（光学工程专业论文）轨道车辆新型碰撞吸能装置的设计研究.pdf

摘要 摘要 在现代车辆人性化设计思想越来越深入的今天，被动安全防护技术已成为保 障轨道车辆运行安全十分重要的工程技术。近十多年来，欧美国家车辆被动安全 设计技术研究逐渐成熟并已进入工程化应用阶段，运用实践表明，根据被动安全 设计思想研制的耐碰撞轨道车辆对乘员生命安全起到积极的防护作用。 轨道车辆缓冲吸能装置作为车辆被动安全防护系统的不可或缺的组成部分， 其碰撞特性，其中包括吸能能力、减速缓冲等性能，对于保护乘员在碰撞事故中 的安全目标起着重要作用，因而成为近年轨道车辆被动安全技术研究中的一个热 点课题。吸能装置的性能不仅与其结构设计有密切的关系，也与使用材料直接相 关。根据这一思路，本文拟将新型材料泡沫铝运用到轨道车辆吸能装置中，通过 碰撞仿真研究泡沫铝填充对吸能装置吸能特性的影响，并由此开展了新型轨道车 辆吸能防爬器的设计研究。 论文首先介绍了国内外对城市轨道车辆被动安全防护技术研究的现状，阐述 了车辆被动安全系统的组成，综述了轨道车辆吸能装置的性能要求和评价指标， 以及国外对于轨道车辆吸能装置的研究方法和设计思想，并对碰撞非线性有限元 仿真技术进行了讨论。 论文在介绍泡沫铝动态力学性能的基础上，基于非线性有限元技术，运用 m s c p a t r a m 软件和m s c d y t r a n 软件通过仿真研究的方法，对泡沫铝材料的压 缩性能特性进行了研究，然后将仿真结果与有关文献的试验结果进行了比较，对 比结果表明了两种方法在能量吸收以及轴向冲击力等碰撞性能呈现较好的吻合 度，证实了采用m s c d y t r a n 软件进行泡沫铝材料结构有限元仿真的可行性。 论文进一步对采用不同泡沫铝材料填充结构形式的轨道车辆吸能装置方案 进行碰撞仿真研究，通过比较获得了较优的方案。最后，对拟使用于城市轨道车 辆上的泡沫铝材料吸能装置安装到端车上，建立了包括吸能装置和耐碰撞车头的 整体仿真模型，并进行了碰撞仿真，得到了安装新型吸能防爬装置的城市轨道车 辆在设计冲击速度下的能量吸收等相关碰撞性能参数，较完整地模拟了耐碰撞轨 道车辆在撞击下的动态响应过程，从而为新型吸能装置的研发和耐碰撞轨道车辆 头车的设计提供有意义的参考。 关键词： 轨道车辆；碰撞； 吸能装置； 泡沫铝；仿真；设计 a b s t r a c t a b s t r a c t n o w a d a y s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd e s i g nc o n c e p tb a s e do nh u m a no f v e h i c l e s ，t h et e c h n o l o g yo fp a s s i v es a f e t yh a sb e c o m eav e r yi m p o r t a n te n g i n e e r i n g t e c h n o l o g yt h a te n s u r e st h er a i l v e h i c l e sr u n n i n gs a f e l y o v e rt h ep a s td e c a d e ，t h e t e c h n o l o g yo fp a s s i v es a f e t yh a sg r a d u a l l yc o m et om a t u r i t ya n dh a sb e e na p p l i e d w i d e l yt ot r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g p r a c t i c ei n d i c a t e st h a tc r a s h w o r t h yr a i lv e h i c l e s b a s e do np a s s i v es a f e t yd e s i g nc o n c e p th a sap o s i t i v ee f f e c to np a s s e n g e r ss a f e t y e n e r g ya b s o r p t i o nd e v i c eo fr a i lv e h i c l e ss e r v e sa san e c e s s a r yp a r to fp a s s i v e s a f e t ys y s t e r a i t s c o l l i s i o nc h a r a c t e r i s t i c si n c l u d ee n e r g ya b s o r p t i o na b i l i t y , d e c e l e r a t i o np e r f o r m a n c ea n ds of o r t h w h i c ha r ev e r yi m p o r t a n tf o rp r o t e c t i n g p a s s e n g e r ss a f e t yd u r i n ga c c i d e n t s o ，e n e r g ya b s o r p t i o n d e v i c eh a sb e c o m ea h o t s p o ti s s u ea m o n gs t u d yo fp a s s i v es a f e t yt e c h n o l o g yr e c e n t l y t h ep e r f o r m a n c e o f e n e r g ya b s o r p t i o nd e v i c ei sn o to n l yc l o s ea s s o c i a t e dw i t hc o n s t r u c t i o nd e s i g n ，b u t a l s om a t e r i a la d o p t i o nd i r e c t l ya c c o r d i n gt ot h i sc o n c e p t ，n e wm a t e r i a ln a m e d a l u m i n u mf o a mw a sa d o p t e di nd e v e l o p i n gt h ee n e r g ya b s o r p t i o nd e v i c ef o rr a i l v e h i c l e s a n di n f l u e n c e so ne n e r g ya b s o r p t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fe n e r g ya b s o r p t i o n d e v i c ef i l l e dw i t ha l u m i n u mf o a mw e r es t u d i e db yf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n b a s e d o nt h i s ，t h en e wt y p eo fe n e r g ya b s o r p t i o nd e v i c ew i t ha l u m i n u mf o a mi sd e s i g n e d f i r s t l y , p r e s e n ts i t u a t i o na b o u ts t u d yo fp a s s i v es a f e t yp r o t e c t i o nt e c h n o l o g y b o t ha th o m ea n da b r o a dw a si n t r o d u c e di nt h i st h e s i s a n dc o m p o s i n go fv e h i c l e p a s s i v es a f e t ys y s t e mw a sr e p r e s e n t e dt o o s u b s e q u e n t l y , p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t a n da p p r a i s i n gi n d e xo fe n e r g ya b s o r p t i o nd e v i c eo fr a i lv e h i c l e s 蠲w e l la ss t u d y m e t h o d sa n dd e s i g nc o n c e p to fe n e r g ya b s o r p t i o nd e v i c eo fr a i lv e h i c l e sa ta b r o a d w e r es u m m a r i z e d a n dn o n 1 i n e a rf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nt e c h n o l o g yw a s d i s c u s s e d d y n a m i cp e r f o r m a n c eo fa l u m i n u mf o a mw a si n t r o d u t e d o nt h eb a s i so f n o n l i n e a r f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ,c o m p r e s s e dp e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c so fa l u m i n u mf o a mw e r es t u d i e dt h r o u g hs i m u l a t i o nm e t h o db ym s c p a t r a na n dm s c d y t r a ns o f t w a r e t h e n ，b yc o m p a r i n gs i m u l a t i o nr e s u l t sw i t h e x p e r i m e n tr e s u l t so fr e l a t e dl i t e r a t u r e ，i ti si n d i c a t e dt h a tt w om e t h o d sa r ec o i n c i d e n t i nb o t ho fe n e r g ya b s o r p t i o np e r f o r m a n c ea n da x i a ld i r e c t i o nf o r c e t h i sp r o v e dt h a t n o n 1 i n e a rf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nw i t hm s c d y t r a ns o f t w a r ew a sf e a s i b l e b a s e do na b o v e ，e n e r g ya b s o r p t i o nd e v i c e si nw h i c ht h ea l u m i n u mf o a mw a s f i l l e di nd i f f e r e n tw a y sw e r es i m u l a t e d t h r o u g hc o m p a r i n g ，c o m p a r a t i v e l ye x c e l l e n t n s t r u c t u r ew a sf i g u r e do u t f i n a l l y , t h ee n e r g ya b s o r p t i o nd e v i c ew i t ha l u m i n u m f o a m w a si n s t a l l e dt ot h eh e a do fa nu r b a nr a i lv e h i c l e a n dt h e nw h o l em o d e li n c l u d i n g e n e r g ya b s o r p t i o nd e v i c ea n dc r a s h w o r t h yc a rb o d ys t r u c t u r ew a se s t a b l i s h e da n d c r a s h i n gs i m u l a t i o nw a sp e r f o r m e da sw e l l c o l l i s i o np e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so f t h e u r b a l lr a i l 谵h i d ew h i c hw a si n s t a l l e dn e wt y p ee n e r g ya b s o r p t i o nd e v i c eu n d e r i n i t i a l v e l o c i t yw e r ef i g u r e do u t c o n s e q u e n t l y , t h i so f f e r e dh e l p f u lr e f e r e n c ef o rd e s i g no f n e we n e r g ya b s o r p t i o nd e v i c ea n dc r a s h w o r t h yr a i lv e h i c l e s k e yw o r d s ：r a i lv e h i c l e ： a l u m i n u mf o a m ： c o l l i s i o n ：e n e r g ya b s o r p t i o nd e v i c e ； s i m u l a t i o n ：d e s i g n i i i 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何 他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研 究工作做出贡献的其他个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原 创性声明的法律责任由本人承担。 签名： 年月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的工程背景 轨道交通号称“交通运输的大动脉”。作为公共交通系统的一个重要组成部分， 我国的轨道交通在国民经济的可持续发展过程中，发挥着举足轻重的作用。 和其他公共交通相比，轨道交通具有以下特点：用地省，运能大，节能、安 全、舒适、快捷；采用电力牵引，对环境的污染小。它不仅对经济和社会发展起 着巨大推动作用，而且也是一个国家经济社会发展水平的重要标志。随着科技的 进步和我国城市化进程的加快，在当今的人为本的和谐社会中，轨道交通的运行 安全性也愈来愈受到人们的关注。 干线客运高速化是当今世界铁路发展的共同趋势。自1 9 6 4 年日本建成了世 界上第一条高速铁路一东海道新干线以来，法国、德国、西班牙、意大利、瑞典 等国的高速铁路相继建成。截至2 0 0 5 年1 2 月，全世界运营中的高速铁路营业里 程总长达6 3 9 3 k m ，这些线路分布在1 0 个国家和地区。运营速度也已从初期的 2 1 0 k m h 一2 4 0 k m h 到如今的3 0 0 k m h , 并向3 5 0 k m h 的目标迈进。 为了适应我国经济快速增长的形势要求，我国进行了多次提速。去年的第六 次铁路大提速后，京哈、京沪、京广、胶济等现有铁路干线将实施2 0 0 公里速度 级的提速，部分区段列车时速将达到2 5 0 公里，现在京沪、京津高速也即将建设， 其运行时速将有望达到3 5 0 公里。 而世界上第一条磁浮商业运营线上海磁浮列车示范线的运营速度更达 到了4 3 0 k m h 的超高速度。 随着轨道列车运营速度的进一步提高，车辆的运行安全问题越来越受到公众 的高度重视。由于列车是在专有的轨道上运行，发生碰撞事故的可能性要远小于 其它交通运输工具。然而，由于列车质量大，速度高，而且载客量大，一旦发生 意外事故，就会带来严重的人员伤亡和经济损失。 历史上，国内外轨道车辆发生的碰撞事故不胜枚举，就近一两年而言，这类 事故同样频频发生。例如： 2 0 0 5 年1 月1 7 日，曼谷2 列地铁车辆在市区国家文化中心车站相撞，列车 上大约有7 0 0 名乘客，结果造成约2 0 0 人受伤。 2 0 0 5 年3 月1 0 日，在阿根廷首都布宜诺斯艾利斯，由于一列火车司机违章， 未按信号指示行车，造成两列城市列车追尾相撞，1 3 1 名乘客受伤等。 2 0 0 6 年全球发生了多起轨道车辆碰撞事故：4 月1 6 日，印度尼西亚中爪哇省发 生两辆列车相撞事故，造成1 4 人死亡，1 2 人受伤。4 月1 2 日，我国两列火车在 京九铁路广东境内发生追尾事故，造成2 0 余名旅客和工作人员受伤，列车机车 第一章绪论 受损。6 月1 2 日，以色列一列乘载二百名乘客的市郊往返火车撞向一辆小型货 车，引发三节车厢脱轨侧翻。造成至少5 人死亡，8 0 人受伤。同月1 3 日，斯 里兰卡南部卡卢特勒地区发生火车相撞事故，造成至少3 0 人受伤。而在同月2 4 日荷兰南部马斯特里赫特地区也发生了两列火车相撞事故，1 5 名乘客受伤。7 月1 2 日，孟加拉国北部，又发生了一列火车与一辆准备横穿铁路的满载公共汽 车相撞，造成3 2 人死亡，另有3 0 人受伤。 2 0 0 7 年6 月5 日，一列火车在澳大利亚南部一处铁路道口撞上一辆卡车， 火车两节车厢脱轨。这起事故造成1 0 人死亡，至少1 2 人重伤，此外，还有大约 4 0 人受伤。 2 0 0 7 年7 月2 3 同，我国兰新铁路大青阳口至马莲井区间发生列车行车事故， n 8 5 7 次旅客列车行至山丹境内大青阳口至马莲井区间，与前方运行的8 5 2 0 9 次 油罐货车相撞。n 8 5 7 次旅客列车车头及第一车厢出轨，8 5 2 0 9 次货物列车九节车 体出轨，客车司机一死一伤，旅客无伤亡。 因此，在目前这种事故频发的形势下，如何提高轨道车辆运行安全性，减小 事故损失，尤其是实施现代车辆以人为本的设计思想，对车辆进行耐碰撞设计， 以最大限度地减少司机和旅客在列车事故中的伤亡，己经成为轨道车辆研发中非 常重要的课题之一。 自上世纪八十年代中期至今，世界各国铁路一直在探索轨道车辆碰撞安全技 术【l h 5 1 ，以实现列车的被动防护，降低碰撞事故造成的损失，但直到近年来随着 非线性有限元技术的发展才得到了突破性的进展。十多年来，德国、法国、英国、 美国等国家都己经根据列车碰撞事故的调查、分析并结合本国轨道车辆的特点开 展了耐碰撞轨道车辆的试验和计算机仿真研究，制定了车辆在碰撞过程中的能量 吸收标准，设计出轨道车辆耐碰撞系统。近几年来，我国也开始了对轨道车辆的 耐碰撞技术的理论和计算机仿真研料叫，但结合国内轨道车辆特点的耐碰撞 系统设计和分析还处于初步阶段。 轨道车辆的碰撞安全性主要受头车( 司机室结构、底架端部结构、端墙等) 的 结构形式及其耐撞性能的影响，同时又与专用吸能装置( 包括吸能防爬装置) 的性 能等有关。为实现列车的被动安全保护，即保持乘客的生存空间，降低二次碰撞 减速度，耐碰撞轨道车辆要求在一定的撞击速度下，车体外附加的吸能装置或车 体结构次要部位能按照设计要求有序地发生大塑性变形，在吸收较多的碰撞动能 的同时，形成较大的压溃行程，延长撞击作用时间，从而降低撞击减速度，并为 乘员提供必须的生存空间。 虽然目前国外已有研究单位和大的轨道车辆企业进行了轨道车辆的碰撞试 验，通过昂贵的仪器设备和复杂的试验方法来解决轨道车辆的碰撞安全问题，但 2 第一章绪论 这种试验方法不但花费太大，耗时太多，且难以用于设计阶段进行的轨道车辆的 碰撞安全性能预测。随着计算机速度、内存容量、图形功能的发展以及动态显式 非线性有限元技术的发展，为轨道车辆碰撞的计算机模拟提供了强有力的工具。 本论文将主要运用有限元仿真技术，根据耐撞击设计思想，对碰撞能起较好防护 作用的耐碰撞车体结构以及新型缓冲吸能防爬装置进行设计研究。从而为推动我 国轨道交通车辆的被动安全技术应用作出努力。 1 2 轨道车辆事故调研情况 为了了解事故的原因和类型，以及满足乘员安全性的要求，美国和日本等 国家分别对本国发生的铁路事故进行了调查研究分析。日本对自1 9 9 1 年4 月至 2 0 0 1 年1 2 月的碰撞事故进行了调查统计分析研究。，美国联邦铁路管理局对 1 9 8 5 1 9 8 7 三年期间美国的列车事故进行了调查统计分析研究。下表1 - 1 和1 2 分别为两国事故调查结果。 表1 1 日本自1 9 9 1 年4 月至2 0 0 1 年1 2 月的碰撞事故类型以及伤亡人数 事故类型国有铁路城郊省属铁路其它死亡人数受伤人数 头部碰撞 l0534 38 5 4 平交道口碰撞 522015 8 6 与障碍物的碰撞2 l o005 4 侧面碰撞 llo051 4 1 缓冲停车碰撞 lo2ol4 6 7 翻转2000 0 5 4 脱轨loo0o1 6 总计 1 24936 02 1 7 2 调查只对机车车辆的破坏和列车内司乘人员的伤亡进行了统计分析，没有考 虑地面上车辆的破坏和人员的伤亡，从而确定碰撞事故对列车及司乘人员的危害 性。结果表明：头部碰撞和平交道口的碰撞在所有事故中占最大比例；列车端 部碰撞后，如果一列车爬上另一列车，即发生爬车事故，则事故的伤亡率会很高； 中低速度下列车的碰撞事故占碰撞事故中很大一部分。通过碰撞事故调查分 析，明确了机车车辆耐碰撞技术的研究方向以及试验和计算机仿真的条件。 表1 - 21 9 8 5 1 9 8 7 三年期间美国联邦铁路管理局对列车事故的调查结果 事故类型城市间市郊总数死亡人数受伤人数 与同类列车相撞 低速机车与司机室车 ollol 中速机车与司机室车 o l l0 9 llo0 低速司机室车与司机室车 0 中速司机室车与司机室车 o 8 831 9 0 第一章绪论 与障碍物相撞 平交道口处机车与卡车 2 743 l03 3 平交道口处司机室与卡车 07 7o5 9 平交道口处机车与汽车 66 1 2o2 9 平交道口处司机室车与汽车 o 9 90o 平交道口处机车与不明车辆 1 071 721 2 平交道口处司机室车与不明车辆 0220l 机车与养路设备 202o0 司机室车与养路设备 0ll00 机车与碎石 8 21 0ol 司机室车与碎石 05500 司机室车与导轨 03300 机车与铁路车辆 213o4 司机室车与铁路车辆 0llo0 机车与公路车辆 53804 司机室车与公路车辆02200 与1 f 同类列乍相撞 机车与货物列车 1 1 21 62 4 4 司机室车与货物列车 0l1l2 单一列车事故 脱轨，机车前导 2 61 23 8l2 4 0 脱轨，司机室车前导 o660i 总计 8 78 41 7 l2 38 3 l 其它在案事故 失火 5l l1 600 悬链受电弓故障 2 33 55 8oo 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) 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 。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l l 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。 1 3 国内外车辆被动安全技术的研究状况 自8 0 年代中期至今，国外对机车车辆耐碰撞技术己进行了大量的研列1 2 h 1 4 】， 内容包括铁路碰撞事故的调查分析，车辆撞击行为的理论分析，机车车辆耐碰撞 车体结构的设计和吸能装置设计，计算机仿真以及整车碰撞试验。 s n c f ( 法国国营铁路) 根据1 0 多年来的3 0 多起事故的研究得出了结论并定 4 第一章绪论 义了两种严重事故的类型：( 1 ) 速度在5 0k m h 7 0k m h 范围内，高能量正面 碰撞；( 2 ) 以1 0 0 k r n h 以上的速度通过平交道口时与8 0 t 以上的公路车辆的碰 撞。采用大变形非线性有限元软件包( 如p a m c r a s h 和d y n a ) 进行车体结构分 析，总结出了列车正面碰撞能量吸收以及列车防爬技术基本原理。s n c f 将这些 设计思想直接应用于t g v 双层高速列车上，用以分析在平交道口上列车与重载 卡车碰撞时产生的典型事故。在开发分析和试验以后为动车和尾部拖车设计了依 次可承受8 m j 和6 m j 以上碰撞能量的可碰撞结构，车辆之间设计安装了防止一 列车爬上另一列车的装置。这些能量吸收装置的安全防护能力已被全尺寸车的试 验所证实。同时s n c f 对市郊车辆的设计也已采纳了被动安全的特性，包括：制 动时车钩之间的碰撞，这些能量需要在一些车辆的界面之间被吸收；应该提供能 量吸收的能力( 包括司机控制板前方的保护) ，在司机室端部至少为1 m j ，而在每 一辆中间车端部为2 5 0 k j ；在动车组的车辆之间和端部车上也采用了防爬装置。 9 0 年代，英国铁路管理委员会成立了专门从事列车碰撞问题的研究机构， 从1 9 9 2 年到1 9 9 5 年间，采用l s d y n a 3 d 软件对各种钢质、铝质结构的大变 形、非线性压溃形式进行了研究，其研究范围从简单圆管、各种组合结构到完整 的车辆端部结构同时英国还进行了列车碰撞时车辆间发生上爬交叠的试验研 究，并制订了结构设计标准，规定车辆端部毁坏区域在模拟受力碰撞的情况下， 每辆车吸收的能量为1 m j ；模拟一列车爬上另一列车的碰撞吸收的能量为o 5 m j ， 这些能量值是根据6 5 k m h 速度情况下碰撞阻抗而设计的。标准同时规定了力的 最小值和最大值，最小值是为确保运用而定义的：最大值是为限制车辆和旅客的 加速度值，并减少一列车爬上另一列车的可能性。 德国西门子公司与汉诺威大学合作首先对城市轻轨车辆的结构耐撞性开展 研究，其下属的d u e w a g 工厂生产的轻轨车辆在美国占有相当份额。为了满足北 美对乘客和司机进行碰撞被动安全保护的要求，由位于密苏里州的西门子研究 中，自对波特兰车体以3 5 公里d , 时速度撞击刚性障碍物进行了非线性撞击数值 模拟。目前德国己在城市轻轨车辆、i c e 第三代列车上采用了耐冲击车体结构技 术。目前，法国、德国、美国等国的客、货运列车的机车、客车以及城市轨道车 辆，己开始逐步采用耐冲击吸能结构车体，并正计划实施全面推广应用。 上个世纪9 0 年代中后期，美国联邦铁路局对列车碰撞进行了大量研究 【1 5 】1 1 6 】。并从1 9 9 9 年1 1 月开始，在科罗拉多的美国交通运输技术中心进行了一 系列的1 ：l 整车碰撞试验。以此为基础，s t e v e nw k i r k p a t r i c ka n dms c h r o e d e r 等人，对车辆结构的耐碰撞性能进行了仿真分析研究，并和试验进行比较。jh l e w i s 和a we v a n s 对铁路客车抗碰撞设计研究的历史进行了回顾，并指出了抗 碰撞设计标准的不断提高对车辆设计的影响。阿尔斯通交通运输部的gl u 对列 5 第一章绪论 车能量吸收装置在不同碰撞工况下的吸能情况进行了研究，并进行线性和非线性 仿真分析，计算出中间车和端部车的能量吸收性能。庞巴迪交通运输部的a s u r o n 对列车碰撞的发展进行了回顾，对不同车辆的设计和制造，碰撞标准的情况进行 了介绍。近两三年来，各国的研究焦点集中在车内乘员的二次碰撞安全性研究上， 并参照汽车碰撞对人体的损伤标准来考察铁道车辆的抗撞击性能，并拟制定一些 标准和规范。近年欧洲启动了安全列车“s a f e t r a i n ”项目，力图通过该项目 的研究提高欧洲轨道列车的安全性，并为法规的制定提供参考。 中国轨道车辆行业对这一领域的研究起步较晚，2 0 世纪8 0 年代开始研究货 车的低速冲击，2 0 世纪9 0 年代后才开始从事被动安全保护方面的研究工作，而 且由于试验设备和试验费用等方面的限制，我国并未开展轨道车辆实车碰撞实 验，也尚未制订完善的列车碰撞吸能规范。目前国内对耐撞击车体的研究主要采 用的是计算机模拟分析的方式：建立车体有限元模型，利用大型非线性大变形有 限元软件包( 如p a m c r a s h 和l s d y n a ) 模拟列车发生正面或追尾碰撞、列车 与刚性障碍物碰撞的数值分析，得到被撞车辆产生塑性变形的程度、各车辆撞击 过程中的撞击力、速度、加速度及撞击作用时问等一系列参数以及各车辆及整列 车吸能情况等。如中国铁道科学研究院发展中心机车车辆部就曾利用 p a m c r a s h 软件对2 5 型铁道客车进行了单车与固定刚性墙、单车体与单车体、 2 节车体与2 节车体的正面碰撞以及车体与刚性墙斜撞等大变形碰撞仿真研究。 当前，我国在进行车体设计时，主要是参考欧洲的被动安全法规：按照列车在低 于1 2 0 公里4 , 时速度运行发生碰撞时，动力车前部结构吸能8 兆焦，后部结构 吸能5 兆焦，客车结构单端吸能5 兆焦。在上述吸能指标的前提下，车体的纵向 冲击减速度不大于6 0 9 ，该减速度的持续作用时间不超过3 毫秒【l 引。 目前，我国已经将耐撞击吸能结构客车应用于出口伊朗软卧车和北京地铁八 通线耐冲击地铁车辆结构的设计中。随着我国轨道交通事业的不断发展和对列车 运行安全性问题研究的进一步深入，耐撞击吸能结构车体已成为我国新型轨道车 辆车体的一个技术特征和发展趋势。目前采用国际公开招标的轨道车辆均有这方 面的要求，因此耐撞击吸能结构客车的研究将进一步提升我国轨道车辆产品的国 际竞争力。 1 4 本文的研究内容 科学技术和计算机仿真技术的飞速发展大大地推动了轨道车辆被动安全技 术的进步。随着人们对安全性要求的提高，更多的研究人员投入了对于耐碰撞车 体结构和车辆缓冲吸能装置的研究。本文将主要结合近年出现的一种新型泡沫铝 材料，运用m s c p a t r a n 软件为前后处理器，以显式非线性有限元软件 m s c d y t r a n 为求解器，采用碰撞仿真技术，进行车辆缓冲吸能防爬装置的设 6 第一章绪论 计研究，以及耐撞击车体结构仿真及优化研究。 本文研究主要在以下方面进行： 1 在纵览近年来国内外轨道车辆碰撞事故及其安全技术现状的基础上，对 国外碰撞事故进行了调查与统计分析，然后介绍了国际上轨道交通车辆被 动安全技术的进展及其应用。 2 介绍了国外轨道车辆被动安全系统技术及碰撞的能量吸收评价标准，并探 讨了轨道车辆被动安全技术的研究方法，重点讨论了非线性有限元软件 m s c d y t r a n 应用中的几个关键技术问题。 3 研究了新型泡沫铝材料的动态力学性能及其吸能特性以及泡沫铝材料吸 能的影响因素。同时采用非线性有限元仿真技术，对五种不同相对密度的 泡沫铝材料进行仿真分析，最终得到与试验较吻合的结果。 4 对采用新型泡沫铝材料填充的碰撞吸能装置进行了设计与仿真研究。以吸 能装置的吸能特性和缓冲性能为目标，对采用不同泡沫铝材料填充方式的 吸能装置建立有限元模型并进行碰撞性能仿真比较分析，最终得到了性能 优良的结构形式。 5 从耐撞击车体的吸能标准和纵向刚度要求等方面，分析并介绍了耐撞击车 体的结构设计思想。运用非线性有限元软件m s c d y t r a n 对a 型地铁耐撞 击头车的被动安全防护系统进行了计算机碰撞仿真模拟以及评价。 在对头车仿真分析的基础上，在头车的前端安装吸能防爬装置。对该 耐撞击车体的整个被动安全防护系统进行了碰撞仿真模拟。通过仿真可以 看出，车体的碰撞吸能特性以及缓冲性能有了明显的改善。最终也证实了 泡沫铝材料作为填充材料在提高缓冲性能方面有着十分重要的作用。 7 第二章轨道列车被动安全技术的理论基础和分析方法 第二章轨道列车被动安全技术的理论基础和分析方法 2 1 轨道列车被动安全技术 2 1 1 轨道车辆被动安全技术主要思想 在现代轨道车辆设计中，主动安全技术一直受到广泛的重视，科学技术的发 展已经为车辆上配备安装了各种可能的先进电子预警设备和新型的自动控制装 置，从而可以使事故发生的可能性降低到最小程度；但是历史记录表明，在轨道 车辆的运行过程中，由于各种偶然因素的难以预料性和人为失误的难以完全消除 性，从而导致碰撞非常事故的难以避免。现代车辆的人性化要求，促进了新的安 全设计思想。为了更有效地保护乘客的生命安全，国际上出现了“车辆被动安全 防护”的新设计技术，并在汽车、高速列车和城市轨道交通车辆设计中得到广泛 应用。 国外研究表明，在碰撞中能起到良好安全防护作用的耐撞击车辆需要一个包 括车钩缓冲器、防爬装置、能量吸收装置及在一定部位可发生变形的车体结构的 被动安全防护系统。这些能量耗散装置依次构成了车体的多级能量吸收系统，在 车辆发生碰撞时，碰撞能量首先由车钩缓冲装置和防爬器等吸能装置予以吸收， 最后依靠可变形结构予以消耗。其中，防爬器既能起防止“交叠的作用，又有 一定的吸能功效。当碰撞速度较大时，碰撞能量的耗散将主要依赖于车体可变形 结构。车辆的这个被动安全防护系统使列车在受控的、渐进的方式下发生塑性变 形，并利用材料的塑性变形来吸收巨大的碰撞能量，以达到尽可能为驾驶员和乘 客提供足够的生存空间，同时能减小冲击力、延长撞击时间降低减速度的目的。 2 1 2 轨道列车碰撞分类和响应 根据国外资料，对以往碰撞事故的统计发现，碰撞事故多发生在中低速。美 国1 9 8 5 年到1 9 8 7 年三年中，1 l 起同类列车之间的碰撞全都发生在低速或中速 市郊列车。危害最大的是列车对列车的碰撞，这类碰撞在列车事故中占有较人的 比例，并且由于包含了大的车组质量，可能产生极高的动能水平和高量级的冲击 力，即使是在中等的冲击速度下( 尤其是头部和尾部冲击) ，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或致命的伤害。 美国根据经验数据的统计和按美国现行结构要求所设计的铁路车辆，将碰撞 后果与在碰撞冲击时大致消散的能量联系起来，对碰撞类型进行了分类。但这种 分类是基于大铁路客车和高速车进行的，对于城市轨道车辆目前尚没有明确的定 论，根据城市轨道交通的特点，本文对城市轨道车辆的碰撞类型按照碰撞速度和 碰撞能量进行了分类 1 6 1 ： ( 1 ) 轻度碰撞： 碰撞速度大约在1 0 k m h 左右，碰撞动能大约为2 0 0 k j ，依靠缓冲器( 如车 第二章轨道列车被动安全技术的理论基础和分析方法 钩) 和部分吸能元件( 如防爬器等) 就能完全得以耗散。碰撞过程中，首先是车钩 缓冲器装置起作用，当其达到最大冲程时完全破坏，然后是防爬器发生接触，通 过压溃或撕裂破坏起到吸收能量和防止爬车的作用。车体不产生永久性的变形。 所产生的加速度脉冲不致使乘客受到伤害。 ( 2 ) 中度碰撞： 碰撞速度大约在2 0 k m h 左右，碰撞动能在1 m j 左右，除缓冲器和安全防护 系统中的全部能量吸收装置发生最大破坏变形吸收能量外，碰撞动能还得依靠头 车端部设置了“伪塑性铰 的弱刚度结构发生变形来耗散。“伪塑性铰在冲击 力超过某个值时即会发生破坏变形，以发挥吸能作用： ( 3 ) 严重碰撞： 碰撞速度在4 0 k m h 以上，碰撞动能在2 m j 以上，不仅头车端部的吸能区将 发生严重的破坏变形，而且中间车端部的弱刚度结构也将发生严重塑性变形来耗 散碰撞动能。但变形量不得超过车体允许的最大变形量( 不应超过l m ) ，以确保 司乘人员的生命安全。所产生的加速度脉冲也应低于人类伤害极度。 对于运行速度不高的城市轨道车辆，通常设计考虑的碰撞速度在2 5 3 0 k m h ，即其碰撞动能大约在1 m j 左右。按照以上的分析中遭到破坏的吸能元 件将按照变形最大极限吸收不同的能量：第一阶段由缓冲器可吸收约3 5 千焦动能： 第二阶段由防爬器和中心泡沫填充材料吸能装置分别吸收约1 5 0 千焦以上和5 0 千焦以上能量：最后一个阶段由车体结构大变形则由于具体碰撞情况不同，所吸 收能量大小可视设计要求而有所不同。 发生碰撞后列车的响应和伴随的乘员运动有如下几种情况： ( 1 ) 直线加速或减速，在碰撞发生后，只要全部车辆仍然在轨道上，或 者车辆没有翻倒并与轨道纂本平行，此时车辆和乘客在冲击方向上 将有加速或减速倾向，从而可能造成乘员的二次碰撞导致伤害。 ( 2 ) 拱起。碰撞后一辆车的底架爬上另外一辆车的底架，使被爬车辆严 重受损，乘员的生存空间被严重挤压，往往会造成严重的人员伤亡。 ( 3 ) 摺曲。当车辆脱轨后，绕车辆垂直轴线的转动一直到与轨道成某一 角度为止。根据车辆滑过的轨道部件、凹凸不平的地势或是列车组 的其它车辆的侵入，都有可能造成乘员的伤亡。 ( 4 ) 翻转。当车辆脱轨后，车辆在倾覆力矩的作用下出现翻转，出现这 种情况时，内部乘员由于处于自由状态，所以可能在车辆内部有很 大的运动空间，或者经由破碎的车窗玻璃形成的空洞而被抛出车辆 之外。 2 1 3 车辆的碰撞能量及其吸收 ( 1 ) 碰撞能量 9 第二章轨道列车被动安全技术的理论基础和分析方法 设碰撞前两列车总质量和运行速度分别为m 1 和m 2 ，v l 和v 2 ，撞击后的速度 为u ，则撞击前总动能为 = 寺m 。v 1 2 + 去鸩吃2 ( 2 1 1 ) 撞击后总动能为 呢= 去( m l + m 2 ) “2 ( 2 1 2 ) 由动量守恒定理得，撞击前的动量和等于撞击后的动量和，这样，当一列车与另 一列车时发生追尾时，有 ( m l m + m 2 v 2 ) = ( m i - 1 - m 2 ) u ( 2 1 3 ) 当两列车迎面相撞时，有 ( 必i m m 2 吃) = ( m i + 膨2 弦 ( 2 1 4 ) 由以上两个公式可得碰撞过程中所需耗散的能量为 = 意2 ( m m 时咿 ( 2 m ) 7 l +，) 。“ 、。 式中“负号为追尾时，“正号”为迎面相撞时。 从式( 2 1 5 ) 可以看出，由于铁道旅客列车拥有很大的质量，当两列列车以一 定速度相撞或发生尾追时，碰撞过程中需要耗散的总动能将是巨大的。 根据动能守恒定理，能量不能消失只能转移，因此需要采取措施转移这些冲 击动能。在碰撞过程中，尽管列车的制动力和运行阻力可以耗散部分能量，但这 远不足以抵挡这一巨大的冲击动能。参考汽车、船舶上的能量吸收装置，在车体 上设置可以产生大塑性变形部位，使需要耗散的大部分冲击能转化为车体变形 能。 ( 2 ) 列车碰撞能量的分配 耐碰撞列车车体设计时，每辆客车车体所要吸收的能量都要满足一定要求。 l - fii|ii ! 图2 - 1 两列车碰撞示意图 图2 1 为一列以速度v 运行的列车与一列静止的列车相撞示意图。 根据文献【1 7 】，头车所要吸收的能量可以按下式计算： 曰= 粤毛 ( 2 1 6 ) 其中： 1 0 第二章轨道列车被动安全技术的理论基础和分析方法 r 1 为能量吸收率，即吸收的塑性变形能与动能之比，在图2 1 界面l 处，其值 大约为o 8 7 3 , - - 0 9 0 4 ，推荐值为o 9 ； - ，d 为动荷系数，与材料应变率响应和结构阻尼有关，推荐值为1 2 。 式中数值2 表示动能由两节头车吸收； k 1 为头车动能，其值为 毛= 去m i y 2 ( 2 1 7 ) 二 m 1 为头车质量： v 为列车碰撞速度。 中间客车的能量吸收公式： 巨= a 日 ( 2 1 8 ) a 为中间客车能量吸收值与头车能量吸收值之比，推荐值为0 4 l 。 当- n 头车为质量为6 0 吨的列车以6 0 k m h ( 1 6 6 7 m s ) 速度与另一辆静止列车发 身碰撞时，中间客车车体所要吸收的能量就可以如下计算： e l = a 易 ：彳生! 胁： 2 乃2 ：0 4 1 生一1 6 0 1 0 3 1 6 6 7 2 2 x 1 22 = 1 2 8 6 ( m j ) ( 3 ) 撞击能量的吸收 从图2 2 中可以看出，列车发生碰撞时，中间客车碰撞过程如下： 1 车钩缓冲装置开始吸收能量直至失效； 2 套筒开始起作用吸收能量；直至套筒完全被压缩，车钩剪切装置破坏； 3 车体可变形区开始变形并吸收能量，直至变形区域被完全压缩，纵向冲击载 荷达到一定的门槛值； 4 主车体丌始发生变形。 第二章轨道列车被动安全技术的理论基础和分析方法 图2 2 中间客车车体连接部位 i o i i i , i i i ，ii i i i i i i 俐i i i 霉性掌甚t 图2 - 3 车辆各结构吸收碰撞能量分布 在这个碰撞压渍破坏过程中，各个吸能部件所吸收的能量也是有一定要求 的。图2 3 为一国外客车车体吸能部件能量吸收分布图。 低速碰撞时，碰撞动能主要靠车钩缓冲装置和套筒来吸收能量：而高速碰撞 时，除了车钩缓冲装置和套筒吸收部分能量外，车体结构中可变形区域吸收了绝 部分能量。 2 2 耐撞击车辆设计思想 耐撞击车辆是指在发生碰撞事故时，能够在一定的冲击载荷下，车体的非乘 客区发生大变形并吸收大量的碰撞能量，以减小对乘客的冲击力，并保证乘客受 到的撞击事故时满足安全性要求；其实施方法是控制车体局部非乘员部位在一定 的变形模式下发生变形吸收撞击动能，而车体的乘客区能够承受较大的冲击载荷 并阻止车体发生