新孟買地鐵車輛的耐撞性能探究

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摘要:以新孟買地鐵車輛為研究對象，通過對車端吸能部件進行準動態(tài)試驗獲得吸能部件力－位移曲線，以該曲線作為碰撞仿真模型吸能單元的參數(shù)輸入，建立六節(jié)編組完整列車碰撞仿真模型，對六節(jié)編組列車單元以25km/h速度撞擊相同列車單元進行仿真研究?；?5227標準，對數(shù)值仿真結果進行評估，分析了碰撞中列車各車輛間的作用力、車體塑性變形、速度、加速度以及各吸能部件的能量吸收等參數(shù)，實現(xiàn)了對新設計列車碰撞被動安全性能的評估。

關鍵詞:城軌車輛;有限元模擬;碰撞

0引言

整列車模型建立由于計算機條件的限制與模型復雜性，列車正面碰撞主要通過以下兩種簡化方式建模:①利用能量等效原則將兩列車正面碰撞轉化為單列車與剛性墻碰撞。②建立頭車正面碰撞模型，其余車采用集中質量點代替。上述列車模型在碰撞仿真中對鉤緩裝置過度簡化，忽略了中間車鉤與其他車體在碰撞過程的吸能，不能夠對所有車廂進行碰撞安全性評估，具有一定局限性。本文結合實際工程項目，建立完整六節(jié)編組高度非線性碰撞有限模型。

1碰撞仿真模型的建立

1．1車鉤建模

新孟買項目全自動頭鉤緩沖吸能由EFG3與可恢復的緩沖器組成，建立的全自動車鉤有限元模型，EFG3與緩沖器采用梁單元模擬，賦予Mat119號材料，其余結構采用賦予實際車鉤相同材料的實體單元模擬。

1．2車體建模

車體采用4節(jié)點殼單元對主結構進行離散，焊點通過3－D梁單元模擬?？照{機組、主變流器、輔助變流器等大質量部件和其余均布質量均以質量單元模擬，代表大質量部件的質量中間半永久車鉤由半永久車鉤A與半永久車鉤B組成，通過銅套卡環(huán)連接，A、B兩側牽引裝置設有EFG3，半永久車鉤一側裝有壓潰管，另一側裝有可恢復的緩沖器，中間車鉤建模思想與全自動車鉤類似，EFG3、壓潰管、可恢復緩沖器采用實體單元模擬，其余結構采用實體單元模擬，半永久車鉤A與半永久車鉤B的連接在有限模型通過節(jié)點合并實現(xiàn)。

1．3轉向架建模

轉向架采用剛形體代替，通過設置重量、重心位置、轉動慣量使其與實際轉向架重量特性保持一致。轉向架與車體采用帶有彈性功能的橡膠材料模擬，通過合理設定橡膠材料參數(shù)能夠模擬車體相對轉向架的垂向跳動，在正面碰撞中防爬器嚙合后能夠計算出車輪相對軌面的垂向的跳動，以此來分析列車在正面碰撞中防脫軌性能.單元與車體安裝座的連接和車體與轉向架的連接通過剛性梁單元連接。

1．4碰撞模型組裝

列車為六節(jié)車編組，即2個DMC車、2個TC車、2個MC車，中間車通過半永久車鉤連接，全自動車鉤安裝在頭車上。車鉤吸能部件實際吸能行程由車鉤實體單元之間的距離控制，建立的車鉤有限元模型能夠較好模擬氣液緩沖器、EFG3、壓潰管壓縮至極限行程后車鉤之間的剛性碰撞，車鉤重量可以通過調節(jié)實體單元密度來實現(xiàn)，全自動車鉤與車鉤板通過帶失效模式的固聯(lián)接觸連接，該連接方式適當設置計算參數(shù)可以較好模擬車鉤在極限剪切力作用下車鉤的失效.ση、σS—分別為接觸單元實際計算所得垂向與剪切應力。NFLS、SFLS—分別為設置的垂向與剪切失效應力。中間車采用固連接觸將車鉤實體單元與車鉤板板殼單元耦合，采用固連接觸能夠方便提取各車車鉤的接觸力以及個車鉤板應力分布情況，為車鉤板優(yōu)化設計提供依據(jù)。為方便數(shù)據(jù)觀察，運動列車標記為trainA，靜止列車標記為trainB.

2計算結果與分析

2．1變形

最大塑性變形為0．064，頭車非碰撞區(qū)域未發(fā)生永久變形，整個底價邊梁未發(fā)生摺疊。車體側邊梁和車體中心線沿著車體縱向(車長20787mm)的壓縮變形最大相對量分別為0．016%和0．017%，小于EN15227規(guī)定的1%要求。

2．2能量

隨著碰撞進行動能轉發(fā)為內能，在碰撞至T=0．5S時內能達到最大，此時所有吸能部件壓縮至極限位置，達到吸能最大容量，動能降至最低，隨后車鉤可恢復緩沖器與EFG3單元釋放內能，整個系統(tǒng)內能降低，內能轉發(fā)為動能，從而動能增加。圖10為吸能結構吸收能量情況，從中可見，吸能裝置吸收碰撞能達91%，其余內能由車體變形吸收，車體變形能有1/3由司機室端部的吸能結構所吸收，碰撞能主要由吸能裝置和司機室吸能結構所吸收。

2．3車鉤與防爬器行

程與接觸力防爬器接觸力與行程變化曲線。運動列車與靜止列車發(fā)生碰撞后，各車鉤接觸力基本對稱。選運動車作為分析對象，在0．06s時，全自動車鉤EFG3與可恢復緩沖器壓縮至極限行程，車鉤剛性接觸，碰撞力急劇增加，當碰撞力達到車鉤剪段裝置設定剪段力時，車鉤剪段失效。此時防爬器開始接觸，接觸力迅速上升至壓潰管的工作所需的壓潰力。壓潰管開始吸能，此后中間車鉤依次達到車鉤最大行程，接觸力依次增加至中間車

2．4速度與減速度

運動列車以25km/h(6．994m/s)速度正面碰撞一列靜止列車，從曲線可以看出兩列車各節(jié)車速度與加速度基本一致，選運動車作為分析對象，在T=0．22S時兩列車頭車速度達到一致的3．495m/s，直至碰撞結束。運動車頭車平均減速度為:a==Δυ/Δt=(6.994－3.495)/0.22=15．89m/s2=1．6g滿足EN15227碰撞標準，碰撞情形I(兩個相同列車單元之間的前端沖擊)下的平均加速度小于5g。隨著碰撞持續(xù)運動車從第二節(jié)至第六節(jié)速度依次降低，運動車從第二節(jié)至第六節(jié)速度依次增加，在T=0．9S時，兩列車所有車廂速度基本一致。此刻整個系統(tǒng)動能降至最低，所有車鉤不再壓潰，內增增加至最大。在T=0．9S后車鉤EFG3與可恢復緩沖器回彈，內能緩慢降低，動能緩慢增加，靜止車從二節(jié)至六節(jié)速度依次增加，運動車從第一節(jié)至第六節(jié)依次降低，隨后兩列車分離，整個碰撞結束。

3結語

通過仿真結果表明該車在25km/h速度撞擊相同列車情況下，吸能裝置吸收大部分碰撞能量，其余內能由車體變形吸收，車體變形能有1/3由司機室端部吸能結構所吸收，車端結構最大塑性變形為0．064，車體主結構完整，客室沒有發(fā)生破壞，滿足車輛的相關碰撞要求。

參考文獻:

［1］林耀．跨座式列車車體耐撞性研究［J］．機械設計與制造，2017(11)．

［2］雷成．軌道車輛耐撞性能研究進展［J］．鐵道學報，2013(10)．

［3］EN152272008車體防撞性要求中文［S］．

作者:楊紅波 王趙華 李濤 單位:中車株洲電力機車有限公司 產(chǎn)品研發(fā)中心