法进行深入研究.基于LS-DYNA的碰撞接触分析技术[5]，本文提出一种应用刚体和非线性弹簧进行列车碰撞性能分析的方法，可在方案设计阶段对列车各断面的吸能量快速进行预测，为列车车钩、防爬器及吸能区所需的压溃力和压溃行程设计提供依据.通过研究两列6辆编组地铁列车相对碰撞的能量分配，验证了该方法的实用性.

1 能量快速分配方法

能量快速分配方法的基本方程为：

式中:γ为相对体积；ρ为当前质量密度；ρ0初始质量密度.

由于上述偏微分方程的非线性性质和碰撞接触问题边界条件的复杂性，无法用解析法来求出精确解.有限元法是适用于求解上述问题的有效数值解法，其特点是首先建立和原问题基本方程及相应定解条件相等效的积分提法，然后据此建立近似解法.如果原问题的方程具有某些特定的性质，则它的等效积分提法可以归结为某个泛函的变分，相应的近似解法实际上是求解泛函的驻值问题.当问题的微分方程和边界条件已知，但是变分的泛函尚未找到或者根本不存在的情况，用伽辽金(Galerkin)法(即利用近似解的试探函数序列作为权函数)来确定单元特性和建立求解方程.

基于碰撞接触分析技术，利用刚体和非线性弹簧进行列车碰撞能量的分配方法，能够快速预测不同速度的轨道客车碰撞时，车辆端部吸能装置的吸能状态，指导吸能结构的优化设计，同时也能验证轨道客车编组有限元模型碰撞仿真分析结果[6].能量快速分配方法的主要流程：

(1)模型建立：利用HYPERMESH软件，建立车刚性模型、车钩缓冲装置模型(通过对弹簧单元的选取、力-行程曲线编辑和单元组合实现车钩缓冲器和压溃管的力学特性)、轮轨模型，主要包括车体重量信息、车体材料自由度状态、模型单元信息、停放制动信息、运行轮轨信息等；

(2)施加列车自重：定义列车运动或停放制动状态列车的运动性能，包括运动和静止列车的重力加速度，通过加速度曲线，施加列车垂向重力加速度，保持列车在运动过程中始终有自重存在;

(3)建立接触：建立列车碰撞过程中各项接触关系，运动列车内部接触、静止列车内部接触、运动与静止列车碰撞过程中接触、轮轨停放制动接触和运行接触；

(4)定义运动列车初始碰撞速度：定义运动列车的初始状态，根据碰撞标准要求，施加运动列车初始速度；

(5)定义输出信息：设置列车碰撞终止时间，碰撞输出步长、打开各项输出信息开关，通过列车节点集合信息定义速度、加速度、位移信息，通过单元集合定义列车各断面力-时间曲线、力-行程曲线，通过PART组定义各项能量输出；

(6)输出计算文件提交LS-DYNA平台计算：输出模型K文件，通过命令提交LS-DYNA进行碰撞仿真计算；

(7)读取计算结果信息：通过节点输出文件读取速度、减速度、位移信息，判定列车碰撞后是否达到相同速度(列车吸能结束)，列车各部位减速度是否满足要求，两列列车达到相同速度时行走距离等；通过单元输出文件读取列车碰撞过程中力-时间曲线，力-行程曲线，判定列车车钩及缓冲装置力和行程是否在许用范围；通过能量输出文件读取列车动能、内能、摩擦耗能及各缓冲装置吸能情况.依据计算结果进行分析判断，如果满足设计要求，分析结束，如果无法满足设计要求返回(1)步修改设计参数重新计算.

2 工程应用

采用上述快速分配方法研究两列6辆编组地铁列车碰撞能量分配问题.列车采用4M2Tc 6辆编组，即：+Tc**M*M*M*M**Tc+，其中M重35 t，Tc重33 t，两列碰撞编组模型等效形式为+Tc**M*M*M*M**Tc++Tc**M*M*M*M**Tc+，车辆与轨道间摩擦系数停放制动状态为0.12，运动状态为0.002，车钩吸能参数见表1所示[6](“+”表示为全自动车钩；“**”表示为双压溃管半永久牵引杆;“*”表示为单压溃管半永久牵引杆).

表1 编组列车车钩吸能参数

轨道客车碰撞吸能模型中，列车沿纵向自由度运动；轨道和车体采用刚体模型，车钩通过弹簧单元等效模拟，通过列车间各断面的能量吸收状态确定压溃力及行程[6].通过加速度曲线施加列车垂向重力加速度9 800 mm/s2，保持列车在运动过程中始终有自重存在.模型中的接触包括：运动和静止列车的内部自接触、静止列车与运动列车之间的接触、列车与轨道间接触.列车碰撞分析的终止时间为2 s，结果输出步长为0.01 s.通过列车节点集合信息输出速度、减速度、位移信息，通过单元集合输出列车各断面力-时间曲线、力-行程曲线，通过PART组输出能量-时间曲线，输出信息的节点和单元如表2和表3所示.

两列车以25 km/h相对速度相撞时，车钩缓冲器、压溃管及防爬器全部参与吸能.依据表1可知，运动列车和静止列车第一断面行程为1 470 mm，即：两个缓冲器110 mm，两个压溃管660 mm，两个防爬器700 mm；运动列车和静止列车第二、六断面行程为510 mm，即两个缓冲器110 mm，两个压溃管400 mm；运动列车和静止列车第三、四、五断面行程为310 mm，即两个缓冲器110 mm，一个压溃管200 mm.由图1可知列车碰撞过程中运动列车和静止列车第一断面压溃行程为1 432 mm，可知缓冲器、压溃管压溃完全，防爬器压溃行程为331 mm，未超出最大压缩行程350 mm；由图2可知，运动列车和静止列车第二断面车钩压溃行程分别压缩463 mm和457 mm，未超出车钩最大压缩行程510 mm；由图3可知，运动列车和静止列车第三段面车钩压溃行程分别压缩148和146 mm，未超出车钩最大压缩行程310 mm，满足设计要求.在0.78 s时，各列车速度曲线交汇成一条曲线，说明列车各车辆达到共同速度，吸能结束，如图4所示.车辆吸能装置完成吸能，剩余能量将由制动摩擦吸收.在0.78 s时，各车辆位移曲线斜率相同，两辆列车以共同速度运行，列车达到共同速度，如图5所示.

表2 输出速度和位移信息的节点

表3 输出车钩吸能信息的单元

图1 第一断面行程-时间变化曲线图

图2 第二断面车钩行程-时间变化曲线

图3 第三、四、五、六断面车钩行程-时间变化曲线

图4 各车辆速度-时间变化曲线

图5 各车辆位移-时间变化曲线

两列车以25 km/h相对速度相撞时，前端车钩在0.3 s时剪断，防爬器接触，防爬器压溃管开始吸能，列车总动能由4.47 MJ变为2.25 MJ，共吸能约2.22 MJ，如图6～图8所示.

图6 列车动能-时间变化曲线

图7 列车内能-时间变化曲线

图8 滑移能-时间变化曲线

3 结论

(1)基于碰撞接触分析技术，提出一种适用于轨道客车吸能系统设计阶段的能量分配分析方法.该方法的应用将缩短吸能系统方案的设计周

期，为后续编组列车有限元结构大变形碰撞接触分析条件提供理论依据；

(2)两列6辆编组地铁以25 km/h相对速度相撞时，在0.3 s时前端车钩剪断，防爬器接触，其压溃管开始吸能，共吸能约2 200 kJ；在0.78 s吸能结束时，车钩缓冲器、压溃管及防爬器都没有超出最大行程，各车辆以共同速度运行.

[1]王文斌，康康，赵洪伦．列车耐碰撞系统有限元和多体动力学联合仿真[J]．同济大学学报(自然科学版)，2011，39(10)：1552- 1556.

[2]ALEXANDER SCHOLES(英)．欧洲铁路碰撞技术的开发[J]．国外铁道车辆，1998(1)：23- 26.

[3]BRAUN JOHANNES，陈铭.有轨电车和轻轨车辆的防碰撞性[J].国外铁道车辆，2005,42(5)：39- 41.

[4]李健，沈钢．列车防碰撞装置及动力学仿真[J]．铁道车辆，2001，39(7):5- 8.

[5]赵海鸥.LS-DYNA动力分析指南[M].北京：兵工业出版社，2003.

[6]李本怀，王科飞，李成林．B型不锈钢地铁碰撞吸能研究 [C]．第八届中国智能交通年会论文集，2013.

Fast Analysis Method of Impact Energy Distribution for Railway Vehicle

LI Benhuai

(CRRC Changchun Railway Vehicle Co.，Ltd,Changchun 130062,China)

Based on LS-DYNA collision analysis technology, an approach energy distribution analysis method is proposed for railway vehicle at design stage. It can quickly match energy distribution scheme for vehicles when their weight, crushing force and stroke of energy absorbers are known. A six-units train with velocity of 25 km/h impacting a six-units static train will be calculated for their vehicles energy distribution by the method. The analysis results show that the method is feasible and effective.

railway vehicle; energy absorber; crashworthiness; crush stroke; energy distribution

1673- 9590(2017)01- 0026- 04

2016- 05- 13

高速列车谱系化技术平台及系列车型研制项目(2012AA112002)

李本怀(1978-)，男，高级工程师，硕士，主要从事车辆结构强度、疲劳、碰撞方面的研究

E-mail:lbh1008@163.com.

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