地铁车辆端部吸能装置碰撞仿真分析

姜焙晨 刘志祥 孟锰

摘 要：使用Hyperworks、Ls-Dyna软件对地铁车辆端部吸能装置组合进行时速25km撞击刚性墙仿真分析。其中，吸能装置组合主要有车钩缓冲装置、防爬吸能装置和端部吸能地板，该碰撞仿真参考标准EN 15227：2020《铁路应用-轨道车辆耐撞性要求》进行建模和评估。通过仿真计算得出碰撞过程中的能量变化，变形情况、吸能量以及碰撞力等指标，校核各吸能装置的耐撞性能是否符合设计要求。

关键词：地铁车辆；吸能装置；碰撞仿真；吸能量；碰撞力

中图分类号：TB     文献标识码：A      doi：10.19311/j.cnki.16723198.2023.04.101

0 引言

研究发现地铁车辆碰撞过程中初始动能主要被头车端部的吸能装置所吸收，因此端部吸能装置的吸能量直接影响地铁车辆的耐撞性能。端部吸能装置主要包括车钩缓冲装置、防爬吸能装置和端部吸能地板等。吸能装置碰撞试验成本高、周期长，难以满足车辆设计要求，依托Hyperworks、Ls-Dyna有限元仿真分析平台，搭建碰撞动力学模型，采用显示冲击动力学数值计算方法，进行耐撞性仿真分析可有效解决上述问题。

1 有限元模型

本文碰撞有限元模型涉及大变形和非线性等特点，因此前端大变形区域单元尺寸为10mm，后端台车等区域单元尺寸20mm。整个模型包括698350个单元和728131个节点。该有限元模型包括车钩缓冲装置、防爬吸能装置、吸能地板、台车、轨道和刚性墙。该模型中车钩缓冲装置的材料主要是Q355GNHD，防爬吸能装置的材料主要有Q355GNHD和焊接蜂窝铝等，吸能地板的材料主要有6A02和铝蜂窝，台车的主要材料是Q345。

1.1 车钩缓冲装置

在有限元模型中，车钩缓冲装置使用六自由度离散梁单元、球铰和圆柱铰来模拟车钩的点头、摇头和转动以及相应自由度的限位，通过119号材料（MAT_GENERAL_NONLINEAR_6DOF_DISCRETE_BEAM）分别输入压溃管和缓冲器的设计加载卸载曲线模拟车钩缓冲装置的吸能过程，车钩缓冲装置有限元模型如图1所示。

1.2 防爬吸能装置

在有限元模型中，防爬吸能装置使用实体单元（六面体）模拟焊接铝蜂窝结构，材料采用*MAT_26号材料，单个防爬吸能装置的设计变形稳态力约为350kN，防爬吸能装置有限元模型如图2所示。

1.3 吸能地板

吸能地板是铝蜂窝夹层结构，两端为3mm厚的6A02铝板，中间是19mm厚的铝蜂窝，该吸能地板厚度方向的強度是7MPa，车辆运行方向的强度是1.5 MPa，吸能地板有限元模型如图3所示。

1.4 材料参数

吸能装置的铝合金和钢材采用LS-DYNA中的24号材料（双线性弹塑性材料）进行模拟，需要定义材料的密度、弹性模量、泊松比、屈服强度等参数，该有限元模型的具体材料参数如表2所示。

1.5 接触定义

该碰撞有限元模型主要定义了如下两种接触方式：第一类接触：面面接触（车钩缓冲装置、防爬器吸能装置以及吸能地板与刚性墙之间，轮对与轨道之间）；第二类接触：单面接触（主要为防爬吸能装置和吸能地板部分）。

2 计算工况

本文碰撞仿真的计算工况为安装有轨道车辆端部吸能装置组合的台车在平直轨道上以25km/h的初始速度正面撞击刚性墙，碰撞质量合计24.965t，如图4所示。

3 计算结果

3.1 吸能装置变形

该碰撞工况初始速度25km/h，碰撞仿真时间为0.3s，碰撞过程中，车钩缓冲装置首先与刚性墙接触压缩吸能，当车钩压缩完全部行程并失效后，防爬吸能装置紧接着开始压缩变形吸能，0.01s后吸能地板也开始变形吸能，具体变形如图5-7所示。

3.2 碰撞速度变化

地铁车辆端部吸能部件组合碰撞过程中，由于初始动能逐渐转化为吸能装置的内能，其速度由初始的25km/h逐渐降低，最终在0.144s左右时降低为0，后续反向加速到1.5km/h时保持稳定，具体曲线如图8所示。

3.3 碰撞力

该碰撞过程中碰撞力主要由3部分组成即车钩缓冲装置、防爬吸能装置和吸能地板的碰撞接触力，具体的碰撞力-时间曲线如图9所示。

3.4 能量变化

该碰撞仿真过程中能量随时间的变化曲线如附图10所示。由图可知，初始动能为618 kJ，碰撞过程中共吸收能量588 kJ，主要由车钩缓冲装置、防爬吸能装置和吸能地板所吸收。具体的能量转化情况如表3所示。各吸能装置吸能量曲线如图11所示。

4 结论

通过对地铁车辆端部吸能装置组合碰撞仿真分析，得出如下结论：

（1）碰撞过程中，端部吸能装置组合都发生了显著地压缩变形吸能；

（2）碰撞过程中，初始动能逐渐转化为内能，导致初速度由25km/h逐渐降为0，后续反向加速到1.5km/h左右保持稳定；

（3）碰撞过程中，各吸能部件的碰撞接触力基本符合部件耐撞性设计要求；

（4）碰撞过程中，能量变化符合碰撞工况实际情况，且初始动能主要被端部吸能装置吸收，满足地铁车辆端部吸能需求。

综上所述，地铁车辆端部吸能装置组合满足地铁车辆耐撞性能要求。

参考文献

[1]许平，王军.高速列车结构安全防护理论与技术[M].北京：中国铁道出版社有限公司，2021.

[2]王钰栋.HyperMesh& HyperView应用技巧与高级实例[M].北京：机械工业出版社，2012：79103.

[3]伞军民.列车吸能结构碰撞仿真与分析[D].大连：大连交通大学，2009.

[4]吕庆艳.铝型材地铁车车体耐撞性分析及吸能结构最优设计[D]. 大连：大连交通大学，2007.

[5]侯淑娟，龙述尧，李光耀，等.材料参数对车身吸能元件抗撞性影响的数值分析[J].汽车工程，2008，30（5）：416419.