林 耀1，赵士忠2，肖守讷1
（1.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031；2.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266000）
摘 要：以某6辆编组的跨座式列车作为研究对象，建立了跨座式列车车体的有限元模型，利用显式有限元软件LSDYNA对其进行动态仿真。同时给出了获得跨座式列车最大安全碰撞速度的方法，分析了跨座式列车在整备状态下以一定的初速度撞击另一列处于静止且无制动状态的相同列车。基于EN15227标准，对数值仿真结果进行评估，从而得出跨座式列车的最大碰撞速度为24km/h。依据仿真结果，提出了将吸能防爬装置靠前安装，弱化司机室的纵向刚度的建议，对改善车体的耐碰撞性，提高列车碰撞的最大碰撞速度具有一定的工程参考价值。
关键词：跨座式列车；耐碰撞性能；最大安全碰撞速度
随着铁路运输行业的快速发展，现代化的列车检测、控制系统将列车运行的安全性提高到了一个前所未有的高度。然而，由于铁路是一个极其复杂的系统工程，任何技术缺陷、设备故障、人员操作失误或者自然环境的突然变化等因素都可能导致列车碰撞事故的发生，一旦发生碰撞事故，随之产生的巨大冲击能量将给乘客带来严重后果。近几十年来，已有大量学者和机构对列车耐撞性能进行了深入的研究，通过试验和计算机仿真的方法不断的改善列车碰撞动力学行为，以确保列车在碰撞过程中以一种可控的方式最大限度的吸收冲击能量。由于有限元仿真与试验相比，有所需周期短、仿真结果较为准确、费用低廉、可重复性、不受外界环境的限制等特性和优势，目前已有大量的学者和机构运用有限元方法对列车进行耐撞性研究。文献[1]运用有限元方法对不同碰撞场景的列车耐撞性进行仿真研究，在整车响应方面列车的前期响应能够用仿真方法进行准确描述。文献[2]针对地铁车辆自身特点进行耐冲击地铁车辆吸能结构设计，提出了耐冲击地铁车辆设计理念。
文献[3-4]对列车吸能装置和乘客二次碰撞进行了深入研究，并对列车的防碰撞性能进行了改进。已有的研究工作对提高轨道交通列车耐碰撞性设计和技术水平起到积极的推动作用。以某跨座式列车为研究对象，对列车在整备状态下以一定的初速度撞击另一列处于静止无制动状态的相同列车的场景进行了数值仿真，并根据仿真结果对车体结构的耐撞性进行分析，得出了保证列车运行安全和乘客生存空间的最大碰撞速度，并对车体结构的耐碰撞性提出了改进建议。
2.1 显式有限元时间积分算法
列车车辆碰撞仿真的求解一般使用显式算法，即采用中心差分法。
LS-DYNA采用显式中心差分法来对上述方程进行时间积分，在已知0，……，tn时间步长的情况下，求解tn+1时间步的解，运动方程为：
式中：M—总体质量矩阵；
P（tn）—外力向量阵列；
H
（tn）—沙漏阻力；
C—总体阻尼矩阵。
式（1）就是采用拉格朗日增量描述的显式有限元分析的软件系统求解方程，其算法如下：
式中：U¨（t）—t时刻的节点加速度向量；
nn
U˙（t）—t时刻的节点速度向量；
n+1n+1
2
2
U（tn+1）—tn-1时刻的节点位移向量。
2.2 碰撞评估准则及方法
在地铁列车车体结构耐撞性设计中常采用多级能量耗散方式[5-6]，从而实现冲击能量分级有序地吸收和耗散：在第一速度界限下，由缓冲器来吸收撞击能量；在第二速度界限下，由车外附加的吸能装置来吸收撞击能量；在第三速度界限下，由车体变形区域来吸收撞击能量。耐撞性车体结构应有一撞击能量吸收区，撞击区在一列车以某一速度与另一列静止列车相互撞击时吸收撞击能量，同时保证乘客具有足够的生存空间。因此，为了求得跨座式单轨列车的最大碰撞速度，其车辆技术要求中对碰撞性能的要求如下：
（1）根据标准 EN 15227：2008+A1：2010 中的规定，车辆的平均加速度值的计算时间段为该车辆所受净接触力从零开始到再次为零，然后由瞬时加速度随时间变化的曲线计算出每个时间段加速度的平均值，最后取所有时间段的平均加速度的最大值为每辆车平均加速度值。根据车辆动力学理论，人体敏感频率为：水平方向（0.8～2）Hz，垂直方向（5～10）Hz，所有车辆的纵向平均加速度值都不得大于5g。
（2）碰撞结束后各车辆端部5m长度范围内的纵向变形位移量均应小于跨座式列车铝材对应的应变行程。
根据上述要求，给出了列车的最大碰撞速度分析流程图，如图1所示。根据经验值设定一个初始速度，得出计算结果，当仿真结果超出或小于临界值时，适当减小或增加初速度再进行计算，当结果接近临界值时，对初始速度进行+1或者-1的修正，进行再次计算，当计算结果跨过临界值时，即得出列车的最大安全碰撞速度。
图1 列车最大安全碰撞速度分析流程
Fig.1 Flow Chart of the Methodology to Obtain the Maximum Safe Collision Speed
3.1 碰撞仿真的有限元模型
跨座式单轨列车头车和中间车采用模块化结构设计，将整车结构进行分解，形成若干独立而又相互联系的子结构，其中头车主要包含车顶模块、底架及裙板模块、侧墙模块、端墙模块、司机室模块等；中间车主要包含车顶模块、底架及裙板模块、侧墙模块、端墙模块等。
为了保证碰撞仿真模型的可靠性，结合碰撞仿真计算的要求及碰撞结构变形的特点，在不影响计算精度的条件下，对车体划分疏密不一的网格，车体端部结构及防爬吸能装置单元尺寸较小，车体中部单元尺寸较大，从而提高仿真分析可靠性。
列车采用 6 辆编组，编组方式为：+（TMc1-M1）-（M3-TM）-（M2-TMc2）+。其中：TMc表示带司机室的头车，M和TM表示中间车，+表示全自动车钩，-表示半永久车钩。为了方便下文说明，在图2的列车碰撞示意图中对各车辆及相邻车端进行编号，A代表主动车，B代表被动车。Section i为相邻车端编号，其中Section6为主动头车与被动头车界面。
图2 列车碰撞场景示意图
Fig.2 Scenario Diagram of Straddle-Type Monorail Vehicle Crashworthiness
3.2 碰撞仿真模型的接触界面定义
列车在发生正面碰撞时，头车半自动车钩将首先发生接触，然后司机室与司机室发生面面接触，碰撞过程中随着车间距的变化，各中间车端也有可能发生接触；另外，若结构产生大变形将会发生自接触，以及轮轨间的面面接触。根据实际情况定义以下两类主要接触，第一类接触：面面接触（包括头车司机室接触、车端接触、轮轨接触）；第二类接触：单面自身接触（包括司机室自身接触和车端自身接触等）。
4.1 列车25km/h碰撞仿真分析
根据一般空载列车的最大碰撞速度要求，首先对列车进行25km/h的碰撞仿真，计算时间为900ms，头车司机室和吸能防爬装置的变形，如图3所示。各车辆瞬时加速度变化曲线，如图4所示。由此计算出的主、被动各辆车最大平均加速度，如表1所示。通过表可以明显看出，主动车头车的最大平均减速度值为5.26g，大于5g，不满足EN15227标准的要求。选取每节车的端部变形区进行5m长度范围内的纵向变形考核。在整个碰撞过程中，主被动列车乘客生存空间纵向长度变化量的最大值均在头车A1、B1的端部，分别为 4.44mm、3.08mm，4.44÷5000=0.888×10-3和 3.08÷5000=0.616×10-3，远小于铝材σ0.2对应的应变值，除司机室端部以外的各车端仅产生弹性变形，乘客生存空间可以得到保证。
图3 端部变形吸能区碰撞900ms时刻变形图（俯视图）
Fig.3 Deformation of the Car End Structures of A1and B1After 900ms Collision（Plan View）
图4 车辆瞬时加速度-时间曲线
Fig.4 Instantaneous Acceleration Time Curves
表1 列车纵向最大平均加速度
Tab.1 Maximum Mean Accelerations
车辆编号 A1 A2 A3 A4 A5 A6最大平均加速度/g -5.26 1.18 1.76 3.11-1.30-1.48车辆编号 B1 B2 B3 B4 B5 B6最大平均加速度/g 4.32 0.82 3.70 -3.42 0.88 1.48
4.2 列车24km/h碰撞仿真分析
由4.1节可知，列车在25km/h的碰撞速度下，列车纵向最大平均加速度绝对值为5.26g，大于但接近标准EN15227中列车纵向平均加速度均小于5g的要求，所以将速度-1，即再以24km/h的碰撞速度进行仿真，仿真时间为900ms，头车司机室和吸能防爬装置的变形，如图5所示。各车辆瞬时加速度变化曲线，如图6所示，由此计算出的主、被动各辆车最大平均加速度，如表2所示。通过表可以明显看出，主动车头车的最大平均减速度值为4.36g，小于5g，满足EN15227标准的要求。
同样选取每节车的端部变形区进行5m长度范围内的纵向变形考核。在整个碰撞过程中，主被动列车乘客生存空间纵向长度变化量的最大值均在头车A1、B1的端部，分别为4.03mm、3.09mm，4.03÷5000=0.806×10-3和 3.09÷5000=0.619×10-3，远小于铝材σ0.2对应的应变值，除司机室端部以外的各车端仅产生弹性变形，乘客生存空间可以得到保证。
图5 端部变形吸能区碰撞900ms时刻变形图（俯视图）
Fig.5 Deformation of the Car End Structures of A1and B
1After 900ms Collision（Plan View）
图6 车辆瞬时加速度-时间曲线
Fig.6 Instantaneous Acceleration Time Curves
表2 列车纵向最大平均加速度
Tab.2 Maximum Mean Accelerations
车辆编号 A1 A2 A3 A4 A5 A6最大平均加速度/g -4.36 -0.81-2.25-2.02-0.96-0.66车辆编号 B1 B2 B3 B4 B5 B6最大平均加速度/g 4.21 -1.79 0.91 1.07 0.93 0.64
4.3 基于仿真结果的讨论
在24km/h的最大碰撞速度下的仿真结果中，也对列车碰撞能量吸收及耗散进行了统计。
碰撞动能由初始3442.73kJ到碰撞结束后剩余的动能为2098.40kJ，两列车共吸收能量为1236.56kJ。主动车防爬吸能装置变形量为32.1mm，仅占总行程（796mm）的4.03%，被动车防爬吸能装置变形量为96.0mm，仅占总行程（796mm）的12.06%，主被动车防爬吸能装置吸收的能量分别是14.43kJ、76.73 kJ，占吸收能量的1.17%和6.21%，具体的能量吸收分布，如图7所示。
图7 列车能量吸收分布图
Fig.7 Pie Chart of Collision Energy Transformation
不难看出，其吸能防爬装置并没有发挥原本设计的吸能作用，导致列车的碰撞界面力偏大，如图8所示。端部变形吸能区俯视图，如图9所示。
图8 列车端部变形吸能结构间接触界面力-时间曲线
Fig.8 Collision Interface Force Time Curve of the Car End Structure Energy-Absorbing Device
图9 端部变形吸能区俯视图
Fig.9 Plan View of Energy-Absorbing Device
通过对图9的分析发现：吸能防爬装置安装过于靠后，最前端几乎与司机室平行，当发生碰撞时，与司机室结构并联吸能，使得吸能防爬装置没有完全压溃，吸能行程较短。
由此，提出两个建议：
（1）将吸能防爬装置安装位置前伸，使其在不影响其他结构的情况下，尽可能的超出司机室前端一段距离；
（2）弱化司机室区域的纵向刚度，当与吸能防爬装置并联吸能时，能产生更大的变形，减小碰撞界面力，增加吸能行程。
通过以上的分析，可以得出以下结论：
（1）整备状态下，跨座式列车的最大安全碰撞速度为24km/h，列车客室大的损伤和塑性变形，最大平均加速度小于5g，满足跨座式列车的耐碰撞性要求；
（2）列车发生碰撞时，吸能防爬装置所走的吸能行程较短，未能起到应有的作用；
（3）对列车车体进行改进，将吸能防爬装置安装位置前伸，弱化司机室区域的纵向刚度，从而改善车体的耐碰撞性，提高列车碰撞的最大碰撞速度。
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Researching on Crashworthiness of Straddle-Type Monorail Vehicle
LIN Yao1，ZHAO Shi-zhong2，XIAO Shou-ne1
（1.Traction Power State Key Laboratory，Southwest Jiaotong University，Sichuan Chengdu 610031，China；2.CRRCQingdaoSifangCo.，Ltd.，ShandongQingdao 266000，China）
Abstract：Based on the case study of six-cars straddle-type monorail vehicle，the finite element model of the straddle-type monorail vehicle was developed，the dynamic simulations are performed on the devices by using LS-DYNA.The methodology to obtain the maximum safe collision speed was presented，and the collision process between a vehicle with initial velocity and a static train in No braking state was analyzed.According to the analysis of the simulation result based on EN15226 standard，the maximum safe collision speed of 24 km/h was concluded.This paper also suggested to put the crash-box of the train forward and reduce the transverse stiffness of the train cab，which could be used to improve the collision resistance as well as the maximum collision speed of the train in real world practices.
Key Words：Straddle-Type Monorail Vehicle；Crashworthiness；The Maximum Collision Speed of the Train
中图分类号：TH16
文献标识码：A
文章编号：1001-3997（2017）11-0153-04
来稿日期：2017-05-19
基金项目：牵引动力国家重点实验室自主课题（2014TPL_T04）；中央高校基本科研业务费专项资金资助（2682015CX046）；国家科技支撑计划项目（2015BAG12B01-15）
作者简介：林 耀，（1991-），男，浙江台州人，硕士研究生，主要研究方向：列车车体耐碰撞性研究；赵士忠，（1977-），男，山东青岛人，本科，高级工程师，主要研究方向：车辆设计理论，结构强度
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