缓冲装置对有轨电车碰撞行为研究

张佳慧,许鹏飞,张竹林,蔡 华,吴 兵,唐 强

（1. 苏州高新有轨电车集团有限公司,江苏 苏州 215000; 2. 苏州大学轨道交通学院,江苏 苏州 215131）

0 序言

有轨电车在城市中运行时，时常遇到因为各种意外情况进入轨道限界的物体，从而发生交通事故导致车辆损坏，严重时甚至司机和乘客的人身安全得不到保障[1-3]。而缓冲装置是有轨电车的重要组成部分，用来连接有轨电车的各车辆，传递和缓冲轨道纵向冲击力，因此研究缓冲装置在有轨电车运行过程中发生碰撞行为时的作用，对有轨电车缓冲器的吸能参数选择是否安全，具有重要现实意义[4-5]。该文采用有限元仿真分析方法，研究缓冲器不同刚度和阻尼对有轨电车与一般轿车发生碰撞的影响。

1 有轨电车与乘用汽车碰撞模型

图1显示的是采用ANSYS/LS-dyna建立的有轨电车与小汽车碰撞有限元模型，模拟不同速度的小汽车与有轨电车的碰撞情况。在该有限元模型中，小汽车沿X方向或与X方向成一定夹角去撞击有轨电车，有轨电车运行方向始终与Z轴平行，车头朝着正方，Y轴与地面垂直。

图1 小汽车与有轨电车的碰撞有限元模型

由于主要是分析小汽车与有轨电车整体碰撞情况，因此在建模过程中忽略掉小汽车与有轨电车内部设置，分别整体赋予小汽车和有轨电车材料为钢材和铝合金。小汽车和有轨电车均采用8节点六面体单元来模拟，最大单元尺寸3 cm。有轨电车网格如图2所示，最大单元尺寸为4 cm。整个有限元模型共有节点数544 862和单元数544 605。

图2 有轨电车局部网格划分展示

小汽车与机车车辆的碰撞采用显式有限元仿真算法，即采用中心差分法。在已知的边界条件下，位移已知，顺序地运算应变-位移方程、本构方程和节点方程，可以确定节点力。依此类推，可以达到整个碰撞过程整个时间域的位移，从而得到应变。

2 碰撞工况

根据调查，有轨电车与小汽车发生碰撞一般发生在轨道和马路的交叉路口，发生原因一般是小汽车未按交规行驶抢先进入道路。在此路段碰撞速度一般不会太高，有轨电车速度采用40 km/h、70 km/h、100 km/h，小汽车静置在道路上，仿真模拟了不同速度下的碰撞结果。此外，为研究不同缓冲器刚度和阻尼对碰撞的影响效果，这里分别采用6种不同的阻尼和弹簧刚度进行仿真，缓冲器弹簧刚度选择1 kN/m、5 kN/m、10 kN/m、30 kN/m、50 kN/m、70 kN/m，缓冲器阻尼设置选择0.3 kN/(m/s)、1.5 kN/(m/s)、3 kN/(m/s)、7 kN/(m/s)、11 kN/(m/s)、15 kN/(m/s)，碰撞工况如表1所示。

表1 有轨电车与小汽车碰撞工况

3 有轨电车碰撞仿真结果

有轨电车在和小汽车发生碰撞时，由于电车质量远大于小汽车，所以小汽车受到的损伤常常更加严重。对于不同缓冲器的作用效果，就有限元仿真模型而言，可以查看车头碰撞位置处的应力大小，同时可以通过小汽车被撞击时的加速度大小来评判撞击的严重程度。

图3~4分别显示了不同速度下的有轨电车发生碰撞时的纵向冲击力和加速度，结果显示速度越高，对小汽车的冲击力越大。

图3 不同速度下的Z向冲击力

图4 不同速度下小车参考点的Z向加速度

图5分别显示了不同弹簧刚度和阻尼不同时刻的碰撞结果车头表面的应力大小结果，结果显示车头缓冲器的弹簧刚度和阻尼对车头撞击后的表面应力大小基本没有影响。

图5 不同弹簧刚度和阻尼车身应力大小

图6分别显示了不同弹簧刚度和阻尼对发生碰撞后小汽车加速度大小的影响。结果显示车头缓冲器的弹簧刚度和阻尼对撞击后小汽车的加速度基本没有影响。

图6 不同弹簧刚度和阻尼对小汽车加速度的影响

4 结论

该文以有轨电车—小汽车碰撞为研究对象，采用显式有限元仿真算法，即采用中心差分法模拟预测了有轨电车碰撞小汽车的场景，通过仿真不同速度以及不同车头弹簧刚度和阻尼的有轨电车碰撞小汽车，探究缓冲装置对有轨电车的碰撞影响。得出以下结论：

（1）不同速度下的有轨电车对小汽车的碰撞损伤程度不同，速度越快，撞击的冲击力越大，速度提高30 km/h，冲击力峰值大小提高7e10。

（2）车头缓冲器不同弹簧刚度和阻尼对碰撞结果的影响相差不大，但仍旧可以考虑其对有轨电车碰撞的影响。

（3）有轨电车经过车辆道口时，应该减小速度行驶，最高速度不超过40 km/h。