一种轨道车辆吸能端墙结构设计方法

姜青霞

摘要：车辆碰撞变形时能量吸收的吸能结构是以研究车体端墙为主吸能端墙结构;车辆在正常运行时，车体不仅要有足够的强度和刚度来满足相关规范规定要求外;车辆发生碰撞时，车体还要有一定的吸能结构，即能沿着预设方向产生塑性大变形来吸收列车撞击时所产生的冲击动能，保证车体乘客区内的乘客的人身安全和此区域设备尽可能不被破坏，还可延缓其碰撞时间，降低撞击瞬间的速度，使冲击速度能够降低到人体所能够承受的范围内。本文主要介绍了一种轨道车辆车体端墙结构吸能的设计方法。

关键词：轨道车辆;吸能端墙;设计方法

前言

近年来，随着我国铁道车辆制造业迅速发展，已陆续向阿根廷、伊拉克、伊朗、孟加拉、等多个国家和地区批量出口铁路客车。在出口这些车辆中所要求的技术条件制定中，客户要求客车车体的设计标准采用国际铁路联盟标准UIC566《客车车体及其零部件的载荷》，替代了我国铁道行业标准TB/T1335《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》。

UIC566与TB/T1335相比，车体不仅要有足够的强度和刚度来满足车辆在正常运行时相关规范规定要求外;车体还要有一定的吸能结构，即当车辆发生碰撞时，能沿着预设方向产生塑性大变形来吸收车辆撞击时所产生的冲击动能，保证车体乘客区内的乘客人身安全和此区域的设备尽可能不被破坏，还可延缓其碰撞时间，降低撞击瞬间的速度，使冲击速度能够降低到人体所能够承受的范围内。

目前，很多车辆主要的吸收和释放车辆在运行过程中所产生能量是通过联挂车钩自身带的液压、橡胶、弹性胶泥缓冲器等部件来完成，而对于使用链子钩的车辆只能通过在底架端部增加侧缓冲器来解决吸收和释放这些能量，而UIC566标准对客车不但有较高强度的要求，同时对车体端部的耐撞性也有明确的要求，显然将底架端部设计吸能功能是难满足其强度标准需要，为了保证车体既要满足高强度要求，还要满足其吸能要求，这样车体的端墙作为吸能结构来研究是急需考虑和解决的问题。而本文主要研究当车辆碰撞变形时所产生能量的吸能结构，是以车体的端墙为主的吸能端墙结构，即列车在正常运行及制动情况下，此吸能端墙结构既要有良好传递纵向力的性能，当列车发生撞击时，还要能发生塑性大变形用来吸收这个冲击能，从而满足车体碰撞吸能的要求。

吸能端墙结构的设计方法

吸能端墻是承载的吸能结构，将吸能端墙结构设计成两层，为了防止主车体发生大变形，造成旅客伤害，需要将靠近客室内端墙的结构其强度、刚度设计比较强大，来满足列车正常运行及制动情况下，具有良好的传递纵向力性能;而外端墙强度、刚度设计相对较弱，在发生撞击事故时，让外端墙，及到内端墙中间这个区域产生塑性大变形来吸收大的冲击能量。

根据吸能端墙结构的这种设计理念可以通过以下几种方法来实现。

吸能端墙碰撞变形能量吸收区域设计成一个独立模块化部件，最后与车辆底架、侧墙、顶组焊在一起;

由于吸能端墙的外端墙与内端墙的强度、刚度不一致，会造成外端墙弱强度部分的应力远大于内端墙高强度那部分应力，导致弱强度那部分外端墙应力产生的比较集中，为了解决局部应力过大问题，需在内端墙结构与外端结构中间部分可增设缓冲结构，让其缓慢过度，即可在其中间布置多根安装梁，使这些安装梁的刚度介于强外端墙结构与弱内端墙结构之间，使着吸能端墙整体的纵向刚度能够逐渐减弱，即从大、中、小的方式逐渐过渡，而不是直接设计到弱刚度。

吸能端墙的外端墙与内端墙过渡区域的安装梁上开设长圆孔，当列车发生碰撞事故时，在安装梁上近长圆孔周围的应力会急剧增加，造成安装梁弯曲失稳，随着碰撞作用力加大，在安装梁弯曲失稳处会继续加大变形，最终将安装梁压成皱褶;为了吸能端墙在发生变形时，能够按照设计预设的顺序有序进行，在安装梁上同一位置处开始大小不同的长圆孔，想让其先变形地方长圆孔应开大一些，后变形地方长圆孔可开小一些，当发生碰撞时，大长圆孔安装梁结构强度相对较弱，因而先发生皱褶变形。这样在撞击过程中时，吸能端墙所产生的变形和大小及方向都能够按预设有序的变形，其变形是稳定的和可靠性的;同时在安装梁上开孔又减轻了吸能端墙的自重，提高了比耗能。

将外端墙与内端墙过渡区域的安装板设计成波纹板，当列车发生碰撞事故时，随着撞击力的作用，波纹板与安装梁的孔一起，引导吸能端墙变形沿着预设方向有序的、稳定的发生塑性变形。

绘制吸能端墙结构三维模型，然后通过Hypermesh进行几何模型处理、网格的划分和边界条件的设定，通过LS–DYNA对车体端部结构进行碰撞分析计算验证，并对吸能端墙结构进行优化，最后将吸能端墙结构融入整体结构中进行列车级的碰撞计算分析。

吸能端墙结构使用不锈钢材料，通过静态强度和碰撞吸能的综合仿真分析，通过调整吸能端墙骨架结构、安装梁的厚度，即调整吸能结构所受平衡载荷和压溃距离（E=FS），使得吸能端墙的压溃变形按照一定的次序稳步进行，满足列车在高速运行状态下碰撞时吸收最大程度的能量，保护乘客的生命安全。

结论

本文提供一种既能在常态下承载和传递一定要求静态载荷，又能在特殊情况下可压溃性的吸能端墙结构，用以在吸收碰撞过程时产生较大的冲击能量，且还让车辆按照设计的需要进行有序的发生变形，即在中间客室部位等重要区域发生弹性小变形，在车辆的次要部位发生塑性大变形，对有效的实施被动安全保护具有重要的意义，同时为后续其它的项目提供借鉴意义，提高项目开发效率;对符合UIC标准要求既要保证正常运行传递载荷，又要保证在碰撞变形产生能量的吸收车体端墙结构进行了进一步的研究。

参考文献

田红旗.客车列车耐冲击吸能车体设计方法[J].交通运输工程学报，2001，1（1）：110–114.

高阳.谢素明，李革，兆文忠.基于UIC566的客车车体设计[J].铁道车辆，2008，46（5）：15–41.