新孟买地铁车辆的耐撞性能探究

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摘要:以新孟买地铁车辆为研究对象，通过对车端吸能部件进行准动态试验获得吸能部件力－位移曲线，以该曲线作为碰撞仿真模型吸能单元的参数输入，建立六节编组完整列车碰撞仿真模型，对六节编组列车单元以25km/h速度撞击相同列车单元进行仿真研究。基于15227标准，对数值仿真结果进行评估，分析了碰撞中列车各车辆间的作用力、车体塑性变形、速度、加速度以及各吸能部件的能量吸收等参数，实现了对新设计列车碰撞被动安全性能的评估。

关键词:城轨车辆;有限元模拟;碰撞

0引言

整列车模型建立由于计算机条件的限制与模型复杂性，列车正面碰撞主要通过以下两种简化方式建模:①利用能量等效原则将两列车正面碰撞转化为单列车与刚性墙碰撞。②建立头车正面碰撞模型，其余车采用集中质量点代替。上述列车模型在碰撞仿真中对钩缓装置过度简化，忽略了中间车钩与其他车体在碰撞过程的吸能，不能够对所有车厢进行碰撞安全性评估，具有一定局限性。本文结合实际工程项目，建立完整六节编组高度非线性碰撞有限模型。

1碰撞仿真模型的建立

1．1车钩建模

新孟买项目全自动头钩缓冲吸能由EFG3与可恢复的缓冲器组成，建立的全自动车钩有限元模型，EFG3与缓冲器采用梁单元模拟，赋予Mat119号材料，其余结构采用赋予实际车钩相同材料的实体单元模拟。

1．2车体建模

车体采用4节点壳单元对主结构进行离散，焊点通过3－D梁单元模拟。空调机组、主变流器、辅助变流器等大质量部件和其余均布质量均以质量单元模拟，代表大质量部件的质量中间半永久车钩由半永久车钩A与半永久车钩B组成，通过铜套卡环连接，A、B两侧牵引装置设有EFG3，半永久车钩一侧装有压溃管，另一侧装有可恢复的缓冲器，中间车钩建模思想与全自动车钩类似，EFG3、压溃管、可恢复缓冲器采用实体单元模拟，其余结构采用实体单元模拟，半永久车钩A与半永久车钩B的连接在有限模型通过节点合并实现。

1．3转向架建模

转向架采用刚形体代替，通过设置重量、重心位置、转动惯量使其与实际转向架重量特性保持一致。转向架与车体采用带有弹性功能的橡胶材料模拟，通过合理设定橡胶材料参数能够模拟车体相对转向架的垂向跳动，在正面碰撞中防爬器啮合后能够计算出车轮相对轨面的垂向的跳动，以此来分析列车在正面碰撞中防脱轨性能.单元与车体安装座的连接和车体与转向架的连接通过刚性梁单元连接。

1．4碰撞模型组装

列车为六节车编组，即2个DMC车、2个TC车、2个MC车，中间车通过半永久车钩连接，全自动车钩安装在头车上。车钩吸能部件实际吸能行程由车钩实体单元之间的距离控制，建立的车钩有限元模型能够较好模拟气液缓冲器、EFG3、压溃管压缩至极限行程后车钩之间的刚性碰撞，车钩重量可以通过调节实体单元密度来实现，全自动车钩与车钩板通过带失效模式的固联接触连接，该连接方式适当设置计算参数可以较好模拟车钩在极限剪切力作用下车钩的失效.ση、σS—分别为接触单元实际计算所得垂向与剪切应力。NFLS、SFLS—分别为设置的垂向与剪切失效应力。中间车采用固连接触将车钩实体单元与车钩板板壳单元耦合，采用固连接触能够方便提取各车车钩的接触力以及个车钩板应力分布情况，为车钩板优化设计提供依据。为方便数据观察，运动列车标记为trainA，静止列车标记为trainB.

2计算结果与分析

2．1变形

最大塑性变形为0．064，头车非碰撞区域未发生永久变形，整个底价边梁未发生摺叠。车体侧边梁和车体中心线沿着车体纵向(车长20787mm)的压缩变形最大相对量分别为0．016%和0．017%，小于EN15227规定的1%要求。

2．2能量

随着碰撞进行动能转发为内能，在碰撞至T=0．5S时内能达到最大，此时所有吸能部件压缩至极限位置，达到吸能最大容量，动能降至最低，随后车钩可恢复缓冲器与EFG3单元释放内能，整个系统内能降低，内能转发为动能，从而动能增加。图10为吸能结构吸收能量情况，从中可见，吸能装置吸收碰撞能达91%，其余内能由车体变形吸收，车体变形能有1/3由司机室端部的吸能结构所吸收，碰撞能主要由吸能装置和司机室吸能结构所吸收。

2．3车钩与防爬器行

程与接触力防爬器接触力与行程变化曲线。运动列车与静止列车发生碰撞后，各车钩接触力基本对称。选运动车作为分析对象，在0．06s时，全自动车钩EFG3与可恢复缓冲器压缩至极限行程，车钩刚性接触，碰撞力急剧增加，当碰撞力达到车钩剪段装置设定剪段力时，车钩剪段失效。此时防爬器开始接触，接触力迅速上升至压溃管的工作所需的压溃力。压溃管开始吸能，此后中间车钩依次达到车钩最大行程，接触力依次增加至中间车

2．4速度与减速度

运动列车以25km/h(6．994m/s)速度正面碰撞一列静止列车，从曲线可以看出两列车各节车速度与加速度基本一致，选运动车作为分析对象，在T=0．22S时两列车头车速度达到一致的3．495m/s，直至碰撞结束。运动车头车平均减速度为:a==Δυ/Δt=(6.994－3.495)/0.22=15．89m/s2=1．6g满足EN15227碰撞标准，碰撞情形I(两个相同列车单元之间的前端冲击)下的平均加速度小于5g。随着碰撞持续运动车从第二节至第六节速度依次降低，运动车从第二节至第六节速度依次增加，在T=0．9S时，两列车所有车厢速度基本一致。此刻整个系统动能降至最低，所有车钩不再压溃，内增增加至最大。在T=0．9S后车钩EFG3与可恢复缓冲器回弹，内能缓慢降低，动能缓慢增加，静止车从二节至六节速度依次增加，运动车从第一节至第六节依次降低，随后两列车分离，整个碰撞结束。

3结语

通过仿真结果表明该车在25km/h速度撞击相同列车情况下，吸能装置吸收大部分碰撞能量，其余内能由车体变形吸收，车体变形能有1/3由司机室端部吸能结构所吸收，车端结构最大塑性变形为0．064，车体主结构完整，客室没有发生破坏，满足车辆的相关碰撞要求。

参考文献:

［1］林耀．跨座式列车车体耐撞性研究［J］．机械设计与制造，2017(11)．

［2］雷成．轨道车辆耐撞性能研究进展［J］．铁道学报，2013(10)．

［3］EN152272008车体防撞性要求中文［S］．

作者:杨红波 王赵华 李涛 单位:中车株洲电力机车有限公司 产品研发中心