（车辆工程专业论文）高速列车车体耐碰撞结构研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 高速列车在运行中一旦发生碰撞事故，不但造成车辆结构的破坏，而且还 严重威胁乘客的生命安全，因此，高速列车的被动安全性越来越受到世界各国 的重视。对高速列车进行耐撞性研究并设计吸能结构，能够显著降低高速列车 在意外碰撞事故中的受损程度，同时有效保护司乘人员的安全。基于被动安全 设计思想，本文以某型号的高速列车为研究对象，采用数值仿真方法对其耐碰 撞性能进行分析研究。 首先，从理论上对高速列车碰撞仿真所采用的基本力学方程、拉格朗目法、 空间有限元理论、显式积分算法、材料非线性、接触非线性等主要算法以及前 后处理软件进行了简单介绍。 其次，简单说明了吸能元件几种变形模式理论以及其评价指标，在探讨吸 能元件变形模式基础上，提出了以翻转圆管作为车体碰撞的基础吸能元件，对 其吸能特性进行研究并与普通直圆管进行对比，为高速列车车体的吸能元件的 设计提供理论依据。 最后，建立高速列车碰撞仿真模型，根据标准e n l 5 2 2 7 ：2 0 0 8 确定高速列 车耐碰撞车体的碰撞仿真情形。在建模过程中通过合理地简化非大变形区域的 结构以及去除对碰撞仿真结果不起主要作用的细小部件等方法来控制求解规 模，缩短计算时间；同时对车上主要设备进行较为详尽的建模以获取其质心加 速度，为对设备的冲击评定提供数据支持；为了准确的分析司机在碰撞发生时 的响应，在模型中加入了司机假人模型，并对其碰撞响应进行分析。结构分析 结果表明，在几种碰撞情形下车体结构变形合理，而且没有出现爬车现象，基 本能够满足标准要求，但仍然需要对司机室结构和能量吸收装置进行局部改 进；司机假人仿真结果表明司机假人头部、胸部加速度值均超出人体耐受极限， 不能满足标准中规定的要求，说明司机已经受到了伤害，建议在司机座椅前端 加装类似汽车上安全带和安全气囊等装置或增加前端防护软垫，以保护司机安 全。 关键词：高速列车；耐碰撞性；吸能元件；l s d y n a仿真 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a bs t r a c t t h ec r a s ha c c i d e n to ft r a i n sw i l ln o to n l yc a u s et h ev e h i c l es t r u c t u r et o d a m a g e ，b u t a l s o s e r i o u s l yt h r e a t e nt h es a f e t yo fp a s s e n g e r s t h e r e f o r e ，t h e v e h i c l e s p a s s i v es a f e t yh a sb e e np a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o na l lo v e rt h e w o r l d t or e s e a r c ho nv e h i c l e sc r a s h w o r t h i n e s sa n dd e s i g ns o m ee n e r g y a b s o r b i n g s t r u c t u r e sc a ns i g n i f i c a n t l yr e d u c et h ed a m a g ec a u s e db yt r a c kv e h i c l ec r a s h e sa n d e f f e c t i v e l yp r o t e c tt h ep a s s e n g e r sa tt h es a m et i m e b a s e do nt h ec o n c e p to ft h e p a s s i v ed e s i g n ，i nt h i sp a p e r ，t a k i n gac e r t a i nh i g hs p e e dr a i l w a yc a r b o d yf o r r e s e a r c h ，i t sc r a s h w o r t h i n e s s w i l lb es t u d t i e d b ym e a n s o ft h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nt e c h n i q u e s f i r s to fa l l ，t h em a i na r i t h m e t i c sa n ds o m ep r e p r o c e s s i n ga n dr e p r o c e s s i n g s o f l w a r e su s e di nt h er a i l w a yv e h i c l ec o l l i s i o ns i m u l a t i o na r es i m p l yi n t r o d u c e d w h i c hc o n t a i n st h eb a s i cm e c h a n i c a l e q u a t i o n ，t h el a g r a n g i a na p p r o a c h ，t h e s p a t i a lf i n i t ee l e m e n tt h e o r y ，t h ee x p l i c i ti n t e g r a t i o na l g o r i t h m ，t h en o n l i n e a r i t yo f m a t e r i a l sa n dc o n t a c t sa n ds oo n i nt h en e x tp l a c e ，t h et h e o r ya n de v a l u a t i n gi n d i c a t o ro ft h ee n e r g ya b s o r p t i o n c o m p o n e n t si ns e v e r a ld e f o r m a t i o np a t t e r n sa r es i m p l yd e c l a r a t e d b a s e do nt h e r e s e a r c ho ft h e i rd e f o r m a t i o np a t t e r n s ，an e wt y p eo fb a s i ce n e r g ya b s o r b i n g c o m p o n e n tm a d e db yr o l l i n gc i r c u l a rp i p e si sp u tf o r w a r da n dl u t h e ri t se n e r g y a b s o r p t i o np e r f o r m a n c ei ss t u d i e da n dc o m p a r e dw i t ht h en o r m a ls t r a i g h tp i p e s ， w h i c hc a np r o v i d e sr e f e r e n c e sf o rt h e d e s i g n o fb a s i c e n e r g ya b s o r b i n g c o m p o n e n t sf o rh i g hs p e e dv e h i c l e s f i n a l l y , ac o l l i s i o ns i m u l a t i o nm o d e l i se s t a b l i s h e da n dt h es i m u l a t i o n c o n d i t i o n sa r ea l s oc o n f i r m e da c c o r d i n gt or e l e v a n tn o r m sl i k ee n l5 2 2 7 ：2 0 0 8 d u r i n gt h em o d e l i n gp r o c e s s ，i no r d e rt oc o n t r o lt h es o l u t i o ns c a l ea n dt os h o r t e n t h ec o m p u t i n gt i m e ，t h es t r u c t u r e so ft h er e g i o nh a v i n gn ol a r g ed e f o r m a t i o na r e r e a s o n a b l ys i m p l i f i e da n ds o m es m a l lc o m p o n e n t sw h i c hh a v e sn ow o r k so nt h e c o l l i s i o ns i m u l a t i o nr e s u l t sa r ea b a n d o n e d ；t op r o v i d ed a t a sf o rt h ea c c e l e r a t i o n e v a l u a t i o n ，t h em a i ne q u i p m e n t sm o u n t e do nt h ec a r b o d ya r em o d e l e dd e t a i l e d l yt o g e tt h e i r a c c e l e r i o nd a t a s ；t op r e c i s e l ya n a l y z et h ed r i v e r s r e s p o n s ew h e na c o l l i s i o na c c i d e n th a p p e n e d ，ad u m m yi sa d d e di n t ot h es i m u l a t i o nm o d l ea n di t s r e s p o n s ei sa n a l y z e dt o o j u d g i n gf r o mt h er e s u l t so ft h es t r u c t u r ea n a l y s i s u n d e r 西南交通大学硕士研究生学位论文第f il 页 s e v e r a lc o l l i s i o nc o n d i t i o n s ，t h ed e f o r m a t i o no ft h ec a r b o d yi sa c c e p t a l ea n dt h e r e i sn oo v e r r i d i n gp h e n o m e n o no c c u r r e d ，w h i c hc a nm e e tt h eb a s i cn e e d so fn o r m s b u ts t i l lh a v es o m ep a i t i a lp a n st ob ei m p r o v e dt h r o u g ht h em o d i f i c a t i o na p p r o a c h p r o p o s e di n t h i sp a p e ra c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s t h ea c c e l e r a t i o n so f b o t ht h ed u m m y sh e a da n dc h e s te x c e e dt h eh u m a nb o d yl i m i tw h i c hm e a n st h e d r i v e ri sa l r e a d yb e e nh u r ta n dc a n n o tm e e tt h en o r m s s o ，t h es u g g e s t i o ni sm a d e d t h a te q u i p m e n t ss i m i l a rt os a f eb e l ta n da i r b a g sm o u n t e do na u t o m o b i l e so rs o m e k i n do fs o f tc u s h i o ns h o u l db ee q u i p p e do nh i g hs p e e dt r a i n st oe n s u r et h ed r i v e r s s a f e t y k e y w o r d s ：h i g h s p e e dt r a i n s ；c r a s h ；e n e r g ya b s o r b i n gc o m p o n e n t ； l s - d y n a ；s i m u l a t i o n 西南交通大学曲南父逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书： 2 不保密吖使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：聱曩冷 f t 期：矿 ) ，缸 指导老师签名：方芬抽 日期：幽矽4 - 多口 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： ( 1 ) 在分析传统吸能元件吸能特性的基础上，提出基于圆管自由翻转的 新的吸能元件，它能够实现在不需要夹具的情况下长的有效压缩距离，具有良 好的吸能特性。采用l s d y n a 对其进行数值仿真，并与普通圆管进行对比分 析，结果表明翻转圆管的总体吸能效率显著高于普通圆管达2 6 8 4 。 ( 2 ) 本文在仿真中首次实现了整列车与整列车的碰撞仿真分析，在一定 程度上消除了单节车与单节车或单节车与刚性墙碰撞仿真的局限性；在模型中 建立了司机假人模型，避免了单独对假人分析时没有考虑车体结构变形响应的 影响带来的计算误差。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本 人承担。 学位论文作者签名： 晕羁肉 日期：矿o q 3 9 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1研究的背景意义及国内外研究现状 1 1 1研究背景意义 我国幅员辽阔，人口众多，铁路运输以其大运载量、成本低廉、安全、可 靠、环保等特点承担着国家的主要客、货运输任务。目前我国现有铁路9 万公 里，在短短几年之内从2 5 t 型客车的第五次铁路大提速到动车组技术全面引进 的第六次铁路大提速，列车运行速度从l6 0 k m h 到3 5 0 k m h 不断提高。对客运 而言，高速、安全、舒适成为当今高速铁路技术发展的重点。 ，铁路运输与其他交通运输相比，其最大优点是具有更高的安全性。完善的 铁路通讯设施建设为行车安全提供了良好的保障。尽管列车碰撞事故很少发 生，但仍然不能绝对避免，因为一旦发生列车碰撞事故，其造成的财产损失和 人员伤亡都是非常巨大的。尤其是高速列车运行以后，一旦发生列车碰撞事故， 其后果将更为严重。国内外列车碰撞事故的频繁发生曾给我们留下了深刻而惨 痛的教训，仅2 0 0 9 年6 月至2 0 10 年1 月近大半年时间之内就发生了十多起列 车碰撞事故，造成一百多人死亡，三百多人受伤。 2 0 1o 年1 月2 日，印度北方邦埃达沃发生火车相撞事故，10 人死亡，一 百余人受伤； 2 0 0 9 年12 月l1 日，河北黄骅境内发生一起货运列车与大货车相撞事故， 事故造成火车脱轨，1 人死亡1 人受伤； 2 0 0 9 年1 1 月2 2 日，越南首都河内的郊区在发生一起火车与公共汽车相 撞事故，造成7 人死亡，14 人受伤； 2 0 0 9 年1 1 月3 日，巴基斯坦南部城市卡拉奇发生两列火车相撞事故，至 少12 人死亡，另有3 0 多人受伤； 2 0 0 9 年10 月2 4 日，在埃及首都开罗以南约5 0 公里的加尔扎村，两列客 运列车相撞，造成至少2 5 人死亡，5 5 人受伤； 2 0 0 9 年10 月2 1 日，在距离印度首都新德里约8 0 公里的马图拉，发生两 火车相撞事故，造成2 3 人死亡，2 0 多人受伤； 2 0 0 9 年9 月2 7 日，在孟宝铁路线上行驶的成都开往青岛的k 2 0 6 次列车， 在途经与平顶山市辖区内31 1 国道交会的道口时，与一辆红旗牌轿车和一辆面 包车相撞，造成3 人死亡，1 人受伤； 2 0 0 9 年9 月12 日晚，德国东部萨克森州莫罩茨堡附近两列窄轨观光火车 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 迎头相撞，造成5 2 人受伤，其中4 人重伤； 2 0 0 9 年6 月2 9 日凌晨2 ：4 0 ，由长沙开往深圳和铜仁开往深圳西的列车 在郴州火车站站内发生相撞事故，造成3 人死亡，6 0 余人受伤； 2 0 0 9 年6 月2 2 日，一列6 节车厢的地铁列车在华盛顿哥伦比亚特区和马 里兰州交界处附近与另一列车相撞并脱轨，事故造成至少两人死亡； 2 0 0 9 年6 月2 日，由宜昌开往武昌的k 8 0 8 6 次火车行驶至长荆铁路湖北 天门皂市段时与一辆汽车相撞，导致9 人死亡，5 人重伤，4 人轻伤。 因此，如何提高高速列车运行安全性，降低事故发生率，尤其是实施现代 车辆以人为本的设计思想，考虑车辆耐碰撞性能的重要性，最大限度地减少司 机和旅客在列车事故中的伤亡，已经成为高速列车研发中的非常热门的课题之 一。 在现代高速列车设计中，高速列车主动安全防护技术一直受到非常广泛的 重视。列车碰撞安全技术可分为主动防护技术和被动防护技术两类。主动防 护技术是指为防止碰撞而采取的各项措施，主要包括以下六个类别：信号和列 车控制系统、地界安全防护、公路平交道口的报警和保护系统、制动系统设计 及其性能、运营规则以及运营人员的培训。主动防护技术涉及到列车系统的检 测、操作、运用、维修和人员的素质等，需要制定详细的规则和多方面的协作。 而科学技术的发展已经使车辆上配备安装了各种先进电子预警设备和新型的 自动控制装置，从而使事故发生的可能性降低到最小程度；然而同时，人们还 在寻求万一发生车辆碰撞等严重事故时如何保护包括旅客和驾驶员在内的司 乘人员的生命安全，并尽可能地减小人身伤亡的技术和方法，这称之为被动安 全防护技术。该技术通过对车辆自身抗撞击性能的研究来减小碰撞的影响，使 碰撞损失降到最低程度，并通过内部设计减少人员的伤亡。 被动安全防护技术首先在汽车行业得到重视与应用。近来，这一技术已引 入高速列车领域，西欧英、法、德等国首先研究制定了相关标准，并在高速列 车以及城市轨道列车设计中相继得到应用。被动安全防护技术的作用在于减少 事故发生后的人员伤亡以及限制其他一些事故后果。目前我国已经开始关注列 车被动安全防护技术的研究工作，现已发表了一些相关的研究论文，同时在企 业的新型轨道列车研发中初步得以应用。但是，由于起步晚，研究大多局限于 如车体结构的耐撞击性能等某些方面，对被动安全防护技术的系统研究还需要 进一步深入和提高，其技术的工程化与国外相比仍有较大的差距。 近2 0 年来许多国家在铁路机车车辆、城市轨道列车( 地铁、轻轨车辆) 的结 构设计中都进行了抗撞击列车的设计与研究，提高了列车的抗撞击性。要实现 列车被动安全防护，对列车结构提出了“耐碰撞性”这一新的技术要求。所 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 谓列车耐碰撞性是指：在碰撞过程中，列车结构的承载能力、变形形式以及列 车结构自身吸收撞击动能的能力等方面的综合特性。列车的耐碰撞性并不是要 求列车结构在承受撞击后毫无损伤，而是要求列车在一定的撞击速度下，列车 结构次要部位能按照人的意志有序地发生变形，在吸收较多的撞击动能的同时 能有效地降低撞击减速度，车体结构载人部位能为司乘人员提供生存空间，从 而降低碰撞给司乘人员带来的伤害。耐碰撞性列车车体结构的设计是在车体的 特定部位设置一定的变形区域，或安装能量吸收装置和防爬装置，来尽可能多 地吸收列车碰撞时的动能，从而降低碰撞作用力，防止列车交叠事故的发生， 从而最大限度地减少人员伤亡。 目前国内在列车的防碰撞技术以及列车的被动防护技术方面与世界铁路 技术发达国家相比具有较大的差距。基于计算机仿真模拟结果，以提高机车车 辆耐碰撞性为目标，对机车车辆及其相关结构进行改进和优化设计的工作还处 于起步阶段，这与我国铁路的跨越式发展战略不相适应。今后的几年将是我国 轨道交通飞跃发展的几年，并将形成以北京、上海、济南、广州、沈阳、西安、 武汉、南京等城市为中心辐射全国的高速铁路交通网。因此，随着人们对运行 安全性要求的提高和市场竞争的加剧，提高我国高速列车的设计水平和安全性 能，节省新产品的开发费用和缩短开发周期，急需开展高速列车碰撞安全性能 计算机模拟仿真，进行列车耐撞性设计。 总之，开展高速列车耐碰撞性研究，既能提高高速列车产品的耐碰撞性能， 也有助于缩短我国与发达国家在这方面的技术差距。因此，在提高列车主动安 全防护尽可能避免碰撞事故发生的同时，进一步改进列车的自身结构，突破既 有列车在结构设计和研发上的技术瓶颈，提高列车被动安全防护技术，使其在 碰撞事故发生时造成的损失降到最小，对提高列车运营的安全性具有重要而现 实的意义。 1 1 2 国内外车辆被动安全技术的研究状况 1 ) 国外列车耐碰撞性研究状况 欧洲铁路近2 0 年来一直在不断地研究列车被动安全防护技术，包括结构 设计准则、能量吸收部件的开发、车辆结构碰撞结果的力学分析、能量吸收部 件的材料试验、吸能结构的部件吸能试验以及整车碰撞试验等等。欧洲铁路在 耐碰撞列车的前端结构中，不仅将车钩缓冲器、防爬器和能量吸收管集成一体， 还使列车前端底架参与吸收碰撞能量，并在侧墙和端墙中设置铝制蜂窝板，使 之也能吸收碰撞能量。另外，通过在斜撑和下侧梁开切口来控制底架塑性变形 的初始屈服应力和折曲方向。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 英国于2 0 世纪8 0 年代后期开始起步，对铁路列车碰撞进行了研究：19 8 5 年发表了第一篇论文，介绍了关于事故严重性的最初研究，提出了进一步减缓 碰撞和能量吸收的概念；在后续的研究中提出了车体的耐碰撞性结构设计和以 可控制的方式吸收碰撞能量，并进行了实物碰撞实验，其中包括在试验台上进 行的对车体端部静态冲击试验和两辆全尺寸列车的正面碰撞试验。2 0 世界9 0 年代，英国铁路管理委员会 2 成立专门从事列车碰撞问题的研究机构。对铁道 车辆结构耐碰撞性和吸能元件进行较深入的理论分析、计算机仿真和试验研 究。l9 9 2 年到19 9 5 年间采用l s d y n a 3 d 软件对各种钢质、铝制结构的大变 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爬车的试验研究。 法国铁路研究部门采用“p a m c r a s h ”软件进行了列车碰撞模拟，按照车 辆结构耐碰撞性要求，将拖车两端部设计为可变形的压溃吸能区，并在超级计 算机上对t g vd u p l e x 车体结构进行了优化。其中法国阿尔斯通公司在l9 9 3 年把耐碰撞设计理念引入“欧洲夜间列车【2 】，项目以后，提供了比英国铁路组 织标准要求更严的车辆。法国国营铁路( s n c f ) 对被动安全碰撞进行了大量的研 究，阐明了被动安全碰撞的基本原理，详细阐述了碰撞的物理现象。 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碰撞性 开展研究。其中庞巴迪运输部德国车辆制造公司( d w a ) 锘0 造的防碰撞轻轨车辆 中，一方面采用了类似汽车的空气囊系统，另一方面在司机控制台上安装了软 垫。为了满足北美等国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心对波特兰车体以3 5 k m h 速度撞击刚性墙的方式进行 了非线性数值模拟。目前德国已在城市轻轨车辆、i c e 第三代列车上采用了耐 冲击车体结构技术。 除了欧洲各国铁路相继开展了大量的列车耐撞击研究外，美国、目本川崎 重工也进行了大量的研究工作。 美国19 9 7 年建立了有关列车碰撞的安全规范，并进行了大量试验研究工 作。这些国家对客、货运列车的机车、客车以及城市轨道列车，已开始逐步采 用耐冲击吸能结构车体，正计划全面推广应用。其中美国交通部v o p l e 研究中 心【3 】从19 9 3 年开始一直致力于列车碰撞方面的研究工作，从单节车辆与刚性 墙的碰撞、机车与机车的碰撞、机车与车辆、车辆之间的碰撞，到列车对列车 的碰撞，以及车辆发生碰撞后客室内乘客的二次碰撞都进行了大量研究【6 】。 日本川崎重工己交付纽约地铁使用的r 1 4 2 型地铁列车，为满足美国提出 的车体结构能吸收撞击能量的要求，专门在美国科罗拉多州的普韦布洛市进行 了单台整车的冲撞试验【4 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 国际铁路联盟试验研究所( e r r i ) 在改进司机室正面碰撞时的动力阻抗方 面进行了研究。其目的是开发分析碰撞过程的新方法和理论，设计能安装在车 体上的能量吸收装置，并提出全尺寸碰撞可行性研究，在车辆端部碰撞区域耗 散碰撞能量。这一项目还包括对能量吸收部件以及安装于车体上的能量吸收部 件的材料和结构特性的研究，并作为设计的依据，包括铝制的蜂窝材料、承受 冲击载荷的平板以及承受轴向载荷的钢管。 2 ) 国内列车耐碰撞性研究状况 我国在列车被动安全防护技术的研究方面起步比较晚。2 0 世纪9 0 年代前， 我国在列车被动安全防护技术方面的还是一片空白，虽然碰撞事故时有发生， 但是却不被人们所重视。之后，结合我国铁路的实际情况，各个机车车辆制造 公司和相关院校相继开展了列车的耐撞击性研究。 国内研究人员一直致力于车辆大变形碰撞的模拟仿真工作的研究。中南大 学高速列车研究中心【5 是我国较早开展列车结构耐撞性研究的单位之一。19 9 6 年至今中南大学高速列车研究中心建立了一套耐冲击吸能机车车辆车体设计、 计算方法，并在此基础上提出了耐冲击吸能车体拖车的技术方案。他们开发一 套“模拟列车纵向碰撞规律”的分析软件，该软件可以完成两列车以相同或不 同的运行速度发生正面或追尾碰撞、列车与可移动弹性或刚性障碍物碰撞的数 值分析，得到被撞列车中参与塑性大变形吸收冲击能量的车辆数、参与撞击的 各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 击作用时间等一系列参数以及各节车辆和整列车吸能情况。此外他们还自主研 制了一台目前国内轨道交通运输行业唯一装有大容量冲击力传感器的碰撞试 验装置，能实时测定碰撞过程中的冲击力，并进行了多种承载吸能部件、专用 吸能部件的碰撞试验研究。田红旗教授等人在对基本吸能元件进行仿真和试验 研究的基础上，对提速列车耐撞击性能进行了数值仿真，并在出口伊朗的客车 车体上设计了吸能装置 2 4 - 2 6 ，取得较好的效果。 西南交通大学刘建新、周本宽 1 7 - 1 8 】、肖守讷、胡小伟、贾宇、雷成、陈汉 珍【1 9 之3 】等对地铁、动车组等端部的吸能装置进行了大量仿真研究，在理论研究 的基础上，采用高度非线性分析软件l s d y n a 对其车体碰撞行为进行仿真分 析，设计了耐碰撞吸能装置并对其进行实验研究，研究结果表明仿真结果和实 验结果具有较好的一致性，能够满足设计要求。 同济大学的李健、沈刚等人利用a d a m s 对国外某一列车防碰撞装置进行 动力学计算，探讨防碰撞列车的设计原理和能量吸收装置的特性【2 7 】。赵洪伦等 人对高速列车和城市轨道列车进行耐碰撞仿真分析研究，对一些基本的吸能元 件进行了试验分析，并将研究成果运用在南车四方机车车辆股份有限公司为北 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 京八通线等制造的城市高速列车的耐碰撞设计上【2 8 。3 2 】。 中国铁道科学研究院研究发展中心机车车辆研究所利用专业的碰撞模拟 软件“p a m c r a s h ”进行列车碰撞仿真研究。解决了列车碰撞仿真研究中的单 元数量大和碰撞作用时间长，从而导致计算时间过长的难点。刘金朝、王成国 等人对薄壁圆管的轴向撞击、轨道列车铝合金材料的耐撞性进行了模拟，并对 2 5 b 型铁道客车和城市轨道列车进行了大变形碰撞仿真研究【3 3 剐】，取得了一定 的研究成果。 1 2列车碰撞的事故分类及特点 “安全”是铁路运输的永恒主题，根据已有事故的经验分析，可以将列车 碰撞事故分为以下四种情况： 同一轨道上发生列车间或车辆间碰撞，包括同类和不同类两种列车之 间的碰撞； 夺平交道口与非同类列车或车辆的碰撞，如列车与重载公路交通运输车 辆的碰撞； 夺与在轨道上或堵塞在轨道上的障碍物发生的碰撞，如列车与石块，养 路设备等的碰撞等； 令单一列车事故，通常由于支承和导向损失继而造成列车突然停车发生 的碰撞。 在所有碰撞事故中，最严重的是列车与列车的碰撞。由于包含了大量的车 组质量，在碰撞瞬间列车所携带的巨大动能将在极短的时间内以其他形式的能 量耗散，这种碰撞会产生很大的冲击力和减速度，即使在中等冲击速度下，也 常常会造成列车巨大的结构破坏，并导致司乘人员的伤亡。 发生碰撞后列车出现的各种响应描述如下【6 1 ： 1 直线加速或减速。列车在轨道上加速或减速，并且车辆端部结构有一 定的压缩。乘客在冲击方向上由于加速或减速与车内座位等可能发生 二次碰撞。 2 爬车。爬车是指撞击列车前端车辆的底架骑在被撞击列车前端车辆的 底架上，或列车内部的车辆之间的一车辆骑在相邻车辆上，被压车辆 上部结构严重压碎破坏。被压车辆的乘客可能被严重挤压。 3 拱起。拱起是指车辆绕与轨道垂直的水平轴线的转动，即垂向褶曲 4 褶曲。褶曲是指车辆绕与地面垂直的轴线的转动，即横向折曲。凸凹 不平的地势和列车端部的挤压都有可能使车辆处于危险的环境而造成 乘客的伤亡。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 5 翻转。翻转是指车辆倾覆，与轨道成一定角度。翻转通常出现在较高 的冲击速度下，乘客可能在车辆内部被扔出一定距离，甚至被抛出车 外。 6 侧碰撞。一列列车车头与另外其他列车车厢发生碰撞。 三王置 正面碰撞 褶曲 三盆 爬车 翻转 垂向拱起 | ；e ld 侧面碰撞l j e 图1 1 碰撞发生后列车响应示意图 。 根据欧美等国对碰撞事故的数据分析得到如下结论： 列车之间端部碰撞或阻塞造成的碰撞在灾难性的事故中占有最大的比例 有些铁路在特殊的情况下，曾发生过在平交道口与重载公路交通运输车碰撞的 事故。列车端部碰撞后，当一列车爬到另一列车上时其伤亡率相当高，由于发 生爬车后车辆中生存空间的减少，其伤亡率将比没有出现爬车的高达2 0 倍以 上。大部分列车碰撞由于发生在车站地区或减速以后，碰撞速度在 5 6 k m h 6 5 k m h 之间，在平交道口发生的碰撞可能速度更高。 由此可见，列车碰撞事故一旦发生，其人员的伤亡和它所带来的经济损失 都是巨大的，并且对整个铁路列车的行车系统造成严重的影响。 1 3 本文的研究内容 列车碰撞过程是高度非线性的动态力学过程。本文以某高速列车为研究对 象，采用高度非线性动力学分析软件l s d y n a 对其耐撞性进行仿真分析，主 要内容如下： 1 介绍国内、外列车被动安全技术的研究背景、现实意义和取得的成果， 并对该领域的研究现状和发展情况进行简述，并对碰撞事故进行分类： 2 简述高速列车碰撞有限元分析基础理论，主要包括仿真分析过程中所涉 及的基本力学方程、时间积分算法以及碰撞过程中的非线性特征：材料非线性、 几何非线性、接触非线性等； 3 对薄壁圆管的吸能特性进行分析，在传统的吸能元件的基础上提出了以 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 翻转圆管作为新型吸能装置，并对其吸能特性进行分析和研究，为高速列车吸 能装置的设计提供新思路； 4 以某高速列车为研究对象，根据标准e n l5 2 2 7 ：2 0 0 8 中对应的分析工况 对其进行耐碰撞分析。首先建立整列车仿真模型，模型中建立了车上各主要的 设备质心点并对其进行碰撞过程中加速度分析，为车体上吊挂座等设计提供合 理依据；其次是加入了假人模型来模拟司机，评估碰撞对车上司乘人员带来的 伤害，并参考汽车碰撞标准对其各项伤害指标逐一进行评定。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章列车碰撞有限元分析基础理论 列车碰撞是一个瞬态的大位移和大变形的过程，碰撞系统具有几何非线 性、材料线性和接触非线性等多重非线性特征。它涉及在动载下的材料非线性 本构关系算法等问题。目前，动态非线性有限元方法是列车碰撞模拟计算的主 要研究手段。 2 1列车碰撞动态非线性有限元算法 列车碰撞属于高速大变形碰撞现象。描述这类现象的方法主要有欧拉 ( e u l e r ) 法、拉格朗日( l a g r a n g e ) 法和a l e ( a r b i t r a r yl a n g r a n g i a n ) 法【7 1 。 l a g r a n g e 法是目前描述固体碰撞行为最成熟、最方便的方法。采用 l a g r a n g e 法描述的有限元法可以处理高速碰撞工程中复杂的边界条件和复杂 的材料本构关系，并且对接触滑移等描述非常方便，所以l a g r a n g e 法在列车 碰撞的计算机模拟中应用最为广泛，也是碰撞有限元分析软件l s d y n a 的主 要算法。 2 1 1拉格朗日法描述 根据l a g r a n g e 方法，对增量法的描述主要包含以下四个方面： ( 1 ) 物体的运动方程 从物体的变形角度来讲，其变形过程实际上是从一种形态变换到另一种形 态的过程。物体是由质点组成的，物体的形状可以用质点的相对位置来表征， 图2 1 为物体运动示意图。 物体的运动方程为： 当t = 0 时，有初始条件： 图2 1 物体运动示意图 x ，= x ，( 以，f ) i = 1 ，2 ，3 ( 2 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第10 页 l 目毫! e ! ! ! s e ! ! ! 自e ! ! ! g ! ! 自- l i 。l i - l i e _ _ e ! ! ! ! ! 凇i c , 裟泛， 沼2 ， 【( 以，) = 杉( 以) 7 式中矿初速度。 ( 2 ) 动量守恒方程 p 戈= p f , + g ， ( 2 3 ) 式中p 一物体密度； 戈一物体的加速度； ，一体积力； q ，一柯西( c a u e h y ) 应力张量。 物体在变形过程中应满足的边界条件如图2 2 所示。 图2 2 边界条件 式( 2 3 ) 的解在边界s 上应满足应力边界条件； 吒= t a t ) 式中 i ( 扛1 , 2 ，3 ) 一当前物体形状边界s 的外法线方向余弦； t ( 扛1 , 2 ，3 ) 一面力载荷。 式( 2 3 ) 的解在边界s 上应满足位移边界条件： z j ( 以，f ) = p ( ，) 式中 p ( ，) ( f = l ，2 ，3 ) 一给定的位移函数； 当= x , - 时，沿滑动接触边界s 上的接触内边界条件可表示为： ( 一吒) 一= 0 式中 c r y c a u c h y 应力张量； 刀，( 待1 ，2 ，3 ) 一当前物体形状边界& 的外法线方向余弦。 ( 3 ) 质量守恒方程 根据质量守恒定律，有： p = jp a 式中p 一当前质量密度； 岛一初始质量密度； ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11 页 ，一密度变化系数，o p 雅可比( j a c o b i ) 矩阵e = 0 x , 砂，的行列式。 ( 4 ) 能量守恒方程 根据能量守恒定律，有： e = v s , a 一( p + q ) v ( 2 8 ) 式中一当前构型的能量； p 一压力； 口一体积粘性阻力； 矿一现实构型的体积； 宣，一应变率张量。 2 1 2 有限元方程和空间有限元离散 有限元的求解需要将一个表示结构或连续体的求解域离散为若干个子域 ( 单元) ，并通过它们边界上的结点相互联结成为组合体，因此需要将基本方 程离散为有限元的离散方程。利用虚功原理和变分法，可得到有限元离散方程。 虚功原理可表示为： 6 死= lp 2 f i x i d v + l 仃；f i x t ? d v ip f , s x i d y la d x f l s = 0 ( 2 - 9 、) i 盯 。 s 假设将具有内部节点相连的有限元网格体系加到一个参考环境中，其节点 位置随时间的变化关系为： x l ( 以，彳) = 一( 以( 善，r l ，f ) ，a ) = 缈，( 善，r ，q ) x ( a ) ( 2 - 10 ) ，= 1 式中 伊，一参考坐标系孝，7 7 ，f 中的插值函数； 聊一单元节点数； x ? 一第_ ，个节点沿f 方向的节点坐标。 对刀个单元求和，结合变分列式，得到其矩阵形式： 。r 肌 i p 7 n a d v + j b 7 仃d y j p 。b d v j 嬲l = 0 ( 2 1 1 ) ”1 l i r rs - j 式中一插值函数矩阵； 仃一应力张量； b 一应变矩阵； a 一节点加速度矢量； b 一体积载荷矢量； ，一面力载荷。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 2 ，1 3 显式有限元时间积分算法 ( 1 ) 中心差分法 对于非线性问题，假设弹性系统系数k 为位移u 的函数。以简单的单自由 度线性弹簧阻尼系统为例，如图2 3 所示。 牟r ( t ) 一 图2 3 简单的单自由度线性弹簧阻尼系统 根据达朗贝尔动力学原理，得到其动力学方程： m + c 舀+ k ( u ) u = p ( t 、 ( 2 1 2 ) 上述公式具有普遍意义。对于有限元法而言，上述运动方程的矩阵形 式为： m r 2 + c u + k u = 尸( f ) ( 2 1 3 ) 式中：驴一节点加速度列阵； 归节点速度列阵； u 一位移列阵； p ( f ) 一外力方向列阵； m 一质量矩阵； c 一阻尼矩阵； k 一节刚度列阵。 l s d y n a 采用显示中心差分法来进行时间积分，在己知0 ，乙时间 步长的情况下，求解乙卅时间步的解，运动方程为： m u ( t ) = 尸( 乙) - f 1 m ( 乙) + 日( 乙) - c u ( t ) ( 2 14 ) 式中 p ( 乙) 一外力向量列阵； f 缸( 乙) 一内力矢量，即单元内力和接触力之和； 日( 0 ) 一沙漏阻力； 显示中心差分法是有条件稳定的，可以通过一个简单的线性自由弹簧系统 进行说明，此时运动方程为： 帕+ k u ：0( 2 15 ) 设矽为特征向量矩阵，则： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 矽于m c r 2 + 西7 k u = 0 由于7 m = j ，r k u = 2 ，c o 为圆频率， t 2 ( t ) + c 0 2 u ( 乙) = 0 如果时间积分采用中心差分法，那么： 魄) = 盟学绁 ( 2 1 6 ) 于是0 时刻的运动方程为： ( 2 17 ) 魄) = 盟学掣 其中，为时间步长。把o ( t 。) 代入运动方程，可得： u ( + 1 ) 一( 2 一缈2 a t 2 ) u ( 乙) + u ( t o 1 ) = 0 设u ( t 。) = ，代入方程就可以把差分方程变为多项式方程： 五2 一( 2 一缈2 a t 2 ) 五+ 1 = 0 当船_ o o 时，若u ( 乙) 是有界的，则该方程可以得到稳定解， 亦即满足稳定条件的临界时间步长岔值为： a t o ，= 二一 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 这要求h 1 ， ( 2 2 2 ) ( 2 ) 时间步长控制 时间步长f 的选择涉及两个方面的约束： 岔取值不能过大。在直接积分法中，实质是用差分代替微分，而且对位 移和加速度的变化采用引申的线性关系，这就限制了垃的取值不能过大，否则 结果可能失真过大，不能正确表现冲击振动的真实响应以及数值稳定性问题。 在每一步数值计算中，不可避免地存在舍入误差，这些误差又不可避免代入下 一个时间步算式中，如果算法不具备数值稳定性，则可能导致结果发散，不能 正确表现真实响应，甚至无法求解。计算误差控制要求出的取值不能过大，这 取决于算法本身构造对误差的容限。 缸必须小于某临界值。显式差分算法是有条件稳定的，即时间步长必须 小于由该问题求解方程性质所决定的一个时间步长临界值： a t = 瓦万 ( 2 - 2 3 ) 其中，z 是有限元系统的最小固有振动周期，一般只需要求解系统中最小 尺寸单元的最小固有振动周期m i n ( r ) 即可。o 在a n s y s l s d y n a 中，考虑上面时间步长的两种约束及中心差分法的 稳定条件，采用“变时间步长法”，即每一时刻的时步缸由当前结构的稳定性 条件控制。具体算法为：计算每一单元的极限时间步长f 一扛1 ，2 ，取 a t = m i n ( a t ，) 为下一步时刻的时间步长。其中，壳和体单元的t 的计算方法如 、，、， 8 9l，1 - 2 2ll 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 卜o a ) 壳单元 a t e =