新孟買地鐵車輛的耐撞性能探究
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摘要:以新孟買地鐵車輛為研究對(duì)象，通過對(duì)車端吸能部件進(jìn)行準(zhǔn)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)獲得吸能部件力－位移曲線，以該曲線作為碰撞仿真模型吸能單元的參數(shù)輸入，建立六節(jié)編組完整列車碰撞仿真模型，對(duì)六節(jié)編組列車單元以25km/h速度撞擊相同列車單元進(jìn)行仿真研究?；?5227標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，分析了碰撞中列車各車輛間的作用力、車體塑性變形、速度、加速度以及各吸能部件的能量吸收等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)新設(shè)計(jì)列車碰撞被動(dòng)安全性能的評(píng)估。
關(guān)鍵詞:城軌車輛;有限元模擬;碰撞
0引言
整列車模型建立由于計(jì)算機(jī)條件的限制與模型復(fù)雜性，列車正面碰撞主要通過以下兩種簡(jiǎn)化方式建模:①利用能量等效原則將兩列車正面碰撞轉(zhuǎn)化為單列車與剛性墻碰撞。②建立頭車正面碰撞模型，其余車采用集中質(zhì)量點(diǎn)代替。上述列車模型在碰撞仿真中對(duì)鉤緩裝置過度簡(jiǎn)化，忽略了中間車鉤與其他車體在碰撞過程的吸能，不能夠?qū)λ熊噹M(jìn)行碰撞安全性評(píng)估，具有一定局限性。本文結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目，建立完整六節(jié)編組高度非線性碰撞有限模型。
1碰撞仿真模型的建立
1．1車鉤建模
新孟買項(xiàng)目全自動(dòng)頭鉤緩沖吸能由EFG3與可恢復(fù)的緩沖器組成，建立的全自動(dòng)車鉤有限元模型，EFG3與緩沖器采用梁?jiǎn)卧M，賦予Mat119號(hào)材料，其余結(jié)構(gòu)采用賦予實(shí)際車鉤相同材料的實(shí)體單元模擬。
1．2車體建模
車體采用4節(jié)點(diǎn)殼單元對(duì)主結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散，焊點(diǎn)通過3－D梁?jiǎn)卧M?？照{(diào)機(jī)組、主變流器、輔助變流器等大質(zhì)量部件和其余均布質(zhì)量均以質(zhì)量單元模擬，代表大質(zhì)量部件的質(zhì)量中間半永久車鉤由半永久車鉤A與半永久車鉤B組成，通過銅套卡環(huán)連接，A、B兩側(cè)牽引裝置設(shè)有EFG3，半永久車鉤一側(cè)裝有壓潰管，另一側(cè)裝有可恢復(fù)的緩沖器，中間車鉤建模思想與全自動(dòng)車鉤類似，EFG3、壓潰管、可恢復(fù)緩沖器采用實(shí)體單元模擬，其余結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元模擬，半永久車鉤A與半永久車鉤B的連接在有限模型通過節(jié)點(diǎn)合并實(shí)現(xiàn)。
1．3轉(zhuǎn)向架建模
轉(zhuǎn)向架采用剛形體代替，通過設(shè)置重量、重心位置、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量使其與實(shí)際轉(zhuǎn)向架重量特性保持一致。轉(zhuǎn)向架與車體采用帶有彈性功能的橡膠材料模擬，通過合理設(shè)定橡膠材料參數(shù)能夠模擬車體相對(duì)轉(zhuǎn)向架的垂向跳動(dòng)，在正面碰撞中防爬器嚙合后能夠計(jì)算出車輪相對(duì)軌面的垂向的跳動(dòng)，以此來分析列車在正面碰撞中防脫軌性能.單元與車體安裝座的連接和車體與轉(zhuǎn)向架的連接通過剛性梁?jiǎn)卧B接。
1．4碰撞模型組裝
列車為六節(jié)車編組，即2個(gè)DMC車、2個(gè)TC車、2個(gè)MC車，中間車通過半永久車鉤連接，全自動(dòng)車鉤安裝在頭車上。車鉤吸能部件實(shí)際吸能行程由車鉤實(shí)體單元之間的距離控制，建立的車鉤有限元模型能夠較好模擬氣液緩沖器、EFG3、壓潰管壓縮至極限行程后車鉤之間的剛性碰撞，車鉤重量可以通過調(diào)節(jié)實(shí)體單元密度來實(shí)現(xiàn)，全自動(dòng)車鉤與車鉤板通過帶失效模式的固聯(lián)接觸連接，該連接方式適當(dāng)設(shè)置計(jì)算參數(shù)可以較好模擬車鉤在極限剪切力作用下車鉤的失效.ση、σS—分別為接觸單元實(shí)際計(jì)算所得垂向與剪切應(yīng)力。NFLS、SFLS—分別為設(shè)置的垂向與剪切失效應(yīng)力。中間車采用固連接觸將車鉤實(shí)體單元與車鉤板板殼單元耦合，采用固連接觸能夠方便提取各車車鉤的接觸力以及個(gè)車鉤板應(yīng)力分布情況，為車鉤板優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。為方便數(shù)據(jù)觀察，運(yùn)動(dòng)列車標(biāo)記為trainA，靜止列車標(biāo)記為trainB.
2計(jì)算結(jié)果與分析
2．1變形
最大塑性變形為0．064，頭車非碰撞區(qū)域未發(fā)生永久變形，整個(gè)底價(jià)邊梁未發(fā)生摺疊。車體側(cè)邊梁和車體中心線沿著車體縱向(車長(zhǎng)20787mm)的壓縮變形最大相對(duì)量分別為0．016%和0．017%，小于EN15227規(guī)定的1%要求。
2．2能量
隨著碰撞進(jìn)行動(dòng)能轉(zhuǎn)發(fā)為內(nèi)能，在碰撞至T=0．5S時(shí)內(nèi)能達(dá)到最大，此時(shí)所有吸能部件壓縮至極限位置，達(dá)到吸能最大容量，動(dòng)能降至最低，隨后車鉤可恢復(fù)緩沖器與EFG3單元釋放內(nèi)能，整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)能降低，內(nèi)能轉(zhuǎn)發(fā)為動(dòng)能，從而動(dòng)能增加。圖10為吸能結(jié)構(gòu)吸收能量情況，從中可見，吸能裝置吸收碰撞能達(dá)91%，其余內(nèi)能由車體變形吸收，車體變形能有1/3由司機(jī)室端部的吸能結(jié)構(gòu)所吸收，碰撞能主要由吸能裝置和司機(jī)室吸能結(jié)構(gòu)所吸收。
2．3車鉤與防爬器行
程與接觸力防爬器接觸力與行程變化曲線。運(yùn)動(dòng)列車與靜止列車發(fā)生碰撞后，各車鉤接觸力基本對(duì)稱。選運(yùn)動(dòng)車作為分析對(duì)象，在0．06s時(shí)，全自動(dòng)車鉤EFG3與可恢復(fù)緩沖器壓縮至極限行程，車鉤剛性接觸，碰撞力急劇增加，當(dāng)碰撞力達(dá)到車鉤剪段裝置設(shè)定剪段力時(shí)，車鉤剪段失效。此時(shí)防爬器開始接觸，接觸力迅速上升至壓潰管的工作所需的壓潰力。壓潰管開始吸能，此后中間車鉤依次達(dá)到車鉤最大行程，接觸力依次增加至中間車
2．4速度與減速度
運(yùn)動(dòng)列車以25km/h(6．994m/s)速度正面碰撞一列靜止列車，從曲線可以看出兩列車各節(jié)車速度與加速度基本一致，選運(yùn)動(dòng)車作為分析對(duì)象，在T=0．22S時(shí)兩列車頭車速度達(dá)到一致的3．495m/s，直至碰撞結(jié)束。運(yùn)動(dòng)車頭車平均減速度為:a==Δυ/Δt=(6.994－3.495)/0.22=15．89m/s2=1．6g滿足EN15227碰撞標(biāo)準(zhǔn)，碰撞情形I(兩個(gè)相同列車單元之間的前端沖擊)下的平均加速度小于5g。隨著碰撞持續(xù)運(yùn)動(dòng)車從第二節(jié)至第六節(jié)速度依次降低，運(yùn)動(dòng)車從第二節(jié)至第六節(jié)速度依次增加，在T=0．9S時(shí)，兩列車所有車廂速度基本一致。此刻整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)能降至最低，所有車鉤不再壓潰，內(nèi)增增加至最大。在T=0．9S后車鉤EFG3與可恢復(fù)緩沖器回彈，內(nèi)能緩慢降低，動(dòng)能緩慢增加，靜止車從二節(jié)至六節(jié)速度依次增加，運(yùn)動(dòng)車從第一節(jié)至第六節(jié)依次降低，隨后兩列車分離，整個(gè)碰撞結(jié)束。
3結(jié)語(yǔ)
通過仿真結(jié)果表明該車在25km/h速度撞擊相同列車情況下，吸能裝置吸收大部分碰撞能量，其余內(nèi)能由車體變形吸收，車體變形能有1/3由司機(jī)室端部吸能結(jié)構(gòu)所吸收，車端結(jié)構(gòu)最大塑性變形為0．064，車體主結(jié)構(gòu)完整，客室沒有發(fā)生破壞，滿足車輛的相關(guān)碰撞要求。
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［3］EN152272008車體防撞性要求中文［S］．
作者:楊紅波 王趙華 李濤 單位:中車株洲電力機(jī)車有限公司 產(chǎn)品研發(fā)中心