（光学工程专业论文）高速动力车碰撞模拟研究.pdf

西南交通大学研究生学位论文 abs tract t h e p r o g r e s s o f t h e c r a s h w o r t h i n e s s o f t h e t r a i n i s d e s c r i b e d i n t h i s p a p e r . t h e c i r c u m s t a n c e o f a c c i d e n t s a r e g a i n e d t h r o u g h a n a l y z i n g t h e s t a t i s t i c s o f t h e f i e l d a c c i d e n t s . t h e a c c i d e n t o f t h e c r a s h w o r t h i n e s s i s o n e o f t h e m a j o r c a u s e o f t h e s e v e r e d a m a g e o f v e h i c l e s a n d t h e p e r s o n a l i n j u r i e s . f i r s t i m p a c t a n d s e c o n d i m p a c t o c c u r d u r i n g t h e c r a s h w o rt h i n e s s . t h e f o r m e r c a u s e s t h e m a i n s t r u c t u r a l d a m a g e o f v e h i c l e s , a s a r e s u l t o f i t , t h e c o a c h s p a c e i s d e c r e a s e d a n d t h e p a s s e n g e r s o r c r e w a r e c r u s h e d . t h e l a t t e r i s a r e s u l t o f t h e f i r s t i m p a c t . t h e d i f f e r e n t i a t i o n o f t h e v e l o c i t y b e t w e e n p a s s e n g e r s a n d v e h i c l e o r i n o t h e r w o r d s , t h e r e l a t i v e m o t i o n b e t w e e n p a s s e n g e r s a n d v e h i c l e i s h a p p e n e d . t h e p a s s e n g e r s m a y c r a s h w i t h t h e i n n e r s t r u c t u r e o f t h e v e h i c l e o r t h e y a r e c a s t t e d o u t t h e v e h i c l e . t h e m e a s u r e t o s o l v e t h e p r o b l e m i s t o i n t r o d u c e t h e e n e r g y a b s o r b i n g e l e m e n t s i n t h e f r o n t o f t h e m a j o r s t r u c t u r e . t h e e n e r g y a b s o r b i n g e l e m e n t s a r e c o l l a p s e d a n d a b s o r b e d m u c h e n e r g y o f t h e c r a s h w o rt h i n e s s i m p a c t . i t p r o t e c t n o t o n l y t h e f r a m e o f t h e v e h i c l e b u t a l s o r e d u c e t h e p e r s o n a l i n j u r y d u r i n g t h e s e c o n d i m p a c t . t h e v e h i c l e c r a s h w o r t h i n e s s d u e t o t r a i n c o l l i s i o n h a s b e i n g s t u d i e d t h r o u g h t h e i m p a c t i n g t e s t a n d c o m p u t e r s i m u l a t i o n i n f o r e i g n c o u n t r i e s . m a n y p e o p l e b e g i n t o s t u d y t h e c o l l i s i o n o f t h e t r a i n i n ch i n a . l s - d y n a ( f i n i t e e l e m e n t s o f t w a r e ) i s a t o o l t o s i m u l a t e t h e a c t i o n o f t h e c r a s h w o r t h i n e s s o f t h e c a b o f t h e h i g h - s p e e d p o w e r c a r . i n t h i s p a p e r , v a r i e t y o f t h e f o r c e , e n e r g y , a c c e l e r a t i o n a n d v e l o c i t y d e p e n d e d o n t h e t i m e h a s b e e n r e c e i v e d . o n t h i s b a s e , e n e r g y a b s o r b e d e l e m e n t s a r e d e s i g n e d . t h e d i f f e r e n t i a t i o n o f t h e v a r i e t y o f t h e f o r c e , e n e r g y , a c c e l e r a t i o n a n d v e l o c i t y d e p e n d e d o n t h e t i m e o f t r a i n e q u i p p e d w i t h t h e e n e r g y a b s o r b i n g s t r u c t u r e s h a s b e e n g a i n e d t o o . i t c a n b e r e c e i v e d t h a t t h e v e h i c l e e q u i p p e d w i t h t h e e n e r g y a b s o r b i n g e l e m e n t s c a n r e d u c e c o l l a p s e o f t h e v e h i c l e o b v i o u s l y . t h e s u p e r i o r e n e r g y a b s o r p t i o n s t r u c t u r e s c a n i m p r o v e e f f e c t i v e l y t h e a n t i - c o l l i s i o n p e r f o r m a n c e o f v e h i c l e s . me a n w h i l e , t h i s p a p e r c o m p a r e s c o l l a p s i b l e p e r f o r m a n c e s o f t u b e s . t h i s l a y s a t h e o r e t i c a l f o u n d a t i o n f o r t h e d e s i g n o f e n e r g y a b s o r p t i o n s t r u c t u r e s k e y w o r d sl o c o m o t i v e a n d v e h i c l e e n e r g y a b s o r p t i o n s t r c t u r e c r a s h w o r th i n e s s c o m p u t e r s i m u l a t i o n c h e n g d u 2 0 0 1 西南交通大学研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 . 1引言 随着我国经济的快速发展，对交通运输的要求越来越高。高速铁路 以其运载量大、运行速度高、能量消耗低、污染小和运输成本低等特点， 显示出很大的生命力。事实证明，发展高速铁路是解决大通道上大量旅 客快速输送问题的有效途径，已成为世界各国和我国铁路发展的必然趋 势。在我国发展高速铁路具有重要的意义，它可以显著缓解交通运输的 压力，促进我国经济的快速发展，并带动沿线地方经济的高速发展。 随着列车运行速度的提高，运行安全性成为一个不可忽视的重要问 题。在国外列车碰撞问题正越来越受到人们的关注，各国学者从多方面 进行了车辆碰撞研究。在我国对铁路车辆碰撞问题的研究刚刚开始。 铁路车辆碰撞是造成铁路运输乘客伤亡的主要原因之一。在发生碰撞 时车辆可能产生直线加速或减速、拱起、摺曲和翻转等动态响应。伴随 着车辆出现动态特性的同时，要显露出一系列不同的综合车辆响应，既 有单独的响应，也有以某种组合形式出现的并对乘客舱室完整性及加速 度环境起作用的响应o ) 。在碰撞发生时产生一次碰撞和二次碰撞，一次碰 撞使车辆结构产生大的破坏而使车厢空间减小，使司机或乘客受挤压造 成伤亡事故1 1 )12 113 1 ;二次碰撞使乘客和车辆间产生相对运动，乘客与车辆 内部结构产生碰撞或被抛出车厢造成伤亡事故)4 ) 减小一次碰撞损坏程度的措施是把车辆的主要承载结构设计的足够 强，在碰撞发生时车辆结构不会被挤压到对乘造成伤害。国外对这方面 的研究开展比较早，对司机室和车辆结构强度的设计己比较成熟，提出 了关于车辆设计的许多原则和注意事项12 ) 15 ) 。要减小二次碰撞的影响就要 使车辆碰撞后产生一定的压溃行程，由此减小碰撞的减速度以此减小对 乘客的伤害，这就要使车辆做的尽量软(4 ) 考虑以上两个方面的因素，解决的一个措施是在车辆设计时把乘客区 设计的比较刚硬，把非乘客区设计的相对较易被破坏。当发生碰撞事故 时，非乘客区受碰撞力作用产生压溃，乘客区比较刚硬不产生或只产生 c h e n g d u 2 0 0 1 西南交通大学研究生学位论文 第2 页 少量破坏。非乘客区在压溃过程中吸收碰撞能量，使车辆的减速度降至 人体承受的范围内。这样即保护了车辆主结构不产生大的破坏又保护了 乘客的安全间 。另一个措施是在车辆端部安装吸能装置，在碰撞发生时吸 能装置受碰撞力产生破坏，吸收能量减小主结构的破坏和车辆的减速度， 从而减小事故引起的损坏程度。 到目前为止，作者还没有查到国内有关铁路车辆碰撞试验和计算机模 拟碰撞研究的文献，只查到了关于碰撞方面的理论研究的部分文献。本 文是利用有限元方法对司机室进行碰撞的模拟研究。模拟了高速动力车 司机室碰撞时的损坏程度，比较了在安装了吸能装置时和没有安装吸能 装置时司机室的不同破坏程度，从结果可以看到安装吸能装置可以显著 减小司机室的损坏程度和对乘客的伤害。 1 . 2 国内外关于碰撞理论的研究和成果 关于铁路车辆碰撞的研究，近十几年来经过各国学者的不懈努力取得 了丰硕的成果。 . 碰撞能量控制的两个基本原理m 英国铁路 ( s c h o l e s 在缓冲器的位置焊接防爬车装置;在车 辆前端装有由方型管和蜂窝组成的吸能装置，碰撞时它吸收部分能量。 端部设计有两种方案:一种是应用于碰撞时列车内部各节车厢间碰撞， 它的吸能能力为 0 . 7 5 mj ;另外一种应用于列车与另一列车碰撞时端部吸 能，其吸能能力为 1 . 5 mj a 抗碰撞司机室结构设计原则: 1 .碰撞时初始接触发生在车钩处，当碰撞力超过它的承载能力时发 生断裂。车钩和牵引杆与底架通过剪切销连接。 2 .司机室前端的抗爬车装置能够抵抗一定的垂向剪切力，防止爬车。 3 .当有更大的力时底架发生压溃现象，底架设计时在一定的部位设 置活套和接头使破坏时先在这些部位破坏，使破坏以一种可预测的方式 发生。 4 .在司机室上部的关键位置设置缺口，在碰撞发生时使结构发生折 叠破坏保证司机室整体完整性。 5 .要求司机室有中间走道，两侧有窗，所有的压溃发生在前门柱以 前。 . 二饮碰撞的技术要求1 1 )1 4 ! 6 1 除了车辆与别的物体间发生的一次碰撞外，在乘客与车辆内部间还很 有可能发生二次碰撞。在二次碰撞中造成的伤害是由于乘客与车辆内部 结构发生碰撞而引起的，碰撞力和减速度超出了人体的承受能力。解决 的措施是综合考虑车辆结构设计，使车辆的一部分结构以预先设计的方 式发生破坏，以此限制车辆的减速度。另外一个措施是使车辆内部设计 尽量具有友好性，即没有刚硬的突出物，没有易脱落的物件以免减速时 c h e n g d u 2 0 0 1 西南交通大学研究生学位论文第4 页 抛射对人体产生伤害，乘客尽量使用约束系统例如安全带等。 1 .3 本文的主要内容 本文的主要内容有: 第一章 简略介绍了国内外关于车辆碰撞研究的一些成果。 第二章 通过对列车碰撞事故的统计研究，得出了列车碰撞事故发生 的场景和碰撞过程中车辆的响应，并且阐述了列车碰撞时车辆的结构破 坏和能量变化的关系。介绍了为了减小二次碰撞的伤害程度车辆内部结 构设计应注意的事项。 第三章 介绍了现在国内外评价机车车辆碰撞主要应用的试验和模拟 方法。给出了现在模拟研究应用的主要有限元软件和本文应用的 l s - d y n a软件的碰撞计算的一些理论基础。 第四章 应用大型有限元软件 l s - d y n a 对高速动力车司机室进行了 碰撞模拟计算，分别计算了不同速度下装有吸能结构的司机室与没装有 吸能结构的司机室在碰撞时司机室变形、速度、加速度、碰撞能量和碰 撞力的不同变化情况。得出吸能装置可以显著减小一次和二次碰撞产生 的破坏。在本章中还简略介绍了圆管受压破坏的相关理论。 第五章 总结本文的结论，并提出了有待解决的问题。 c h e n g d u 2 0 0 1 西南交通大学研究生学位论文第5 页 第二章 机车车辆碰撞事故分析和总体设计要求 z . . 1 机车车辆碰撞分类和响应 机车车辆在它们的正常运行中会遭受到各种各样的碰撞危险。这些 事故的严重性及其对列车乘客可能造成的人身伤害程度，是一系列因素 的函数。这些变量包括轨道布置、列车类型、每一辆车相对于碰撞界面 的位置、冲击速度、碰撞车组的质量、所累计的端头车辆数、在轨道上 的障碍物性质等等。碰撞可分为四类: 在同一条轨道上与相同的一列运行中的列车相碰。 与在轨道上的障碍物相撞，或与被列车推进的物体相撞。这一类 包括来自相邻轨道的侵入物。 与一不相同的运行中的列车在同一条轨道上相撞。 独立的列车事故，例如轮轨车辆的脱轨。这些事故也包括与靠近 轨道的建筑物相撞。 它们发生的概率不同，在所有碰撞事故中最重要的是列车与列车碰 撞。这些碰撞可能发生在一列或两列列车以低速、中速或高速运行中。 由于包含了大的车组质量，这种碰撞可能产生极高的动能水平和很大的 冲击力，即使在中等的冲击速度下 ( 尤其头部和尾部冲击，这些冲击构 成了列车事故的重大比例) ，也常常会造成巨大的结构破坏，并可能导致 对列车乘务员和旅客的严重的和致命的伤害。因此，对这类冲击进行详 细的考察是绝对必要的。这种事故模式可分为三类: 头部碰撞。这类事故型式包括在同一轨道上两列运行列车的两台 机车之间的碰撞。 尾部碰撞。在这类事故中，一列列车的头部车辆 ( 常常是一部机 车)与同一轨道上的另一列车的后部碰撞。在一列列车的后部车辆可以 是一辆旅客车辆，也可以是一台推进机车。 侧面碰撞。 当发生碰撞后列车的响应和伴随的乘客运动可描述如下: 八 直线加速或减速。在碰撞之后，只要全部车辆仍然在轨道上，或 c h e n g d u 2 0 0 1 西南交通大学研究生学位论文 第6 页 者如果全部车辆不翻倒并基本上与轨道保持平行，就会出现这种响应。 车辆和乘客在冲击方向上将有加速或减速倾向。 拱起。这种响应描述一辆车辆的底架骑在相邻车辆底架之上的情 形，使得架装设备和上部结构受到严重的负荷或压碎。拱起可能出现在 两台相撞的机车之间，一台机车撞击一辆客车，或一列车组的两辆车之 间。对于这类事故，如果四周的舱室结构不能耐受施加的负荷时，被拱 起车辆的乘客就可能要处在严重的挤压条件之下。 摺曲。当无论什么原因造成车辆脱轨时，绕车辆垂直轴线的转动 ( 即横向折曲)就可能出现，一直要维持到使其指向与轨道成某一角度 的方向为止。虽说总的车辆加速度通常是小的，但根据滑过的或跑过的 轨道部件、凸凹不平的地势、或者甚至是列车组的其它部分的暂时进入， 都有可能在车辆内部造成危险的环境。在整个摺曲阶段的自始至终，车 辆仍然基本上保持不翻倒。 翻转。翻转可能出现在车辆处于与轨道方向相一致的时候，或者 出现在摺曲反应之后，这时车辆相对于轨道成一角度。翻转更可能出现 在高的车组冲击速度时，在这种场合倾覆惯性力更大。这种行为和摺曲 运动之间的主要差别在于，在这种翻转时，车辆乘客可能在车辆内部被 扔出更远的距离，或者在极端情况下，可能经由破碎的门或窗户所形成 的洞穴被抛出车辆之外。 铰接车组在车辆间装有万向连接器，这种连接器在所有三个平面内 具有有限的转动自由度。在这种列车组中，两车辆在内侧共用一台转向 架，形成一个铰接的单元。安装了这类转向架的列车，在发生碰撞事故 时，它发生拱起和摺曲运动的可能性将降低到最低限度。 2 . 2 铁路事故情况分析 表 2 - 1 为 1 9 8 5 -1 9 8 7 三年期间美国联邦铁路管理局在案铁路事故的 回顾结果 以下注释中数字 1 , 2 和3 为表中右上标， 4 是对整个表的说明。 注:1 . 1 9 8 7 年 1 2 月马里兰州追尾事故一1 6 人死亡和 1 7 6 人受伤; 2 .都在中速范围内一5 0 k m / h ; 3 .市郊列车脱轨多在低/ 中速情况下，1 8 起事故中仅一人受伤; 4 .伤亡仅指列车乘客和雇员，本文不包括在平交道口事故中公路 c h e n g d u 2 0 0 1 西南交通大学研究生学位论文 第7 页 车辆乘客的伤亡。 表2 - 1 1 9 8 5 - - 1 9 8 7 三年期间美国联邦铁路管理局在案铁路事故的回顾结果 编 号场景描述 事故伤亡人数 城市间市郊总数 死 伤 1 . 1 . 2 a 1 . 2 b 1 . 3 a 1 . 3 d 与同类列车相撞 低速机车与司机室车 中速机车与司机室车 低速司机室车与司机室车 中速司机室车与司机室车 0 0 0 0 1 1 1 8 1 1 1 8 0 0 0 3 1 9 0 1 9 0 2. 2. l a 2 . 1 6 2. l c 2. i d 2. 4 a 2 . 4 b 2. 5 a 2. 5 6 2 . 6 b 2. 7 a 2 . 7 b 2. 7 c 2. 7 d 与障碍物相撞 平交道口处机车与卡车 平交道口处司机室与卡车 平交道口处机车与汽车 平交道口处司机室车与汽车 平交道口处机车与不明车辆 平交道口处司机室车与不明车辆 机车与养路设备 司机室车与养路设备 机车与碎石 司机室车与碎石 司机室车与导轨 机车与铁路车辆 司机室车与铁路车辆 机车与公路车辆 司机室车与公路车辆 2 7 0 6 0 1 0 0 2 0 8 0 0 2 0 5 0 4 7 6 9 7 2 0 1 2 5 3 1 i 3 2 3 1 7 1 2 9 1 7 2 2 1 1 0 5 3 3 1 8 2 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 3 5 9 2 9 0 1 2 1 0 0 1 0 0 4 0 4 0 3. 3 . 3 a 3 . 3 6 与非同类列车相撞 机车与货物列车 司机室车与货物列车; : 1 61 ; “ 4. 4 . 2 a 4. 2 6 单一列车事故 脱轨，机车前导 脱轨，司机室车前导2 6012 36; 8;: 。 总计8 78 41 7 1 2 3 8 3 1 其它在案事故 失火 悬链/ 受电弓故障 3; ; 1 6 5 8l 在当时美国的列车往往是多机组列车或者是一端为司机室车，另一端 为机车的推挽运营。从表中可以看到最常见的碰撞 ( 虽非最严重的事故) c h e n g d u 2 0 0 1 西南交通大学研究生学位论文第8 页 是发生在平交公路道口上的碰撞。这类事故几乎占全部在案事故的一半 ( 1 7 1 起事故中有7 8 起) ，在 1 9 8 5 - 1 9 8 7 年正线旅客列车事故总的2 3 名 死亡人数中占两人，受伤人数占总的受伤人数的 1 6 % e 1 1起同类列车之 间碰撞全部都发生在低速或中速 ( 低于 5 0 k m / h )市郊列车，其中有 9起 为多机组列车间的碰撞。这 1 1 起事故造成的受伤人数占全部在案的 2 4 % , 但无死亡。这一事实表明在低速情况下也会造成大量的伤亡。 发生过 3 起客运列车与货运列车间的碰撞。其中一起为由三台货物机 车组成的列车和一列时速为 1 6 9公里的客运列车碰撞，造成 1 6人死亡， 1 7 6人受伤。另外两起都是货物列车和客运列车相撞，时速为 4 0 k m / h , 伤 1 5 3 人。 采用当前的技术，铁路列车在时速超过 1 3 0. 1 6 0 k m碰撞时，不可能 在不遭受严重破坏和大批伤亡的条件下而幸存无殃。但从分析事故情况 中得知低、中速时的伤亡占总伤亡很大一部分，除了高速不可控制外， 从现有的技术条件讲，所设计的车辆结构细节在确定碰撞后果时起重要 作用。 2 . 3机车车辆耐碰撞度设计 一辆耐碰撞的车辆是指:在给定的事故场景中当出现与碰撞有关的 事故时，为乘客提供的一种安全环境。由于车辆或列车的突然加速或减 速，或者因为对车辆结构或设备的机械破损造成的下列两个主要机制的 结果，车辆乘客可能受到伤害或死亡:( 1 )车辆与另一车辆、物体或地 面结构的第一次或主要的碰撞:( 2 )跟随首次冲击的发生，同时在乘客 和车辆的内部之间发生一次或多次二次碰撞。相对于首次碰撞效应的乘 客保护包括车辆的设计要素，这些要素论述车辆结构的总体破损与动能 控制特性、乘客舱室的完整性以及舱室的加速度环境 ( 在一列列车中， 整车组的运动学行为确定了在事故期间每一车辆所感受的初始冲击条 件) 。对由二次碰撞所引起的伤害保护，除了考虑人对冲击感应的力和加 速度的生物响应之外，需要考虑车辆座舱的内部布置和它的表面力一 挠度 特性。必须指出，这种二次碰撞的性质和严重性也与总体车辆的加速度 响应有关，因为这种加速度影响乘客相对于舱室内部的相撞速度。 2 . 3 . 1 机车车辆结构 任何机车车辆的外形都要提供与碰撞有关的两种基本功能:( 1 ) 在安 置乘客的座舱四周起保护罩或密封作用;( 2 ) 当受到某种可以容许的破坏 c h e n g d u 2 0 0 1 西南交通大学研究生学位论文第9 页 量时， 依某种可控的方式消散整个结构的最大可能冲击动能。后一种作用 也同时作为限制乘客座舱范围内总加速度的技巧，以尽力减小二次碰撞 的次数和缓和二次碰撞的严重程度。 被车辆冲击的 ( 或抵抗推动的)物体尺寸是第一个结构功能的重要组 成部分。当与大而重的物体碰撞 ( 如在列车对列车冲击时) ，需要考虑车 辆总体结构的完整性。这里要强调的是要保持有足够的乘客座舱空间 ( 即 限制它的挤压) ，以便预防侵入座舱而伤害乘客。相反地，经车辆外壳推 进的小物体 ( 如子弹或石块) ，只需要在紧靠冲击的部位作耐局部击穿的 评估。 第二个功能探讨在碰撞中移动车辆所包含的质量动能的消散问题。通 常，运输车辆是借助于机械功和摩擦功来消散事故时的动能的。对于轮 轨车辆，这一动能由下列物理过程消耗掉: 可控的车辆结构变形 ( 即无摺曲及/ 或断裂条件下的挤压) 结构摺曲 滑行/ 滚动 ( 如车辆车轮切入轨枕、道渣、道床四周的表面，等等) 与地面建筑物相撞 由于只有车辆结构挤压是可控的，因此绝对有必要对结构做出谨慎的 设计，使其按有计划的和按顺序的方式毁坏。也即，为了吸收最大限度 的动能，结构必须设计成能在预定的位置上和特定的负荷下被破坏。然 而，必须指出，这种处理的有效性要受到车辆总有效挤压空间以及结构 自身能量吸收能力的限制。 碰撞事件使车辆受到严重的负荷环境的支配，此环境以高应力和短持 续时间为特征。这些作用力使瞬态变形分布在从小弹性变形和小应变到 大塑性 ( 即永久)变形和 ( 有限)应变范围内。受到冲击载荷的韧性金 属车辆结构的塑性变形，至少可以消散移动质量初始动能的一部分。通 过相称的设计，车辆结构可以作为一种经济的和有效的冲击衰减装置， 以帮助保护碰撞中的乘客。这种努力的成功程度取决于许多车辆设计因 素以及特定的碰撞位置和所考虑的冲击速度. 车辆结构在冲击负荷下的破坏方式，是以一种在车辆上点到点各异的 加速度环境表现出来的。由乘客座舱感受到的空间平均加速度时变响应， 通常被认为是车辆的碰撞脉冲。完整碰撞脉冲的一般形状、量值和持续 时间，对车辆乘客运动学及潜在伤害具有重要的影响，伤害是由座舱范 围内的二次碰撞及/ 或乘客与坐在座位约束系统中的乘客之间的相互作用 c h e n g d u 2 0 0 1 西南交通大学研究生学位论文 第1 0 页 引起的。 理论上， 当在碰撞期间产生一个几乎不变的碰撞脉冲( 有快的发生率) 时，我们可以把车辆设计成使座舱挤压处于容许水平之内。在现实中， 这一目标是永远无法实现的，不过常常可以足够精确地予以逼近，使其 有可能提供最好的折衷。因此，经验己经表明，对于那些有约束系统的 车辆，把实际碰撞脉冲的形状控制在设计框图中，让其逼近这种理想的 加速度响应，就有可能为约束装置的优化功能提供有利条件。 关于耐碰撞的动能控制: 从乘客碰撞保护的观点，如何把碰撞能量转换为机械功，就象结构可 以对给定事故场景消散其总能量一样具有重要意义。必须指出，一种满 足乘客碰撞保护的碰撞脉冲预防措施，在列车或任一其它运输工具的事 故中并不能保证防止严重的乘客伤害。座舱 内部设计的 “ 亲和程度 ”以 及乘客的约束系统的类型和有效性 ( 如要有的话)也将对这一方面起作 用。 动量守衡和能量守衡，这两个基础物理概念也支配着碰撞中所涉及的 车辆总体结构响应。下面是对两辆地面车辆之间的共线冲击进行讨论， 对必须 ( 主要)由车辆结构消散的动能能量导出表达式 动量守衡定律 ( 在共线情况下)要求是: m , v + m 2 v = m a + m 2 v 2 ( 2 一 1 ) 而动能守衡 ( 这里为平移)是: 告 m ，。 2m ,v 合 m 2、 一 2 m i(v )z 告 m 2 (v2) 2 e d ( 2 一 2 ) 式中m l m 2 分别为车辆1 和车辆2 的质量 v , , v 2 分别为车辆1 和车辆2 的冲击前速度 叮，气 分别为车 辆1 和 车 辆2 的冲击后速度 e ,为碰撞期间由 结构永久变形而消耗的 在两 辆车辆碰撞中的 总能量 与一般习惯相一致，在这里提出的推导中不计有摩擦力 ( 例如在冲击 之后轮/ 轨滑动作用产生的摩擦力)所消散的能量。 为进一步简化，假定在发生挤压处两辆车辆的结构都具有塑性 ( 即无 弹性恢复)材料特性。这种情况下，碰撞之后两辆车辆仍然保持接触， c h e n g d u 2 0 0 1 西南交通大学研究生学位论文 第n页 并获 得一 个公共的 冲击 后速 度v , ， 也即 v f = v , = v z ( 2 一 3 ) 把( 2 - 3 ) 式 代入( 2 - 1 ) 式， 便得 到公 共速 度玲的一 个 解: v f = ( m , v , + m 2 v 2 ) / ( m , + m 2 ) ( 2 一 4 ) 把 ( 2 - 3 )式和 ( 2 - 4 )式代入 ( 2 - 2 )式，得碰撞中所消散的动能总量 的表达式: e , = m ,m 2 ( v , 一 v 2 ) / 2 ( m , + m 2 ) 二 m , m 2 v 2 / 2 ( m , + m 2 )( 2 一 5 ) 式中 v = v , 一 v 2 ( 2 一 6 ) 为两辆车辆碰撞前的靠近速度。 必须指出，在碰撞中被吸收的总能量可视为是因碰撞使车辆遭到潜在 破坏的指示器。方程 ( 2 - 5 )表明，在一辆或两辆车辆都轻的情况下，对 破坏有效的总吸收能量要比两辆车都重的情况小。 由永久车辆结构变形吸收的总能量可表达为: 凡= 凡、 + 凡:( 2 一 7 ) 式中凡。 和e a t 分别 表示由 车辆 i 和车辆 2所吸收的能 量。 利用功和 能的等价性，方程 ( 2 - 7 )可写为: 凡 = ( 凡. ) , l 3 + ( 凡. ) 2 l 2 ( 2 一 8 ) 式中( 凡， ) 。 和( 凡 ， ) : 是车 辆 1 和车辆2在碰撞界 面上平均力的各自 量 值，而乌和几是车辆 1 和车辆2 各自的动态挤压行程。 借助于牛顿第二运动定律 ( 凡， ) ， = m i ( q a v ) i ( a - a ) ( 凡. ) 2 = m 2 ( a a . ) 2 ( a - b ) 式中( a a v ) 1 ( a a v ) 2 分别是车辆i 和车辆2 质心的 平均加速度。 c h e n g d u 2 0 0 1 西南交通大学研究生学位论文第1 2 页 必须指出利用方程 ( a - a )和 ( a - b )中的质心加速度建立的是一个对 于碰撞界面平均作用力的一阶刚体近似式。这种观察是建立在这样的事 实基础上的，即这些方程没有计及一系列下列因素:( 1 )由车辆中各种 大而刚硬的质量聚集而产生的惯性效应 ( 如转向架组体) ，通常这些质量 的聚集不会产生大的动能消散，但会显著影响结构的破坏方式:( 2 )因 为结构和功能部件到达碰撞界面处停止时，在结构破坏期间车辆承受加 速度和减速度的质量要降低;( 3 )在这种作用下质心的位置要相应的变 化。 借助于牛顿第三运动定律，互撞车辆之间的界面力相等。从方程 ( a - a )和 ( a - b )可以发现: ( a , , ) , = m 2 ( a a v ) 2 m i( 2 一 9 ) 方程 ( 2 - 9 ) 表明若m 2 = m , ( 相同重量的车辆)则( a a v ) ， 二 ( a a , ) 2 ，也 即是两辆车辆在碰撞期间感受到相等的平均加速度量值。 m 2 m i ( 车 辆2 重于车 辆 1 ) ， 则( a a v ) 1 ( a a , ) 2 ， 也即是， 在冲击时 轻车辆要受到比重车辆更大的平均加速度量值。 把方程 ( a - a ) , ( b - b )和 ( 2 - 9 )代入方程 ( 2 - 8 ) ，得 e d = m 2 ( a a v ) 2 ( l t + 几)( 2 一 1 0 ) 考察互撞车辆具有相同质量而车辆 2 是静止情况。这就描述: m, 二m2=脚( b 一 a ) ( 气， ) ， = ( a , , ) : 二 a a v( b 一 b ) v= v ii( b 一 c ) v 2 = 0 把方程 ( b - a ) , ( b - b )代入方程 ( 2 - 1 0 )得: 凡= m a a , 石+ 几 ) 而把方程 ( b - a ) , ( b - c )和 ( b - d )代入方程 ( 2 - 5 ) ，得到: e , = 脚 心 / 4 ( b 一 d ) ( 2 一 1 1 ) ( 2 一 1 2 ) c h e n g d u 2 0 0 1 西南交通大学研究生学位论文第1 3 页 根据攻击车辆的冲击速度和两个相同质量车辆的平均加速度水平，可 以 对后两个方 程求解车辆的 总挤压 行程l ， 十 l z ， 也即 乌+ l 2 = 哈/ 4 a a , ( 2 一 1 3 ) 按照方程 ( 2 - 5 ) ，方程 ( 2 - 1 3 )的原样，通常是不可能用来确定车辆 1 或车辆2 任何一个的挤压行程大小的; 只可能算得总的挤压行程。 然而， 如果在冲击区内两个前部车辆具有相同的结构力. 挠度特性，并且不发生 拱起，那么两辆车辆的结构将承受相同的挤压 l ，也即 l , =l z = l，l , 十 l z = 2 l ( 2 一 1 4 ) 且对于这种特定的情况，方程 ( 2 - 1 3 )变为: l 二 叮l 8 a , ( 2 一 1 5 ) 考察这样一 种事故，其中一 辆以 速度v . 运动的车辆头对头地攻击一 辆相同的静止车辆。每辆车将承受由方程 ( 2 - 1 5 )给定的挤压行程 l o假 定车辆被设计成共线碰撞时能产生一个理想化的矩形脉冲。方程 ( 2 - 1 5 ) 可用来产生以一族描述在各种不同的常值加速度水平下作为冲击速度的 函数的动态挤压特性曲线。 对车辆与不可屈服的平板墙 ( 也即 车辆结构要消散的能量表达式可由方程 “ 刚性”障碍物) 正交冲击的情况 ( 2 - 5 )得到。 凡 = m , ( k一 玖 ) ， / 2 ( m , / m l + 1 ) 该方程可写为: ( 2 一 1 6 ) 当， ， 二 m( 车辆质量) ， 墙质量m a m , ( 即m 2 假定是比 车辆质量大 的多) ， 冲击速度v , = v n ，而固定的墙体速度v z = 0 时， 在极限 情况下当 m 2 趋于无穷大时， 方程 ( 2 - 1 6 ) 变为: e d = m 呀/ 2 ( 2 一 1 7 ) 就平板障碍物的碰撞条件而言，在碰撞期间其刚性障碍物不会移动。 因此，在方程 ( 2 - 8 )中的第二项被略去，剩下: 凡 二 凡 l 二 m a , l ( 2 一 1 8 ) c h e n g d u 2 0 0 1 西南交通大学研究生学位论文第1 4 页 由 于e , 为常数， 方程 ( 2 - 1 8 ) 可以 满足所有的凡， 和l组合。 这就意 味着， 对于给定的能量消散水平e , ， 车辆可以被设计成很 “ 刚 硬” ( 也即 在高的作用力水平下承受小的破损)或很 “ 柔软”( 也即在低的作用力水 平下承受大块破损) ，或者在这两个极端之间被设计成能抵抗某种水平下 的作用力和挤压。在这两种冲击参数之间的折衷选择对任一种碰撞组态 都成立。 方程 ( 2 - 1 8 ) 也满足所有的a , ， 和 l组合。因此， 一个刚性结构使车 辆座舱受到一个高量级的加速度脉冲和相对小的动态破损，而柔软结构 把一个低的多的碰撞脉冲传给座舱，并以更大的破损为代价。在加速度 和破损之间的这种折衷对所有的碰撞组态同样是实用的。 根据方程 ( 2 - 1 7 )和 ( 2 - 1 8 ) : l = 心1 2 a a ( 2 一 1 9 ) 代表车辆对平板障碍物冲击组态的相应挤压行程。 2 . 3 . 2 机车车辆内部结构 车体结构的整体和局部的完整性以及能量控制特性，在碰撞期间对车 辆乘客提供了缓冲的保护性座舱。足够的结构完整性储备保证车辆乘客 将不会受到侵入车辆结构的挤压、不会被抛射物所打击、也不会被物体 的零件或其它受冲击车辆所刺穿，或被抛出车辆之外。结构能量控制特 性本身要以车辆碰撞脉冲 ( 乘客座舱加速时变响应)的形式出现，在碰 撞期间这也要对乘客的响应起作用。 在车辆的碰撞中，车辆 ( 因此也是乘客座舱)的速度会迅速变化。如 果在一个不受约束的乘客与座舱内部之间存在一个开阔的空间，则乘客 在车辆前进方向的速度将与座舱的速度稍有不同。车辆碰撞脉冲的特性 和乘客在与座舱内部相撞之前的乘客移动距离，确定了相撞的相对速度。 图2 - 1 描述一个无约束乘客在典型的二次冲击时所包含的简单物理过程。 c h e n g d u 2 0 0 1 西南交通大学研究生学位论文 第i s 页 发展阶段 速度 图 2 - 1假定的车辆和无约束乘客的速度分布:正面碰撞模式 在车辆正面碰撞期间一个脸朝前坐的无约束乘客 ( 为简化起见被认 为是一个质量)的运动，可化分为图中三个发展阶段。当车辆碰上一个 物体并开始减速时，乘客继续以 差不多是车辆冲击初速度v, , 向 前运动。 这一被表示为 “ 阶段 1 ”的 “ 自由路程”周期在车辆内部有效平移空间被 用 完 时 结 束 ， 也 就 是 当 乘 客 与 内 部 表 面 在 时 亥 9 to i， 相 撞 附 结 束 这 一 时 亥 。 表 示阶段1 1 的开始; 乘客相对于车辆有一相对速度， 用v o / v ( r o i , ) 表示。 当碰撞发生后，车辆具有高平均加速度水平及在充分长的持续时间内 较早出现的高峰值，其车辆碰撞脉冲将会使图中画出的车辆速度分布变 的更陡，并随后以比一个稍为缓和的碰撞脉冲曲线快得多的速度趋于零。 因此，无约束乘客/ 车辆内部相对冲击速度v a / v ( t o i , ) 将比前者更大，并造 成严重的伤害。 在阶段1 1 期r内，乘客被减速与车辆的相对速度为零时为止。在阶段 h，对理想假定的乘客/ 内部表面塑性冲击的情形 ( 表示在图中) ，乘客仍 然保持与座舱内部表面接触，并随车辆速度一起减速到零。这后一阶段 被认为是碰撞的 “ 撞倒”时间间隔。 对乘客伤害的最大潜在可能性存在于阶段n的座舱内部杀伤。与乘客 对车辆座舱相对速度有关的动能，是经由车辆座舱内部的变形 ( 假定内 c h e n g d u 2 0 0 1 西南交通大学研究生学位论文第1 6 页 部有极好的成形并有缓冲垫，并可合理地变形)和乘客自身来吸收的。 如前所述，在这一阶段潜在的伤害是乘客/ 座舱相对冲击速度v . , 。 和内部 力一挠度特性两者的函数。例如列车正面对正面相撞时，坐着的乘客将 被撞倒并受它前面的座倚靠背的约束而发生冲击。对这种特定的事故场 景，合理的座倚靠背设计可以提供满意的乘客约束 ( 即靠背应有弹力， 能缓冲冲击，以便把力和加速度限制在人类可以接受的水平下) 。对于其 它的事故场景如侧面冲击和翻转，这类乘客固定机制将是没有用的。 使用约束系统后的根本原则，是在乘客和座舱内部配置一种特殊设 计的承载和可变形机构。约束系统为双重目的服务。它们能使车辆乘客 在事故期间与车辆一起减速 ( 或加速) ，允许他的座舱有效的打击范围内 ( 即自由空间)受到一种有更大控制的运动。因此，乘客相对于座舱的 速度和运动有所降低，避免或至少削弱乘客与座舱内部表面或其它乘客 相撞时的严重程度。一个适当地受约束的乘客将感受倒一个调幅形式的 总平均车辆碰撞脉冲，使碰撞脉冲反映约束系统的力一挠度特性、座倚 处和约束系统安装点的局部加速度环境以及所有坐着乘客/ 座舱的接触面 积，并在出现这类相撞的区域内反映约束系统和乘客身体之间的柔顺度。 c h e n g d u 2 0 0 1 西南交通大学研究生学位论文第1 7 页 第三章 机车车辆耐碰撞度的评价 机车车辆的耐碰撞度是指在发生与碰撞有关的事故时，机车车辆将为 它的司乘人员提供抵抗一次和二次碰撞效应的充分碰撞保护。因此，机 车车辆耐碰撞度的可靠评价，就机车车辆结构的完整性、动能控制以及 乘客座舱内部设备对减轻这一保护空间内潜在有害相撞的有效性而论， 应该能评价机车车辆结构的性能。 3 . 1 确定机车车辆耐碰撞度的方法 目前采用两种不同的途径来确定车辆的耐碰撞度，这就是实验和分析 的途径。 1 ) 实验技术 车辆碰撞形成了一种恶劣的动态负荷环境，在结构的与惯性的作用 力及车辆乘客的响应之间显现出不同的潜在的复杂相互作用。评价运输 车辆耐碰撞度的途径之一是在一种模拟的环境中进行实验.在这种方法 中，整辆车辆或某些具有代表性的部件要受到动态负荷条件的支配，应 努力在实验可行的范围内去模拟在真实碰撞暴露中的初始条件及其随后 的车辆响应。这种方法通常包括三种技术，即实物全尺寸碰撞、滑橇试 验以及部件试验。 2 ) 分析技术 如果不只是为了用来模拟少量典型的可能发生的真实事故暴露，那么 绝对依赖实物试验方法评价车辆碰撞安全性能是价格非常高的主张。为 了实现对这一种情况的某些实用的折衷，采用对机动车乘客有代表性的 碰撞暴露，即正面平板障碍物碰撞试验，作为这种实验布置的一种尝试。 显然，可以预测乘客和车辆的冲击响应的数学模型对执行车辆碰撞安全 性能评价将是很有用的工具。理论上，这类模拟不会受到有限数