（光学工程专业论文）内燃动车组被动安全性研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 随着铁路车辆运行速度的不断提高，对轨道车辆的安全性要求越来越高。为了进 一步提高车辆的安全性、保证乘客安全，车辆的被动安全性能研究在当今社会显得尤 为重要。 本文从国内外铁路机车车辆非线性大变形碰撞的研究现状入手，阐明了研究车辆 被动安全性能的必要性，基于有限元方法，运用了塑性材料理论和接触碰撞数值计算 方法，针对某型低地板内燃动车组进行碰撞设计、分析和仿真，最后得到符合被动安 全要求的动车组。 全文首先介绍了大变形碰撞分析方面的相关理论、方法和仿真的关键问题，非线 性大变形软件的运用，仿真计算时重点需要注意的问题进行了分析和阐述：其次对比介 绍了国外机车车辆的碰撞分析方面的标准，尤其对b se n l 5 2 2 7 ：2 0 0 8 r a i l w a y a p p l i c a t i o n s - - c r a s h w o r t h i n e s sr e q u i r e m e n t sf o rr a i l w a yv e h i c l eb o d i e s ) ) 标准( 以下简称 e n l 5 2 2 7 ) 中耐碰撞车体结构的设计理念进行了详细阐述，分析了车辆的吸能结构布 置、能量吸收等级及验收原则：最后分别就车辆的附加式吸能结构和车辆的主体承载吸 能结构进行分析和计算，根据e n l 5 2 2 7 标准设定了两列车碰撞、不同速度情况下与铁 路车辆以及不同的障碍物碰撞等工况，仿真分析结果表明该车体的设计完全符合标准 的要求。 关键词：轨道车辆；耐碰撞；低地板；附加式吸能元件；仿真 a b s t r a c t w i t ht h er u n n i n gs p e e do fr a i l w a yr o l l i n gs t o c kb e c o m i n gp r o g r e s s i v e l yf a s t e r , t h e s a f e t yr e q u i r e m e n t so fr a i lv e h i c l eg e t t i n gh i g h e ra n dh i g h e li no r d e rt of u r t h e ri m p r o v et h e s a f e t yo fv e h i c l e sa n dt oe n s u r et h es a f e t yo fp a s s e n g e r s ，v e h i c l ep a s s i v es a f e t yr e s e a r c hi s p a r t i c u l a r l yi m p o r t a n ti nn o w a d a y s t h i sa r t i c l es t a r tf r o mt h er e s e a r c hs t a t u so fn o n l i n e a rl a r g ed e f o r m a t i o ni m p a c to ft h e r a i l w a yv e h i c l e sa th o m ea n da b r o a d ，e x p l a i nt h en e c e s s i t yf o rs t u d yo fv e h i c l ep a s s i v es a f e t y p e r f o r m a n c e ，b a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，u s i n gp l a s t i cm a t e r i a l s t h e o r ya n d n u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o do fc o n t a c t - i m p a c t ，t od e s i g n ，a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no fa l o w - f l o o rd i e s e lm u l t i p l eu n i t si nt e r m so fc o l l i s i o nr e s i s t a n c e ，a n dg e tt h ed m u s f i n a l l y w h i c h m e e tp a s s i v es a f e t yr e q u i r e m e n t s f i r s tp a r ti n t r o d u c e dt h el a r g ed e f o r m a t i o na n a l y s i so fc o l l i s i o nt h e o r ya n dm e t h o d ， s e v e r a lk e yp r o b l e m so fc r a s hs i m u l a t i o na n da p p l i c a t i o no fa n a l y s i sn o n l i n e a r l a r g e d e f o r m a t i o ni m p a c ts o f t w a r e ，f o c u s e da n a l y s i sa n de l a b o r a t i o no ft h ei s s u e st h a tn e e d a t t e n t i o nw h e ni ns i m u l a t i o n s e c o n dp a r tc o m p a r a t i v ea n dd e s c r i b e sf o r e i g ns t a n d a r d sa b o u t t h ei m p a c ta n a l y s i s ，a n de s p e c i a l l y e l a b o r a t e dt h e d e s i g nc o n c e p ta b o u tc r a s h w o r t h y c a r b o d ys t r u c t u r eb a s e do nt h eb se n l5 2 2 7 ：2 0 0 8 ( ( r a i l w a ya p p l i c a t i o n s c r a s h w o r t h i n e s s r e q u i r e m e n t sf o rr a i l w a yv e h i c l eb o d i e s ) ) s t a n d a r d ( h e r e i n a f t e rr e f e r r e dt oa se n l 5 2 2 7 ) ， a n a l y s e st h ea r r a n g e m e n to fe n e r g ya b s o r b i n gs t r u c t u r eo fv e h i c l e ，e n e r g ya b s o r p t i o nl e v e l ， t h es t r u c t u r a lr e q u i r e m e n t sa n da c c e p t a n c eo ft h ep r i n c i p l e sw h i c hv e h i c l es h o u l dm e e t t h e l a s tp a r t ，t h i sa r t i c l em a k ea n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no fa d d i t i o n a l e n e r g ya b s o r b i n gs t r u c t u r e a n dm a i nb e a r i n ge n e r g ya b s o r b i n gs t r u c t u r eo f v e h i c l e ，a c c o r d i n gt ot h ee n l5 2 2 7s t a n d a r d s s e tt h ea n a l y s i sc o n d i t i o na b o u tt w o t r a i nc o l l i s i o n ，c o l l i s i o n 谢mv e h i c l e 、d i f f e r e n to b s t a c l e s w i t hd i f f e r e n ts p e e d ，s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec a rb o d yd e s i g ni nf u l lc o m p l i a n c e w i t ht h er e q u i r e m e n t so fs t a n d a r d s k e yw o r d ：r a i lv e h i c l e ；c r a s h w o r t h i n e s s ；l o w - f l o o r ；a d d i t i v ee n e r g y a b s o r b e r ；s i m u l a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 课题研究的目的及意义 “走节能环保之路，建设绿色交通”是近几年来中国交通领域的一个发展主题， 而安全又是绿色交通的重中之重。铁路轨道交通作为目前各种交通工具中最为环保的 代表，不仅具有运量大、速度快、安全、准点、环保、节约能源和用地等特点，而且 铁路干线为地区经济建设和发展更是提供了强有力的支撑，因此大力发展铁路轨道交 通，是世界各国交通领域共同的趋势。安全是交通领域的永恒主题，为了确保车辆的 运行安全，人们已付出了极大的心血与代价n3 。目前世界各国都有铁路车辆在运营线路 上发生碰撞造成人员伤亡的例子，所以轨道车辆的安全性是铁路轨道车辆需要研究的 永久课题，而如何提高车辆在碰撞事故中的抗撞性又成为车辆被动安全性分析中的一 个关键环节瞳3 ，有重要的实用价值口3 。 虽然铁路轨道交通具有轨道导向、网络通信、制动失效保护和现代化的列车控制 等优点h 1 ，且一般是通过主动系统信号来实现安全保障瞄3 ，但是轨道交通事故是由异常 复杂多变的偶然因素导致，对广大乘客造成很严重的生命威胁，一旦列车发生非常严 重的碰撞事故，将造成车毁人亡的严重后果，并使轨道车辆的碰撞事故成为全民关注 的焦点。2 0 11 年7 月2 3 日中国“甬温线”动车事故造成了很大的人员伤亡，在中国乃 至世界轨道交通领域都造成了巨大的影响。 轨道列车车体结构抗撞性研究的意义本身就是要保证所设计的结构能尽最大可能 的减少人员伤亡1 。改善车体结构耐撞性的方法，重点是对车体结构的碰撞能量吸收特 性开展系列研究，并在设计时使得车辆能够依靠自身的承载结构或附加设备的变形、 损坏、断裂等形式来缓解碰撞发生时的冲击负荷，使车体变形区吸收碰撞能量，从而 使传递给乘客区的碰撞能量尽量减少，以保护乘员、车体结构和各类吊挂设备的安全。 1 2 大变形耐撞结构的国内外研究现状 结构的碰撞大变形问题实际上是把固体力学的重点从线性转到非线性，从静力学 问题转到了动力学问题口1 ，从弹性问题转到弹塑性问题。 国内外许多高校学者和科研机构都对大变形碰撞仿真计算方法进行研究，在造船、 汽车、铁路车辆等领域取得了一定的成就。1 9 7 5 年，b e l y t s c h k o 啤1 首次采用壳单元和 显式时间积分技术对车体碰撞进行了有限元分析；1 9 8 4 1 9 8 6 年期间，b e n s o n 和 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 h a l l q u i s t 旧。首次完成了整车碰撞的显式有限元分析。上世纪9 0 年代中后期开始，大 量的有限元商业软件不断开发，例如：l s - d y n a ，p a m c r a s h ，r a d i o s s ，a b a q u s 等，使 得耐撞性研究取得了飞速的进展。 近几年内，湖南大学重点对汽车结构碰撞方面进行了大量的研究，钟志华等对汽 车碰撞过程中的摩擦力进行分析n0 1 ，雷正保等对汽车车身前纵梁的碰撞力学特性进行 了优化设计n 1 | ，张维刚等对汽车的吸能部件进行了优化n2 1 ，曹立波等对车辆的吸能缓 冲装置进行相应的结构改进n 引，谢庆喜等对电动汽车的电池架的抗撞击性能进行优化 睢4 l ，并对半刚性护栏与汽车碰撞进行了数值仿真n5 | ，西南交通大学、大连交通大学对 铁路车辆的大变形碰撞进行了模拟仿真工作，分别对薄壁构件及车体结构的碰撞进行 了模拟计算n6 1 ，西南交通大学的贾宇对耐碰撞机车车体进行了研究n7 1 ，大连交通大学 的谢素明等人研究了客车车体碰撞吸能结构的优化设计方法n8 | ，在造船业及其他领域国 内也进行了大量的研究，王自力和朱学军对船体结构进行抗撞性设计n9 1 ，金汉均和李 朝晖更是通过数值模拟来研究凸多面体间的碰撞检测方法晗0 | ，张立新和隋允康等人口妇 采用响应面法并结合中心对称法和拟单纯形法建立了方管碰撞的线性和非线性约束优 化模型。国外一直也未停止耐碰撞领域的研究，c h e n 采用遗传算法对结构进行了抗撞 性优化瞳2 1 ；l a n z i 和b i s a g n i 对直升机的底架结构进行了抗撞性优化瞳3 | ；前人的研究结 果表明，基于计算机仿真的数值模拟技术对于分析轨道车辆的耐撞性问题具有很高的 效率和一定的精度。 从上世纪八十年代至今，铁路车辆结构的耐碰撞技术一直被世界各国所研究。欧 美国家对轨道车辆耐碰撞进行了大量的研究，对列车的撞击行为进行相关的理论分析 和计算机模拟仿真技术的开发，甚至直接使用完整的车辆进行碰撞试验，开发出符合 各国使用条件的耐碰撞车体。美国在考虑车辆结构耐碰撞能力方面，采用了加强端部 结构的做法，重点对车辆前端的框架结构、梁柱等位置进行加强；德国铁路分别设计 了动车组、带司机室拖车和干线客车的端部吸能结构，以及安全司机室的结构布置等 等。欧美均使用过真实的车辆进行碰撞试验，不可否认碰撞试验是研究车辆碰撞被动 安全性最准确的方法，但是该试验往往需要花费高昂的费用。对于庞大的轨道交通来 说，这样昂贵的开发过程更是不可想象的。到目前为止除了美国和欧洲采用实际物理 样机进行碰撞测试之外，其他地区均没有采用真实车体碰撞的例子，因此开发计算机 模拟分析方法也成为各国在轨道车辆研究方面的重要研究方向。 计算机硬件和软件以及有限元技术的不断发展和完善为模拟铁路车辆的耐撞性优 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 化设计、有限元分析等数值模拟奠定了牢固的基础。通过有限元等数值模拟手段来分 析车辆碰撞性能，既节省了昂贵的真实车辆碰撞试验资金，又缩短了新产品开发以及 零部件优化的时间，已成为非常可行的设计研发手段，而且在当今竞争非常激烈的市 场环境下，无论国内还是国外，数值模拟部分或全部地取代碰撞试验的现实意义，使 得碰撞安全性数值模拟研究成为必然的趋势。 1 3 本论文研究的课题来源及主要工作 本论文所研究的课题是南车南京浦镇车辆有限公司的实际项目，重点研究中部低 地板内燃动车组被动安全的车体结构设计，并将研究转化为实际成果，为该项目的顺 利实施提供技术保障。 本论文对耐碰撞车体结构的设计理念进行了详细阐述，分析了车辆的吸能结构布 置、能量吸收等级及验收原则，采用a n s y s l s d y n a 与h y p e r m e s h 软件分别就车辆的 附加式吸能结构和车辆的主体承载吸能结构进行分析和计算，根据e n l 5 2 2 7 标准设定 了两列车碰撞、不同速度情况下与铁路车辆以及不同的障碍物碰撞等工况，对低地板 内燃动车组的车体被动安全进行仿真分析。 1 4 本章小结 本章回顾了大变形碰撞结构的发展历史和国内外目前的研究现状，并通过对国内 外的研究情况的阐述，说明了基于计算机数值仿真技术对大变形车辆碰撞仿真分析和 研究的必要性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第二章碰撞分析理论及仿真计算的关键问题 2 1 碰撞分析理论 车辆的碰撞是一个很复杂的物理瞬态过程，车体结构在应力波的作用下会产生 复杂的动力响应髓4 1 ，它包括了几何非线性、材料的非线性以及以接触摩擦为特征的 边界非线性口5 1 。 l s d y n a 是一个以显式为主，隐式为辅的非线性有限元求解器。由于车辆碰撞过 程具有很强的非线性特征，考虑到隐式仿真算法必须迭代求解，对庞大的轨道车辆 模型来说，迭代求解计算在相同的计算机硬件基础上的仿真计算时间上面没有任何 的优势，而且对于高度非线性问题，并不能保证收敛，因此，轨道车辆的碰撞仿真 目前都采用显示仿真算法。 2 1 1 基本理论方程 碰撞的具体模拟分析方法实际上是在已知初始条件和初始的边界条件基础上求 解一个偏微分方程，在具体过程中动态接触边界条件在问题求解之前是未知的。 在众多的算法中，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瞳6 1 。 a n s y s l s - d y n a 软件算法采用l a g r a n g e 描述增量法眩引，但是所有的算法都必须遵守几 个守恒方程： 动量方程 ，+ 成= 成 ( 1 1 ) 该式中的g 打表示柯西应力；z 是单位质量的体积力，1 曼。是加速度。 质量守恒方程p = y p 。 ( 1 2 ) 式中的丫表示相对体积；p 是当前状态下的质量密度；p 。是初始状态下的质量密度。 能量方程 应= v s “亡“一( p + q ) v ( 1 3 ) 式中亡为应变率张量；g 为体积粘性阻力；偏应力s l ，= 6 口+ ( p + g ) g f ；压力 p = 一g 船3 一q ，y 为现时构形的体积。 边界条件 研究一个结构的大变形碰撞问题，需要施加的边界条件主要包括接触边界条件、 面力、和位移。 a 面力边界条件： 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 6 j ，胛，= t i ( f ) ( 在面力边界s 1 上) ( 1 4 1 ) 式中n ( 歹= 1 ，2 ，3 ) n 示现n n 构形状边界s 1 的外法线方向的余弦；t i ( f _ 1 ，2 ，3 ) 为面 力荷载数值。 b 位移边界条件： x ，( 义。，f ) = k ，0 ) ( 在位移的边界s 2 上) ( 1 4 2 ) 式中彳。( 0 【= 1 ，2 ，3 ) 为f = 0 时的位移；k 。o ) p = 1 ，2 ，3 ) 为给定位移函数。 c 滑动接触面间断处的跳跃条件 ( o r ；一6 ；) 胛，= 0 ( 当x ? = x _ 接触时沿接触边界s o ) ( 1 4 3 ) 以上方程式经过相应的参数转化可以得到求解轨道车辆的大变形碰撞这种高度非 线性动力分析的有限元运动方程 m i ( t ) = p ( x ，f ) 一f ( x ，童) ( 1 5 ) 式中的总体质量矩阵m 为 m = j p n ，n d v( 1 6 ) m 2 1 i ( f ) 是总体结点加速度的向量；p 是总体载荷的向量3 ，由结点载荷、面力、体力等形 成：f 由单元应力场的等效结点力向量( 或称应力散度) 组集而成的，即 f = 扣丁。d y ( 1 7 ) m 2 1 n 为形函数矩阵；b 为应变矩阵；o 为应力向量。 2 1 2 塑性材料基本理论 弹塑性材料在载荷作用的初期，应力和应变之间的关系一直保持线性，当应力数 值比屈服应力o 。还要大时，材料就会进入塑性阶段，载荷继续作用之后，应力和应变 之间的关系仍保持的线性关系，但是此阶段的斜率与前期完全不同。但是已经发生塑 性变形之后，一旦将载荷撤销，材料还将永久的塑性f ，而且卸载曲线的斜率和初始 载荷加载时斜率相同，如图2 1 所示的某一种弹塑性材料本构关系。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 0 s p 图2 1 弹塑性材料本构关系 所以在一维度情况下想要描述弹塑性材料的本构关系就相对比较简单，首先需要 判断应力是否达到了结构材料的屈服应力，只有材料内的应力已经超过了屈服应力才 能按照塑性变形本构计算结构的应力和应变关系，否则必须按照弹性材料本构关系进 行处理。使用v m i s e s 屈服准则可判断三维情况下结构材料是否发生塑性变形，即在 达到相应的变形条件时，受力物体内某一点的应力偏张力的第二不变量j 2 达到某一定 值时，该点就开始进入塑性状态。即 ( 仃工一仃y ) 2 十( 仃y 一仃工) 2 + ( 仃y 一仃x ) 2 + 6 ( f + 丁胆2 + 丁二) = 2 。，2 = 6 k 2 ( 1 8 ) 用主应力表示为 ( 仃1 一仃2 ) 2 + ( 仃2 一仃3 ) 2 + ( 仃3 一仃1 ) 2 = 2 仃：= 6k 2 ( 1 9 ) 式中o 。为材料的屈服点，k 为材料的剪切屈服强度 与等效应力仃比较可得 孑= 去( 仃z 一仃y ) 2 + ( 仃y 一盯x ) 2 + ( 仃y 一仃z ) 2 + 6 ( f ：+ 彳+ f 卜万。o 所以v m i s e s 屈服准则的力学意义是，当等效应力仃等于材料的屈服应力o 。时， 材料开始进入塑性变形。 2 1 3 接触一碰撞数值计算方法 在接触一碰撞的整个过程中，结构与载荷是相互耦合的，当发生碰撞的时候，垂直 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 于接触界面的速度是瞬时不连续的，即载荷是随着时间、随着结构的变形而变化，当 出现粘性滑移行为时，沿着界面的切向速度是不连续的瞳5 1 。对于伴随大变形的碰撞过 程，计算分析时误差比较大。l s d y n a 在处理接触一碰撞界面的算法主要有三种：罚函 数法、动态约束法、分布参数法。 2 2 碰撞仿真计算的几个关键问题 本课题采用a n s y s l s - d y n a 软件进行列车碰撞仿真计算，运用h y p e r m e s h 软件进 行单元建模，下面分五个方面简单介绍一下碰撞仿真模型建立及计算的几个关键问题。 2 2 1a n s y s l s d y n a 软件与h y p e r m e s h 等软件之间f e m 模型传递 a n s y s l s d y n a 是将l s d y n a 显式积分部分与a n s y s 的前处理和后处理连接成一 体，充分运用l s d y n a 程序强大的非线性动力分析功能，又很好地利用了a n s y s 程 序完善的前后处理功能，可是轨道车辆车体结构一般包含了很多板梁式组焊结构， 其建模需要大量使用板翘单元，工作量非常巨大，目前a n s y s l s d y n a 在几何建模、 网格自动生成、单元质量检查以及不合格单元修改等方面h y p e r m e s h 软件，本研究 过程使用h y p e r m e s h i o 0 软件完成建模等前处理过程。 a n s y s l s d y n a 软件在导入h y p e r m e s h i o 0 输出的f e m 模型后可以完全接受其资 料而不用修改，包括载荷定义，边界条件以及材料的选择均可以在入h y p e r m e s h i o 0 中进行。h y p e r m e s h i o 0 输出完整的二进制文件后a n s y s l s d y n a 软件可直接读取并进 行计算。 2 2 2 材料模型及接触方式的选择 车体结构受突加载荷作用产生塑性变形的速度很高，结构有明显的粘塑性噜8 1 ，故 为了真实描述碰撞过程，结构材料按粘塑性( 弹塑性) 处理。碰撞商用软件l s - d y n a 提 供了丰富的材料库，为了保证仿真计算的精度、效率及计算结果的可靠性，材料模型 必须能准确反映构件的变形特性及变形状态，因此使用时要参考软件的单元手册来确 定可以用哪种模型瞳9 】。根据铁路车辆常用钢材，碰撞模型中一般用弹塑性的3 号双线 性塑性随动硬化材料模型或者2 4 号分段线性塑性材料模型，其中3 号双线性塑性随动 硬化材料模型的使用面最为广泛。 在碰撞仿真计算中，接触一碰撞问题属于最困难的非线性问题之一，因为在接触 一碰撞问题中的响应是不平滑的陋7 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 在具体的碰撞接触类型选择中还需要考虑自动接触还是普通接触，自动接触与普 通接触的区别在于对壳单元接触力的处理方式不同，普通接触在计算接触力时不考虑 壳的厚度，自动接触允许接触出现在壳元的两侧瞳9 | ，两种接触类型中的壳元接触力按 照图示方法计算( 见图2 2 ) ，为了保证精度，在计算机硬件允许的条件下一般考虑壳 单元的厚度，即选择自动接触。 p e n e t r a t i n gn o d eqp e n e t r a t i n gn o d e h e l i 丁0 ps u r f a c e c o m a c t r e s t o r i n gf o r c e lb o m mt s u r f a c e c o n t a c t 8 e 对or i n gf o r c e a u t o m a t i cc o n t a c tg e n e r a ic o n t a c t 图2 2 自动接触与普通接触壳元接触力的计算方法 2 2 3 模型的简化及单元选择 碰撞发生的时间很短暂，而且发生接触碰撞的部位大部分集中在车辆的端部结 构。碰撞分析主要是计算结构的变形，所以在端部吸能结构建模时需要对可变形区 域的部件尽量细化并保持结构本身几何特征的准确性，而在碰撞过程中的刚度大、 变形基本上可以忽略的部位可尽可能多的考虑为刚体，在计算分析时可以有效的节 省计算时间。 另外，对有限单元划分的精度和质量直接关系到仿真计算的精度和效率，因此 对单元的选择和质量方面还需要注意如下几点： ( 1 ) 在建模过程中尽量不要使用三角形单元和四面体单元。相对于四边形壳单元和 六面体实体单元来说，这两种单元计算精度较差。 ( 2 ) 单元的大小要尽量均匀，不应出现极小的单元面积。而且如果单元尺寸相差太 大的话，可能会导致产生非常小的时间步长，增加迭代时间。 ( 3 ) 尽量避免坏形状的单元和单点载荷，在计算之前做好单元质量的分析和修正工 作。 2 2 4 参数控制 l s d y n a 中控制参数很多，必须进行认真的分析和理解，而这些参数的控制对碰撞 仿真的结果非常关键。在这里需要重点说一下软件的重启动功能，为了防止在计算中 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 出现断电等异常现象发生，l s d y n a 程序的重起动功能允许用户将整个作业的分析计算 分成若干步完成。每一步计算结束前，程序将以后继续计算所必须的全部信息都记入 d u m p 文件。d u m p 文件的大小大概与计算所需的m e m o r y 大小差不多。每一步的计算结 果可以用后处理程序进行显示检查，以避免浪费不正确计算的机时瞳9 1 。 另外由l s d y n a 显示积分中的时间步长t 计算公式可知，显示时间积分的最小 时间步长是由最小单元长度l 噬。和声速c 决定的，随着计算过程中单元变形的增大，时 步at , i n 会不断的减小，如果结构变形非常大时，临界时间步长会变得非常小，以至于 无法完成计算，此时需要考虑质量缩放技术窿9 i ，即在关键字* c o n t r o l _ t i m e s t e p 中设置 d t 2 m s 0 。 2 3 本章小结 本章介绍了轨道车辆碰撞分析时需要遵守的基本理论方程、塑性材料以及接触算 法等基本理论知识，并对计算仿真分析中需要重点关注的关键问题进行了讨论。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 第三章耐碰撞车体结构的设计理念 碰撞事故发生时，对于主要由金属材料焊接而成的车体结构，列车的冲击动能主 要通过金属结构的塑性变形来吸收，如果不考虑弱化可变形吸能区，金属结构的塑性 变形将会导致结构件的损坏，比如因为钢结构车厢发生塑性变形而导致空间变小会对 司机和乘客发生挤压，甚至发生伤亡事故。所以按照人为的设计要求有序变形，是铁 路车辆的耐撞性基本的设计思路，即车体端部的附加式吸能装置或车体结构次要部位 能够逐步吸能，延长撞击作用时间从而降低撞击减速度，且车体结构主要部位应为弹 性变形，不发生塑性变形。 世界各国铁路根据本国机车车辆的自身特点，对耐碰撞机车车辆能量吸收装置的 吸能能力进行了研究。法国通过对t g v 的相关研究表明，高速列车碰撞的能量主要集 中在头车以及头车与第一节车辆之间，因此法国国营铁路设计的列车头车与第一节车 厢间隙之间总的吸能能力为8 m j 1 | ，如图3 1 所示。 48 k i n h 逮腰 v 啼嘲酾一v j 鏖撬誉壤区域区域 5m 3m j 碰撞 类似机车 区域 5m j 图3 1 车辆碰撞区域能量分布 但是对于长大编组的列车来说，列车总动能较大，但是端部机车的长度以及能量 吸收能力受到限制，所以要保证能量逐级平稳的缓解，所有相邻车厢之间在发生碰撞 时都需要吸收能量，同时，车辆的防爬系统对车辆之间的对撞和抵抗连挂车辆间的冲 击也是非常重要的阳2 。 3 。1 耐撞性评定标准 国内目前还没有铁路车辆领域耐撞性评价的标准和方法，主要参照以下几个国外 的标准进行铁路车辆耐撞性设计和评定。 l 、美国的“6 2 1 f r 4 9 7 2 7 旅客列车设备安全标准”和“联邦汽车安全标准( f m v s s 2 0 8 ) ”，要求：( 1 ) 在低于2 0 0 k m h 速度运行的铁路车辆发生碰撞时，首辆车头部吸 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 收5 m j 能量，尾部吸收3 m j 能量，相邻拖车的端部吸收5 m j 的能量，其余拖车吸收7 m j 的能量。( 2 ) 载人碰撞事故中客车中部载人区人体胸部重心的合成减速度( c 。) 一般不 超过6 0 9 ( m s 2 ) ；如果( c 。) 超过6 0 9 时，则持续作用时间不超过3 m s b3 | ，另外标准 规定乘员头部伤害指数h ，。不超过1 0 0 0 。 2 、美国的铁路客车车辆结构设计标准a p t as s c & s 一0 3 4 9 9 s t a n d a r df o rt h e d e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fp a s s e n g e rr a i i r o a dr o l l i n gs t o c k 中对车辆的被动 安全提出了明确的载荷要求，所有方向的载荷值均与碰撞载荷工况相结合，特别对端 墙梁柱和侧墙窗下的主要梁柱针，对不同车型明确了耐受载荷数值。该标准中还对车 辆的纵向载荷依据车钩是否有附加式吸能元件和剪切功能进行了不同的载荷设定，突 出了能量管理设计对车辆结构设计的影响，但是该标准的规定仍然重点突出了加强车 辆端部结构的静强度方面需要达到的要求，而没有规定具体结构的能量吸收数值，在 标准中规定一些设计和能量的吸收要求由业主和车辆生产商协商确定，故规定不够完 善。 3 、英国铁路组织标准g m r t 2 1 0 0 第9 章中的9 1 至9 3 条规定，对车辆的车体结构 耐碰撞设计的要求如下：假设2 个相似的车辆进行面对面的对称冲击碰撞，当车端所承 受的载荷超过材料的许可载荷时，每一辆车的端部结构最少吸收1 m j 能量。材料的永 久变形产生的压溃长度应不大于1 m 。对于型式1 ( 乘客和全体乘务人员) 和型式2 ( 没 有乘客) 的车辆上的力，除了动车组和固定编组的列车之外，这个力应该不超过 4 0 0 0 k n ，但最好限制为最大3 0 0 0k n 。对于动车组和固定编组的列车，这个力将不超过 3 0 0 0 k n ，但最好限制最大为2 5 0 0 k n 。 4 、b se n15 2 2 7 ：2 0 0 8 ( ( r a i l w a ya p p l i c a t i o n s c r a s h w o r t h i n e s sr e q u i r e m e n t sf o r r a i l w a yv e h i c l eb o d i e s ) ) 标准( 以下简称e n l 5 2 2 7 ) ，是目前欧洲通行的碰撞标准，也是目 前最完善的铁路车辆的碰撞标准，该标准于2 0 0 7 年被欧洲标准化委员会审议通过，其 标准内容旨在减轻撞击事故产生的后果。该标准中考虑的所有措施可以在预防事故发 生的所有可能性条件失败之后提供最后保护手段，并且提供了车辆的能量分配设计思 路，在大多数普遍事故和相关风险的基础之上，确定铁路车体应设计承受的撞击条件， 而且标准中对车辆结构的要求均与b se n l 2 6 6 3 1 ：2 0 1 0 铁路应用一铁路车辆车体结构 要求标准( 以下简称e n l 2 6 6 3 ) 对车辆的结构要求兼容，即在满足e n l 2 6 6 3 标准的基本 强度要求基础上另外增加了结构的被动安全性要求，从而确保结构的稳定与被动安全 期望的结构不同位置的强弱要求相统一，故该标准为目前世界上评估车辆被动安全采 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 纳最为广泛的标准。不仅对碰撞情况进行了详细的设定，同时对参考障碍物有比较详 细的设定，为仿真分析提供了标准依据，故本文采用e n l 5 2 2 7 标准对内燃动车组组的 被动安全性开展研究。 3 2 耐碰撞吸能结构设计原理 车辆的碰撞安全技术可以分为两类，主动防护和被动防护。而被动防护技术是指 对轨道车辆的车体结构进行耐碰撞结构的设计，提前预见和考虑可能发生的碰撞工况， 分析计算车辆前端的专用吸能装置和非载客区域结构薄弱部分材料的塑性破坏形式将 碰撞冲击动能耗散，从而保证载客区域的完整性，最大限度地保护乘客的生命安全， 本文所研究的内容为被动防护技术。 从结构角度考虑，耐碰撞车体在满足车辆强度标准要求的前提下，要在车辆的端 部或者非关键部位适当的考虑承载式吸能结构和非承载的附加式吸能结构。 一般情况下，承载式吸能结构和车辆本身的车体结构是集成为一体的，必须确保 合理的强度和刚度，一般设置在车辆的两端瞄制，如图3 2 所示。在正常的运行和制动 状况下，能够良好的传递纵向载荷，并且不发生塑性变形；在设定的运行速度下发生 碰撞事故时，端部非载客区域的低纵向刚度结构产生塑性大变形吸收碰撞冲击动能， 从而降低发生碰撞的危险性，保护载客区主体结构和乘客的安全。附加式吸能结构一 般也在轨道车辆端部，可以和压溃式防爬器以及车钩缓冲装置集成到一起，通过螺栓、 焊接等方式联接到车体上，碰撞情况发生时由吸能元件吸收冲击能量，而且附加式吸 能元件的特点是成本低便于更换和修理。附加式吸能装置在车辆正常运行和制动时， 不起到任何传递纵向力及其他方向载荷的作用。 不论是承载式吸能结构还是附加式吸能结构，在碰撞发生时都不能以弹性变形来 储存这种能量，而且塑性屈服变形呈逐步渐进式，从而确保作用在乘客及司乘人员身 上的加速度值不超过人体的耐受极限。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 l 弓_ ：至澹区 2 不i 孟澹设备区 3 秉晏区 阏e 号i 门 j l 曰蕊 吲 k j q 机车 。1 。一8 5 安耷 宙十 图3 2 车体承载式能量管理设计区域设置图 在以上描述的设计原理指导下，车体的耐撞设计需要采用多级能量吸收，特别是 头车能量吸收一般分三级隅5 1 ，耐碰撞轨道车辆车体端部结构必须改造为满足要求的预 期破坏型车端2 | ，车钩缓冲装置通过剪切或拉伸装置( 如螺栓) 与底架连接，当碰撞 发生时，车钩首先接触碰撞，缓冲器被压缩吸收能量，当纵向力达到一定程度时，螺 栓剪断或拉断，车钩装置与底架脱离，被后推到底架后的预留空间。然后是防爬装置 的接触，防爬装置凸凹相间的结构具有一定的垂直剪切阻抗能力，防止一辆车的底架 爬上另一辆车的底架，其内部的压溃管则具有一定的吸能能力。防爬装置在压缩足够 的变形行程后，专用吸能装置或车体弱刚度变形区域开始接触，该部分的吸能能力最 大，变形行程最长，是吸收碰撞动能和降低加速度的关键部件。在较高速度的碰撞事 故中，最后还会发生车体主结构的碰撞，车体端部结构的设计需要适当增加吸能能力， 以减少其入侵司机室空间。按照吸能先后顺序，车辆的理想碰撞阻力曲线如图3 3 ，随 着位移的增大，碰撞的阻力逐渐增大m 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 位移 a 缓冲器冲击阻力b 剪切装置卸载阻力c 防鹅黝d 车端结构变形阻力 e 。乘员区结构阻力 图3 3 理想的碰撞阻力特性 因此在标准规定的碰撞速度范围内，车体各部分的碰撞吸能设计思路应该为：首 先要考虑车钩缓冲器的最大吸能水平，进而在结构尺寸允许范围内继续考虑防爬器的 吸能水平，最后综合考虑车辆端部的承载式吸能结构。 3 3 动车组列车耐碰撞车体应满足的要求 根据b se n15 2 2 7 ：2 0 0 8 r a i l w a ya p p l i c a t i o n s c r a s h w o r t h i n e s sr e q u i r e m e n t sf o r r a i l w a yv e h i c l eb o d i e s ) ) 标准要求，该内燃动车组车体需要满足如下工况要求： ( 1 ) 调车冲击：正常调车工况下，车钩及车辆均需要保持完好，冲击载荷靠车钩 缓冲器来消化； ( 2 ) 轻度碰撞：运行速度小于1 5 k m h 以下的碰撞工况，车辆主体结构保持完好 状态，冲击能量靠车钩缓冲器和吸能元件来消化； ( 3 ) 中度碰撞：运行速度1 5 k m h - - 一2 5 k m h 时的碰撞工况，乘客所在的客室和司机 所在的司机室无损伤，所产生的加速度脉冲不致使乘客受到伤害，而且冲击能量靠车 辆端部的附加式吸能元件和端部部分承载结构的塑性变形来消化； ( 4 ) 严重碰撞：运行速度2 5 k m h 3 6 k m h 时的碰撞工况，乘客所在的客室结构较 为稳定的，车辆的附属设备不会脱离约束，冲击能量由多个附加在车辆端部的吸能装 置以及端部弱刚度可变形区域的结构塑性变形来耗散，。 r 四 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 另外，车体承载式结构不可能为完全刚性的结构，车体刚性过大会产生很大的减 速度，使乘客无法承受口 ，车体的刚度和变形量是相互矛盾的，降低刚度必然会导致变 形量增大，因此在满足刚度要求的同时，必须综合考虑车辆的变形顺序、变形长度合 理设置吸能区域，不能使变形侵入乘员空间 a s o 根据标准的要求，碰撞工况发生后还 应满足以下要求： ( 1 ) 碰撞车组车辆之间产生的垂向位移变形都小于4 0m m ，不会发生爬车现象。 ( 2 ) 碰撞产生的能量均可由可恢复或不可恢复的能量吸收元件吸收，车辆的承载 结构没有发生塑性变形，车辆上的附属设备也没有发生脱离的情况，司乘人员所处的 空间具有足够的安全位置，结构的可变形区域最大变形量一般不超过1 0 0 m m 。 ( 3 ) 传递到乘客身上的加速度值应该在人体耐受极限范围内，前三种速度工况下允 许最大加速度值为5 9 ，第四种速度工况允许的最大加速度值为7 5 9 。 ( 4 ) 驾驶座椅前端从其中心线测量应当留有一定间隙，邻近主驾驶位置应当保证长 宽不小于0 7 5 米，地板到车顶高度不小于变形前的8 0 。 3 4 本章小结 本章对比了目前在轨道车辆被动安全领域存在的评定标准，并由此展开耐碰撞车 体吸能结构的设计原理，并根据相关标准对车辆应满足的碰撞要求进行了阐述。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 第四章附加式吸能元件的应用和选择 4 1 内燃动车组吸能配置及吸能元件的评价指标 4 1 1 内燃动车组吸能配置描述 本文研究的动力分散型动车组由两辆液力传动内燃动车组成，一辆为经济型，一 辆为舒适性型，动力源由挂在车下的内燃动力包提供，动车组两端均设司机室。 为了满足车辆的吸能要求，在车辆的端部增加附加式吸能元件，目前车辆专用吸 能装置和元件一般均设置在车钩和防爬器中后段，其破坏的初始载荷峰值和破坏形式 随着横截面的大小、壁厚、预变形的形式等参数的改变而改变，最终达到预期的破坏 模式，吸能元件通常采用受弯曲变形或压缩变形的轻金属或复合材料元件，膨胀式吸 能管和压溃式吸能管这两种吸能元件运用最为广泛。 本文研究的动车组在端部使用全自动钩缓装置、防爬器，动车组内部靠半永久牵 引杆连接，全自动钩缓装置、防爬器、半永久牵引杆均设置了吸能元件，其中全自动 钩缓装置和半永久牵引杆均采用膨胀式吸能管，防爬器采用压溃式吸能管。低速工况 下发生撞击时，车钩缓冲器可以吸收冲击能阳别，而在更高的速度工况下撞击时，则需 要车钩缓冲装置脱开，由吸能式防爬器起作用。 4 1 2 吸能元件的评价指标 吸能元件的性能评价指标在不同的实际问题运用中是不同的，其中最主要的几个 评价指标反应吸能元件的综合吸能的能力，分别是：比吸能、最大界面力、压缩力效 率、缓冲指数、结构有效利用率和紧致比。 ( 1 ) 比吸能s e a 比吸能是最重要的评价指标，比吸能s e a 是由轴向压缩的整个过程中所吸收的总 能量e 除以结构质量得到： s e a = = e l t l ( 2 ) 最大界面力 最大界面力又叫最大轴压力，顾名思义是在纵向受力方向产生，当吸能元件的材 料开始产生屈曲时，这个时候处于一种临界状态，这时候会产生最大界面力，另一个 是当吸能元件被完全压溃，达到能量吸收的最大值。对车辆进行耐碰撞研究时，重点 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 考察前一种情况。该参数对结构失效的研究具有重要意义，在耐碰撞设计中要尽量避 免初始界面力过大，初始界面力过大会导致乘员头部冲击较大。 ( 3 ) 压缩力效