新型高速動車組碰撞仿真分析

熊 力,沈立偉,高國燕,王秀丹,閆文云,沈體強

(中車唐山機車車輛有限公司,河北 唐山 063035)

高速動車組由8輛編組而成,編組方式為:-Tc+M+Tp+M+M+Tp+M+Tc-,+為半永久車鉤,-為全自動車鉤和防爬吸能裝置,如圖1所示。

圖1 高速動車組編組布局

動車組基本技術參數如表1所示。

表1 動車組基本技術參數

1 車體結構

車體為鋁合金材質,由底架、側墻、端墻、車頂和司機室等組成,采用大斷面鋁合金型材焊接整體承載,承受垂直、縱向、橫向、扭轉等載荷。車體結構按照標準EN 12663:2000《鐵路應用 軌道車輛車體結構要求》[1]中關于P-Ⅱ級靜強度的要求進行設計,滿足最大縱向壓縮載荷1 500 kN和最大縱向拉伸載荷1 000 kN的承載要求。頭車車體結構如圖2所示。

圖2 頭車車體結構示意圖

2 防爬吸能系統裝置

動車組的質量沿縱向對稱分布。以Tc01車輛為碰撞端研究對象,在動車組1位端設計了壓潰吸能、防爬裝置,如圖3所示。當兩列車發生碰撞時,自動車鉤接觸并自動連掛,同時防爬吸能系統中的各個裝置按順序壓潰,車鉤緩沖器完全壓縮吸能后,車鉤后置壓潰管開始壓潰吸能動作;車鉤后置壓潰管完全被壓縮后,車鉤安裝板在碰撞力的作用下,剪斷剪切螺栓,車鉤安裝板后面的主吸能塊開始壓潰吸能;車鉤安裝板后退一定行程后,兩車防爬齒發生接觸,防爬齒的后置壓潰管發生作用,與主吸能塊協同動作直至壓實,完成整個防爬吸能系統的壓潰吸能。

圖3 防爬吸能系統裝置

3 鉤緩裝置簡介

動車組的車鉤分為自動和半永久兩種形式。自動車鉤牽引裝置通過緩沖裝置和壓潰管來吸收連掛和撞擊的能量。半永久車鉤由帶壓潰管半永久車鉤和帶緩沖器半永久車鉤兩個大部件組成,通過緩沖裝置和壓潰管來吸收連掛和撞擊的能量。自動車鉤和半永久車鉤的功能參數如表2所示。

表2 自動車鉤和半永久車鉤的功能參數

4 車體材料

車體各部位采用了符合標準TB/T 3260.4—2011《動車組用鋁及鋁合金 第4部分:型材》[2]的鋁合金材料。其中,側墻、車頂、地板和邊梁部位的型材主要應用了6005A-T6,牽枕緩部位所用材料是6082-T6,司機室蒙皮所用材料是6008-T6,板材所用材料是5083-H111[3]。鋁合金材料的彈性模量為70 GPa,泊松比為0.29,力學性能參數如表3所示。

5 仿真分析的建模

按照標準EN 15227:2008+A1:2010《鐵路應用 鐵路車體的防撞性要求》[4]中關于C-Ⅰ類型車輛車體的耐撞性要求,評估整列車在各個碰撞工況下的加速度、防爬性能、乘客和司機的逃生空間等,并核實各級吸能裝置在碰撞過程中的行為以及與車體司機室結構的匹配性。

在建立碰撞仿真模型時,動車組碰撞安全防護設計的主體為Tc01車體1位端的防爬吸能系統裝置。在發生意外碰撞時,防爬吸能系統裝置在吸收碰撞能量的同時,使碰撞力分散傳遞給第1節車廂車體結構,再通過帶有壓潰管的半永久車鉤,把碰撞力限制在給定范圍內向第2節、第3節及后續車廂傳遞,使整列車滿足碰撞安全防護的變形要求。

因此,在建立有限元模型時,取動車組前3節車廂為本次碰撞仿真的對象。對前3節車廂車體結構進行建模,整體上采用4節點等參殼單元完成非一致化網格剖分,車體易屈曲部位采用典型長度為10 mm的局部網格細化,以保證撞擊仿真過程中的準確性與真實性。頭車車體結構的有限元網格[5]示意圖如圖4所示。

在對前3節車廂車體結構進行建模時,關注對大質量部件(如空調、轉向架)的結構影響,并保障車廂的重心位置與動車組車輛結構保持一致。對第4節及第5節車廂車體結構進行簡化,以4節點等參殼單元進行劃分,殼單元的尺寸(長度)在結構部件中的典型長度為250 mm,并在重心位置用剛性質量點輔助描述車體的質量、慣性矩等結構特征。

Tc01車體1位端的防爬吸能系統裝置和連接各節車體的鉤緩裝置采用一維單元建模,單元的縱向吸能特性在與相應的吸能裝置的壓縮動態響應特性相一致的條件下,通過相應的載荷特征曲線(壓縮行程-壓潰力曲線)來反映相應裝置在碰撞壓縮期間的吸能特性。

6 碰撞仿真計算工況與評估要求

6.1 碰撞仿真計算工況

根據標準EN 15227:2008+A1:2010中對C-Ⅰ類型的碰撞工況要求,對動車組的碰撞安全情況進行仿真計算,以正常運行狀態下的車輛整備質量為列車的碰撞質量。動車組列車各節車廂的車輛質量信息、載客信息等如表4所示,其中每位乘客的質量定義為80 kg。

表4 列車各車體的質量信息

對動車組耐碰撞性能的考察與評估,按照標準EN 15227:2008+A1:2010中C-Ⅰ類型等級下的3種碰撞工況進行:

(1) 工況一:兩列相同編組列車,靜止列車停于平直軌道沒有制動,運動列車以36 km/h速度撞擊靜止列車。此外,為了考察列車碰撞中的防爬性能,靜止列車設定在低于運動列車40 mm的位置。

(2) 工況二:編組列車以36 km/h的速度撞擊80 t貨車,80 t貨車的幾何性質、緩沖特性、撞擊位置參照標準EN 15227:2008+A1:2010中附錄C中C.1障礙物的描述。質量為80 t貨車只在平移的方向有1個自由度,其幾何形狀如圖5所示。側緩沖器行程為105 mm,其壓縮力-壓縮行程的響應特性如圖6所示。

1—貨車端部;2—鋼軌頂部。

圖6 側緩沖器的壓縮力-壓縮行程的響應特性

(3) 工況三:編組列車以30 km/h的速度撞擊15 t可變形障礙物,15 t可變形障礙物的幾何性質、緩沖特性和撞擊位置參照標準EN 15227:2008+A1:2010中附錄C中C.3障礙物的描述?？勺冃握系K物的幾何形狀如圖7所示,A、B為障礙物的兩部分。障礙物的剛度符合圖8所示的關于縱向接觸力-壓縮位移曲線的要求。

圖7 可變形障礙物的幾何形狀

圖8 可變形障礙物的剛度

依據以上碰撞仿真計算工況的規定,在有限元碰撞仿真分析模型中施加合理的邊界條件,進一步進行計算求解。

6.2 碰撞被動安全的評估要求

按照標準EN 15227:2008+A1:2010中的相關規定,動車組需要具備一定的碰撞被動安全防護能力,具體的評估要求包括以下幾個方面。

6.2.1 關于逃生空間的評估

對于逃生空間的評估,將動車組車體結構分成乘客逃生空間、司機室逃生空間、臨時占用區三部分,并分別進行考察。

(1) 乘客逃生空間。乘客逃生空間為囊括所有乘客座椅的車體空間,乘客逃生空間不應發生任何侵入性變形;車體主結構的任何區域,塑性應變都不應大于材料本身的延伸率,以防發生主結構斷裂風險;整個客室區域的塑性變形量不應大于原長的1%,局部塑性應變不應大于10%。

(2) 司機室逃生空間。司機室逃生空間為從司機室前墻內部平面到司機室座椅后方的區域,司機室上部的流線型曲面為玻璃鋼外罩結構,司機室逃生空間的具體定義如圖9中L長度所示的區域。當撞毀區達到最大壓縮狀態時,按照標準EN 15227:2008+A1:2010,不應發生操作臺侵入司機最低凈空空間的情況;司機座椅在寬度方向上應有750 mm的凈空空間;司機的最低凈空空間內不應出現侵入變形,司機位置對應附近區域不應發生主結構材料失效,不存在侵入司機的凈空空間的風險;撞擊后,從地板到頂板的高度應大于原高度的80%以上,司機室內逃生通道和內端墻門口的寬度方向上變形量不應大于原長的1%,以保證司機的逃生通道正常使用。

圖9 司機室逃生空間示意圖

(3) 臨時占用區。頭車2位端和中間車車輛兩端從轉向架中心線外側到車輛端部的區域。具體要求是:非人占用區可以不做縱向壓縮空間的要求;乘客的臨時占用區,在其縱向尺寸上空間壓縮距離不可大于原縱向尺寸的30%;每節車輛至少有一端的門口位置不出現較大的變形量,否則會導致門系統無法開啟。

6.2.2 關于減速度的評估

用于考查車輛平均減速度的時間段:從車體碰撞凈壓縮力不為0時起,直至車體碰撞凈壓縮力又降回0的時間區間。具體要求是:在第一碰撞工況和第二碰撞工況下,車輛的平均減速度小于5g;在第三碰撞工況下,車輛的平均減速度小于7.5g。

6.2.3 關于爬車的評估

在第一碰撞工況下評估列車的防爬性能。在保障逃生空間和滿足減速度要求的前提下,當防爬器裝置完全嚙合使撞擊車輛穩定聯鎖時,選擇轉向架輪對的特征點評估爬車,要求其垂向位移量不大于輪緣高度的75%。

7 兩列列車以36 km/h的相對速度碰撞的仿真結果

在仿真模型中,兩列列車以36 km/h的速度相對碰撞,靜止列車是被撞擊列車,相對運動列車重心向下偏移40 mm。

7.1 碰撞仿真求解系統的能量狀態

碰撞仿真模型的求解終止時間為1 200 ms。圖10為整個車體碰撞系統能量隨時間變化的曲線。由圖10可知,在碰撞壓潰過程中,系統動能減少,內能增加,總能量在碰撞壓潰過程中恒定。由仿真計算結果可知,系統總能量約為23.91 MJ,在700 ms時所吸收的內能總量約為11.61 MJ。

圖10 整個車體碰撞系統能量隨時間變化的曲線

7.2 列車的碰撞響應情況

由仿真計算的結果可知,在仿真計算的1 200 ms時間區間內:

(1) 撞擊列車頭車的自動車鉤與靜止列車頭車的全自動車鉤接觸。在接觸碰撞力的作用下,自動車鉤的緩沖器和壓潰管被壓縮,當壓潰管壓縮行程達到600 mm后,自動車鉤被“壓死”,車鉤安裝板的剪切螺栓斷裂。

(2) 隨著車鉤安裝板的后退,在接觸碰撞力的作用下,兩列車車鉤安裝板后面的主吸能塊開始被壓潰吸能;當車鉤安裝板后退一定行程后,兩車防爬齒發生接觸,防爬齒的后置壓潰管發生作用,與主吸能塊一同動作直至壓實。

(3) 在接觸碰撞力的作用下,靜止列車被推動,產生了沿軌道方向的運動。

(4) 在接觸碰撞力的作用下,撞擊列車的運動速度被抑制。

(5) 自動車鉤、防爬器、主吸能塊、半永久車鉤等裝置通過塑性變形來吸收撞擊的沖擊動能,系統的動能部分被轉化為不可恢復的相應結構的塑性變形內能。

(6) 經過Tc01車體1位端的防爬吸能系統裝置和連接各節車體的鉤緩吸能裝置等結構的吸能緩沖作用,撞擊列車的運動速度被逐漸降低,被撞擊列車的運動速度逐漸提高。在約963 ms時刻,撞擊列車與被撞擊列車之間的碰撞接觸力歸零,撞擊列車與被撞擊列車不再發生大幅度沖擊接觸,對碰沖擊趨向結束。

7.3 對撞工況下逃生空間的情況

基于仿真計算結果,對撞工況下逃生空間工況可以分為以下幾種。

7.3.1 乘客逃生空間

撞擊后,盡管相應車體有部分單元的塑性應變高于材料本身的延伸率,但車體主結構無斷裂風險,客室區域的塑性變形量小于原長的1%。

7.3.2 司機室逃生空間

司機室逃生結構剛度充裕,沒有發生操作臺侵入司機最低凈空空間的情況,司機位置對應附近區域沒有發生主結構材料失效;撞擊后,標稱地板面到頂棚的高度幾乎保持不變,滿足大于原高度80%以上的要求,司機室內逃生通道和內端墻門口的寬度方向上變形量不大于原長的1%。

7.3.3 臨時占用區

碰撞期間,頭車2位端和相應中間車車輛兩端從轉向架中心線外側到車輛端部的特征區域,結構變形均處于彈性可恢復的變形狀態,車體的臨時占用區得到了保障。

綜上可見,在列車以36 km/h相對速度對撞的工況下,撞擊列車和被撞列車的車體逃生空間均滿足標準EN 15227:2008+A1:2010中相應的碰撞安全要求。

7.4 對撞工況下車輛的減速度情況

頭車車體縱向接觸力隨時間變化的情況如圖11所示,頭車車體縱向凈壓縮力隨時間變化的情況如圖12所示。由圖12可知,分段核定頭車車體的平均減速度,平均減速度絕對值最大值為0.054 5 mm/ms2,比標準EN 15227:2008+A1:2010要求的限制值0.049 mm/ms2(5g)略有超出,需實施結構改進。

圖11 縱向接觸力隨時間變化的情況

圖12 頭車車體縱向凈壓縮力隨時間變化的情況

7.5 對撞工況下的爬車情況

由仿真計算結果可知,碰撞列車2位端轉向架輪對特征點的垂向位移隨時間變化的曲線如圖13所示。碰撞列車2位端轉向架輪對特征點的垂向位移瞬時最大值為22 mm,超過了允許值20.25 mm。在兩列列車以36 km/h的相對速度對撞的工況下,列車不滿足標準EN 15227:2008+A1:2010中關于爬車的碰撞安全要求,具有一定的爬車風險。

圖13 碰撞列車2位端轉向架輪對特征點的垂向位移隨時間變化的曲線

8 分析與改進措施

8.1 設計要點與分析

分析上述對撞工況下的耐碰撞仿真計算結果,提取碰撞列車第2節、第3節、第4節車輛1位端車鉤在碰撞期間的壓縮力隨時間變化的曲線(這里顯示的壓縮力為實際值的一半),如圖14所示?？梢钥闯?對撞期間,前3節中間車的1位端車鉤的壓潰吸能行程已經被用盡,車鉤已經被“壓死”。后續車體不斷沖擊前車,致使相應車鉤的二分之一壓縮力峰值出現超過3 000 kN的波動。

圖14 典型中間車鉤的壓縮力隨時間變化的曲線

依據設計經驗,具有耐碰撞設計的列車在對撞工況下,列車前3節車體1位端部的吸能裝置將耗散掉絕大部分碰撞沖擊能量。而依據當前設計方案,第4節車體1位端部的吸能裝置的吸能能力都已經被用盡。綜合來看,整列動車組的吸能能力不足。

8.2 改進措施

根據前述計算分析,需要提高Tc01車體1位端的防爬吸能系統裝置的吸能能力。本文設計了2種改進結構參數的計算方案。改進方案1:把鋁蜂窩板的工作壓力由2 000 kN提高到2 400 kN;改進方案2:把防爬器的工作壓力由500 kN改為900 kN,相應的工作行程由600 mm改為500 mm。通過對2種改進方案實施仿真計算可知,防爬指數和加速度指數均滿足標準要求。

9 結論

本文針對高速列車的碰撞防護要求,以時速400 km動車組為研究對象,實施了列車碰撞仿真分析。依據計算結果,通過調整列車吸能裝置的技術參數,使列車防護能力全面達到了標準EN 15227:2008+A1:2010的要求。計算分析表明,調整頭車吸能能力對滿足整列列車碰撞防護要求具有關鍵作用,可作為列車整體吸能配置的借鑒或參考。