侵入物高速撞击下铰链式动车组的安全性

朱卫 张海 岳译新 苏永章 张宸瑜 付耿哲

摘要：  为探究侵入物高速撞击下铰链式动车组的安全性，在实物三维扫描重构的基础上，构建一种新的活体三维有限元层叠模型，并在LS-DYNA中进行摆锤侧面碰撞分析验证;通过铰链式动车组与活体在110 km/h速度下的碰撞仿真计算，讨论动车组运行的安全性以及吸能装置的可靠性。结果显示：活体的有限元层叠模型既能保证计算精度，又能提高计算效率;在110 km/h的碰撞速度下，车体加速度为0.117g，轮对抬升量为0.238 mm，车钩每5 m长度的压缩量最大约为1.89 mm。各项指标都低于EN 15227标准，动车组行车安全性没有受到影响，吸能装置也能可靠工作。

关键词：  轨道; 活体侵入物; 耐撞性; 铰链式动车组; 吸能装置

中图分类号：  U270.12; TB115.1文献标志码：  B

收稿日期： 2021-10-17修回日期： 2021-11-05

基金项目：  国家自然科学基金资助项目（51865009）;江西省自然科学基金资助项目（20192BAB206022）

作者简介： 朱卫（1983—），男，湖南株洲人，工程师，硕士，研究方向为城轨车辆车体研发，（E-mail）zhuwei19830503@163.comSafety of articulated EMU

under high-speed impact of invader

ZHU Wei1，2， ZHANG Hai3， YUE Yixin1，2， SU Yongzhang1，2，

ZHANG Chenyu3， FU Gengzhe3

（1. The State Key Laboratory of Heavy Duty AC Drive Electric Locomotive Systems Integration， Zhuzhou 412001， Hunan， China;

2. CRRC Zhuzhou Locomotive Co.， Ltd.， Zhuzhou 412001， Hunan， China; 3. Key Laboratory of Conveyance and Equipment of

the Ministry of Education of China， East China Jiaotong University， Nanchang 330013， China）

Abstract： To explore the safety of the articulated EMU under the high-speed impact of invader， a new three-dimensional finite element stack model of the living invader is constructed based on the reconstruction of the physical three-dimensional scanning， and the analysis and verification of pendulum side impact is carried out in LS-DYNA. The simulation calculation of impact between the articulated EMU and living body at speed of 110 km/h is done， and the safety of the EMU operation and the reliability of the energy absorbing device are discussed. The results show that the finite element stack model of the living body can not only ensure the calculation accuracy， but also improve the calculation efficiency. At impact speed of 110 km/h， the acceleration of the EMU is 0.117g， the lift of the wheelset is 0.238 mm， and the maximum compression of the coupler length per 5 m is about 1.89 mm. All indexes are lower than the EN 15227 standard， the safety of the EMU operation is not affected， and the energy absorbing device can also work reliably.

Key words： rail; living invader; crashworthiness; articulated EMU; energy absorbing device

0引言列車运行安全一直是铁路运输的重中之重。随着列车运行速度的不断提高，列车发生碰撞事故的概率也逐渐增大，一旦发生碰撞事故，后果不堪设想[1]。英国最早开始进行轨道交通碰撞安全性的研究[2]，提出以可控大变形方式吸收碰撞能量的耐撞性车体结构设计方法，在自制试验台上对车体端部进行准静态冲击试验和2列全尺寸列车的正面头对头碰撞试验。在欧盟资助下，欧洲开展一系列铁路安全研究项目，并于2007年颁布列车碰撞安全标准，推动车辆设计的改进。国内的中南大学、西南交通大学、中国铁道科学研究院等科研院所，也先后进行列车碰撞动力学模型对列车碰撞过程中的响应行为[3]、车间连接装置的有限元仿真模拟方法[4-5]以及碰撞过程中乘客二次伤害安全性[6]等关键问题研究。中车青岛四方、中车长春客车等企业也在列车碰撞实物试验上达到国际先进水平，分别完成76 km/h列车实车车辆级对撞试验和2列8车编组高速动车组碰撞试验。列车的碰撞仿真研究一般早于碰撞试验，相比于碰撞试验，碰撞仿真的经济性和可重复性更好[7]。为探究侵入物高速撞击下铰链式动车组的安全性，在实物三维扫描重构的基础上，构建一种新的活体（本文以牛为研究对象）三维有限元层叠模型，并通过铰链式动车组与活体在110 km/h速度下的碰撞仿真计算，探讨动车组运行的安全性以及吸能装置的可靠性。

1活体侵入物三维重构构建活体侵入物的有限元模型，需要有高度相似的几何外形和较为准确的结构。逆向工程设计是实体三维快速重構的重要方法，在医学临床诊断或生物医学工程领域，活体结构三维重建常利用CT和MRI数据进行处理[8]。

1.1活体侵入物点云数据获取及处理本文使用德国ATOS光学扫描仪，对牛进行实物扫描，获取牛的外形轮廓点云数据（见图1），牛的外形轮廓尺寸为：长2 044 mm、宽650 mm、高1 320 mm，质量600 kg。

在对牛的点云数据进行过滤处理后，使用多边形网格进行三角化封装，得到牛的网格模型，见图2。

1.2不同部位模型分割及曲面重构依据牛的外形结构，将牛的网格模型分割为躯体、耳朵、腿以及鼻子等部分，并生成对应的NURBS曲面模型。牛的躯体、耳朵、腿以及鼻子的网格模型和曲面模型见图3。

2牛的三维有限元层叠模型构建从生物解剖学结构上讲，牛由肌肉、骨骼、器官以及其他组织构成。在进行生物体损伤研究时，有限元模型不仅需要在几何上与实际解剖结构一致，而且应能准确模拟各种关节及连接部位的力学性能，各部位采用的材料特性也应与生物体一致[9]。在高速碰撞下，牛的存活概率极低，故不用考虑牛的损伤，不需要对牛进行器官级的建模。

2.1三维有限元层叠模型的网格建立对碰撞过程没有影响或影响不大的一些局部结构，可以进行适当简化，如忽略模型中的内脏等。将牛的骨骼简化为紧贴肌肉组织的一层有厚度的实体薄壳，并删除一些倒圆、倒角和圆孔等。简化的牛三维有限元层叠模型见图4。

将牛的肌肉组织、骨骼等作为实体结构，使用三维实体单元SOLID164进行网格划分，单元尺寸设置为10 mm×10 mm;牛的头部、耳朵壳体使用薄壳单元SHELL163进行网格划分，单元实常数厚度设置为1 mm;碰撞模型中没有建模的大型组织使用MASS166进行网格划分。单元总数为172 118个，单元类型及常数见表1，牛三维有限元层叠模型见图5。

牛的全身骨骼，包括肋骨、脊柱和胸骨等，选用弹塑性材料模拟，在LS-DYNA中选用MAT-03材料。在骨骼材料中设定失效塑性应变模拟骨骼破坏，可以保证当应变达到极限时，通过删除单元以模拟骨折。皮肤与肌肉等采用线弹性材料本构模型。各组织的材料模型参数见表2，主要硬骨弹塑性材料参数见表3，胸腹部组织线弹性材料参数见表4。

碰撞是典型的大变形问题，由于动物体模型复杂，表面众多，在碰撞过程中相近的表面都可能由于变形而发生接触，且哪些表面发生接触事先无法预知，因此接触类型应定义为自动单面接触。

2.2层叠模型的摆锤侧碰仿真验证用LS-DYNA对创建的牛的层叠模型进行摆锤侧碰仿真分析验证。参考Viano在1989年的尸体摆锤碰撞试验，摆锤为一圆柱形物体，直径为150 mm，质量为23.4 kg，碰撞速度为6.7 m/s，碰撞总时长为50 ms[10]。摆锤的弹性模量E=0.1 GPa，皮肤、肌肉与摆锤的接触类型为自动面-面接触，摩擦因数为0.3;骨骼与肌肉的接触类型为滑动不分离面-面接触，摩擦因数为0.3;整个牛的组织采用自接触，摩擦因数为0.2。牛的侧面与摆锤撞击仿真接触示意见图6。

在LS-DYNA中进行仿真计算，设置计算总时长为31 ms。摆锤以6.7 m/s的初速度冲击牛的侧面时，速度与时间历程曲线见图7。摆锤接触牛后受到阻挡，速度迅速下降，牛的躯体吸收摆锤碰撞产生的能量，并通过躯体皮肤、肌肉以及骨骼的变形吸收能量;当速度变为0后，摆锤产生的能量被躯体充分吸收，这时牛的肌肉、骨骼产生一定的回弹，摆锤反向移动，速度上升到约1.9 m/s。

碰撞各时刻牛的应力云图见图8。在碰撞过程中，首先肌肉组织出现较大应力，并有大量单元失效被删除，肌肉组织逐渐被破坏;然后在牛的左侧骨骼上部分区域出现较大应力，伴随着部分单元失效被删除，表明此处发生骨折的风险较大。

活体模型撞击力-时间曲线见图9，活体模型撞击力-位移曲线见图10。与文献[8]中的人体试验结果和仿真计算结果相比，响应曲线一致性均较高。人体摆锤撞击试验的最大撞击力为4.3 kN，与模型仿真计算结果相差16.3%，撞击力与文献存在差异的原因是层叠模型的材料参数不一致，但数值偏差在允许范围内。

3列车有限元模型的建立铰链式EMU为出口欧洲的一种具有高性价比的高速动车组，设计时速为160 km/h，整车为6节编组，包括1节头车、1节尾车、4节中间车，车上的设备质量通过增加质量点进行配重处理，总质量为209.335 t[11]。列车的有限元模型见图11，模型包含1 849 745个节点、2 019 890个单元，其中壳单元1 833 721个、三维实体单元342 215个、质量单元44个、弹簧单元81个、节点刚体126个、梁单元64个、柔性连接单元7个。

车间铰链连接设置见图12，通过耦合接触单元并添加弹簧单元，实现车体之间的连接。

防爬器底部通过梁单元与车体前端的节点耦合，实现防爬器与车体的连接，见图13。同时，防爬器内外壁设置为自动面-面接触，实现碰撞时的变形吸能。

车钩底部通过梁单元与车体前端的节点耦合。与防爬器不同，车钩单元类型采用非线性的六自由度梁单元，见图14。

排障器使用实体单元建模，但与车头螺栓的连接采用梁单元模拟，见图15。

4列车与牛的碰撞仿真分析依据EN 15227标准[12]，设置列车与牛碰撞的工况：列车以110 km/h速度与车前轨道上静止的一头600 kg牛发生正面碰撞。列车能量随时间变化的曲线见图16，车体初始动能为9.803×104 kJ，在碰撞过程中，车体通过弹塑性变形吸收能量，使动能转化为内能;在碰撞结束后，车体动能为9.754×104 kJ;沙漏能远小于总能量的5%。

EN 15227标准规定机车的纵向加速度不能超过5g。车体加速度变化曲线见图17，可知车体最大加速度仅约为0.117g，远低于5g。

列车头车的一位转向架的一位轮对抬升最大。其抬升量变化曲线见图18，轮对最大抬升量为0.238 mm，未超过轮缘名义高度（28 mm）的75%，满足EN 15227标准中关于爬车风险评估的要求。

为评价车钩变形情况，在车钩上取1对节点（相距1.35 m，见图19（a）），车钩变形量由节点对的纵向位移差确定，图19（b）为车钩变形曲线，最大变形为0.51 mm，即每5 m空间长度的压缩量最大约为1.89 mm，远小于标准允许的50 mm。图20为车钩受力变化情况，从图20（b）中可知，车钩最大受力達到242 kN，低于列车最大允许车钩力1 000 kN。

5结论（1）层叠模型的碰撞响应与实际的人体试验结果以及文献仿真计算结果接近，可以保证计算精度;同时模型简化动物体复杂的生物结构，计算效率较高。（2）由于模型的肌肉组织与骨骼之间采用点与点硬连接关系，导致在发生碰撞的过程中碰撞力并未从肌肉沿着各个节点传送到骨骼上，导致肌肉组织受到的应力过大（达到屈服极限），使肌肉单元失效，在后续研究中可以对本文模型进一步优化。（3）动车组以110 km/h速度与车前轨道上一静止的600 kg活体侵入物发生正面碰撞后，车体加速度为0.117g，远低于碰撞标准要求的5g;轮对抬升量为0.238 mm，对动车组行车安全性没有影响;车钩每5 m空间长度的压缩量最大约为1.89 mm，远小于标准允许的50 mm，车钩最大受力达到242 kN，低于列车最大允许车钩力1 000 kN，吸能元件能可靠工作。参考文献：

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[12]欧洲标准化委员会. 铁路应用—铁路车辆车体的防撞性要求： EN 15227—2020[S].（编辑陈锋杰）