基于碰撞仿真的地鐵車輛不銹鋼點(diǎn)焊車體前端結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

來(lái)亞南 鄭喜斌

（大連交通大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，116028，大連∥第一作者，碩士研究生）

為降低事故造成的損失，國(guó)內(nèi)外深入研究車輛的被動(dòng)安全防護(hù)技術(shù)。被動(dòng)安全防護(hù)主要是通過(guò)改善車體自身結(jié)構(gòu)，使其具有良好的耐撞性，車體安裝的吸能部件能夠按照人的意志有序地發(fā)生變形，盡最大可能吸收車輛碰撞能量，以增加壓潰行程、延長(zhǎng)撞擊時(shí)間，進(jìn)而降低了碰撞加速度，最大程度地保護(hù)旅客和司乘人員的人身安全，并降低碰撞造成的車輛損傷［7－10］。

本文以某不銹鋼點(diǎn)焊地鐵車體作為研究對(duì)象，應(yīng)用大變形碰撞仿真技術(shù)，建立有限元模型，對(duì)其進(jìn)行被動(dòng)安全性研究，并且通過(guò)仿真試驗(yàn)中得到的結(jié)構(gòu)變形，優(yōu)化車體第二級(jí)吸能裝置（壓潰管）的結(jié)構(gòu)，使其吸能容量提高，以降低事故損失。

1 碰撞有限元仿真理論基礎(chǔ)

車輛碰撞是一個(gè)復(fù)雜的非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程。碰撞發(fā)生過(guò)程中產(chǎn)生的大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)和大應(yīng)變之間是一種非線性關(guān)系，其求解過(guò)程非常復(fù)雜。碰撞的典型特征是動(dòng)態(tài)接觸，必須考慮變形對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響。這是一種以接觸摩擦為特征的邊界非線性和以材料的彈塑變形為特征的材料非線性綜合問(wèn)題。盡管如此，任何結(jié)構(gòu)都要遵守質(zhì)量守恒、能量守恒定律以及物體的運(yùn)動(dòng)方程。對(duì)于大變形碰撞問(wèn)題，目前廣泛應(yīng)用的PAN－CPASH 軟件其算法都是基于質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒定律及物體運(yùn)動(dòng)的有關(guān)方程。

車輛大變形碰撞問(wèn)題屬于顯式動(dòng)力分析，最主要的困難是費(fèi)時(shí)過(guò)多，采用單點(diǎn)高斯積分進(jìn)行單元計(jì)算能提高計(jì)算效率，但是這種方法容易產(chǎn)生零能模式，又稱沙漏模式，它的存在將導(dǎo)致解答失真，甚至求解無(wú)法進(jìn)行。因此，在實(shí)際分析中必須防止沙漏模式的出現(xiàn)。

2 不銹鋼點(diǎn)焊地鐵車輛頭車碰撞仿真

本文使用PAN－CRASH 軟件，采用單節(jié)頭車迎面碰撞剛性墻仿真，只截取頭部變形圖，通過(guò)仿真試驗(yàn)中得到的結(jié)構(gòu)變形來(lái)優(yōu)化車體吸能結(jié)構(gòu)，提高車體吸能效果，最大程度上減小客室變形，以降低碰撞損失。

圖1為頭車撞擊剛性墻時(shí)，車體在0～200 ms時(shí)的變形圖。由圖1可以看出，頭車以25 km／h的速度迎面碰撞剛性墻時(shí)，在端部吸能結(jié)構(gòu)完全壓潰時(shí)客室區(qū)車體底架承載邊梁發(fā)生變形。這說(shuō)明吸能結(jié)構(gòu)吸能不足是引起客室區(qū)發(fā)生變形的主要原因之一。

圖1 頭車吸能結(jié)構(gòu)與客室區(qū)域變形仿真圖

圖2給出了碰撞過(guò)程中車體能量隨時(shí)間變化的曲線圖。從圖2中可以看出：碰撞過(guò)程中，車體動(dòng)能減少，內(nèi)能增加，總能量不變；在碰撞200 ms后車體動(dòng)能減少，減少的部分被車體吸能結(jié)構(gòu)吸收，其中2／3的動(dòng)能被前端吸能結(jié)構(gòu)吸收，其余1／3能量大部分被車體客室區(qū)吸收。圖3可以看出，車體最大撞擊力為1 390 kN。

圖2 車體能量隨時(shí)間變化的曲線圖

圖3 撞擊力隨時(shí)間變化的曲線圖

3 壓潰管吸能特性的研究

在車體碰撞過(guò)程中壓潰管的壁厚、材料特性、結(jié)構(gòu)形狀等對(duì)其吸能和變形有很大的影響。為使車體安裝的吸能部件能夠按照人的意志有序地發(fā)生變形，以最大程度地保護(hù)旅客和司乘人員的人身安全，現(xiàn)研究以上各因素對(duì)壓潰管吸能特性的影響。

3.1 壓潰管管壁厚度變化的影響

本文在初始方案中采用尺寸為長(zhǎng)490 mm、寬68 mm、高150 mm 的壓潰管，管壁厚度為3 mm，如圖4所示。

圖4 初始方案的壓潰管分析模型

為使試驗(yàn)結(jié)果更真實(shí)，本文使用橫向比較的方法，即均采用HT 級(jí)材料的壓潰管，改變厚度，厚分別為3 mm、4 mm 和5 mm 進(jìn)行仿真，從而得出不同管壁厚度對(duì)吸能效果的影響，如圖5及圖6所示。

圖5 不同壁厚的壓潰管撞擊剛性墻時(shí)的撞擊力隨時(shí)間變化曲線

圖6 不同壁厚的壓潰管撞擊剛性墻時(shí)的吸能隨時(shí)間變化曲線

從圖5、圖6中可看出，不同壁厚壓潰管的變形觸發(fā)力以及吸能效果有明顯不同，可將兩圖對(duì)比結(jié)果以表格的形式統(tǒng)計(jì)出來(lái)，見(jiàn)表1。由表1可知，壁厚為5 mm 的壓潰管吸能最多，但同時(shí)觸發(fā)力變化波動(dòng)幅度也較大。

表1 不同壁厚的壓潰管觸發(fā)力和吸能效果對(duì)比

3.2 材料性能的影響

由于地鐵車輛通用的不銹鋼材料有4種調(diào)制狀態(tài)，分別為SUS301L－DLT、SUS301L－ST、SUS301LMT、SUS301L－HT。在保持壓潰管形狀、壁厚、初始撞擊速度等因素不變時(shí)，分別應(yīng)用以上4種材料做成的壓潰管來(lái)進(jìn)行車體碰撞仿真分析，并觀察壓潰管的變形，結(jié)果如圖7～圖8所示。

圖7 不同材料的壓潰管撞擊剛性墻時(shí)的撞擊力隨時(shí)間的變化曲線

圖8 不同材料的壓潰管撞擊剛性墻時(shí)的吸能隨時(shí)間的變化曲線

由圖7、圖8可知，4種壓潰管的撞擊力與吸能情況有明顯的不同，結(jié)果如表2所示。

3.3 結(jié)構(gòu)形狀的影響

為使試驗(yàn)結(jié)果更加全面，本文對(duì)結(jié)構(gòu)形狀的影響設(shè)計(jì)兩種方案。

表2 不同材料的壓潰管撞擊力與吸能情況對(duì)比

方案一使用SUS301L－HT級(jí)材料、壁厚為3mm的壓潰管，撞擊初始速度都為25 km／h，但在初始模型上增加誘導(dǎo)孔的數(shù)量，且把原圓形的誘導(dǎo)孔變?yōu)榫匦?，如圖9所示。仿真分析結(jié)果如圖10～圖11所示。

圖9 方案一更改前后的壓潰管模型對(duì)比

圖10 方案一壓潰管撞擊剛性墻時(shí)撞擊力隨時(shí)間的變化曲線

由圖10可以觀察到，雖然2個(gè)曲線大致趨勢(shì)相同，但誘導(dǎo)孔更改為矩形后的壓潰管較更改前撞擊力明顯變小，而且更為平穩(wěn)。從圖11可以看出，更改前后壓潰管的吸能曲線沒(méi)有明顯改變，這說(shuō)明壓潰管誘導(dǎo)孔的形狀及數(shù)量只對(duì)撞擊力有影響，對(duì)吸能效果并沒(méi)有明顯的影響。

方案二同樣采用SUS301L－HT 級(jí)材料，管壁厚為4 mm，撞擊初始速度依然為25 km／h，不同的是將原矩形的模型管改為錐形，為了降低觸發(fā)力又多開(kāi)設(shè)了誘導(dǎo)孔（這不影響吸能效果）。方案二壓潰管模型如圖12所示。

圖11 方案一壓潰管撞擊剛性墻時(shí)所吸收的能量隨時(shí)間變化曲線

仿真分析結(jié)果如圖13～14所示。由圖13可以看出改進(jìn)后的壓潰管撞擊力較改進(jìn)前明顯降低。由圖14可知，改進(jìn)后的壓潰管在吸能方面也明顯優(yōu)于改進(jìn)前。

圖12 方案二更改前后的壓潰管模型對(duì)比

圖13 方案二壓潰管撞擊剛性墻時(shí)撞擊力隨時(shí)間的變化曲線

綜上所述，改變壓潰管誘導(dǎo)孔的形狀、數(shù)量對(duì)觸發(fā)力有所改變，但對(duì)壓潰管吸能沒(méi)有明顯影響，而壓潰管的形狀對(duì)吸能效果影響較大。

3.4 優(yōu)化后壓潰管抗撞性驗(yàn)證

通過(guò)以上仿真試驗(yàn)的分析，現(xiàn)采用壁厚為4 mm、材料為SUS301l－HT 不銹鋼的錐形壓潰管進(jìn)行驗(yàn)證，觀察裝有改進(jìn)后壓潰管的車體在碰撞后0～200 ms時(shí)的變形圖（如圖15所示）。

圖15與圖1對(duì)比可知，裝有改進(jìn)后壓潰管的車體在碰撞過(guò)程中前端變形大大減少，且壓潰管的變形良好，此處的應(yīng)力集中得到削減，說(shuō)明優(yōu)化壓潰管確實(shí)能降低客室碰撞損失。

圖14 方案二壓潰管撞擊剛性墻時(shí)所吸收能量隨時(shí)間的變化曲線

圖15 不同時(shí)刻頭車吸能結(jié)構(gòu)與客室區(qū)域變形圖

圖16為車體碰撞中全局能量與端部吸能隨時(shí)間變化的曲線圖。由圖16 可知，在發(fā)生撞擊200 ms后，車體端部吸能占車體總吸能的90%以上，大大高于改進(jìn)前。圖17為車體撞擊力隨時(shí)間變化的曲線圖。從圖17可以看出，改進(jìn)壓潰管后觸發(fā)力明顯降低，這又證實(shí)了改進(jìn)后的方案可以提高車體被動(dòng)安全性。

4 結(jié)論

本文以某不銹鋼點(diǎn)焊地鐵車輛車體為研究對(duì)象，著重于優(yōu)化車體第二級(jí)吸能裝置（壓潰管）的結(jié)構(gòu)，為了驗(yàn)證優(yōu)化后的壓潰管能否解決原車輛碰撞過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，利用碰撞仿真軟件PANCRASH 分別從壓潰管壁厚、材料及變形狀改變等方面進(jìn)行仿真試驗(yàn)，并獲得以下結(jié)論：

1）壓潰管管壁厚度越大，吸能效果越好，但是隨之觸發(fā)力增加，造成車體變形不穩(wěn)定。

2）壓潰管的材料強(qiáng)度越高，吸能效果越好，同樣會(huì)使觸發(fā)力增高、車體變形不穩(wěn)定。

3）在壓潰管上增加誘導(dǎo)孔的數(shù)量可以降低觸發(fā)力，但對(duì)于吸能沒(méi)有明顯影響。

4）把矩形的壓潰管改為錐形并增加誘導(dǎo)孔后，吸能效果變好并使觸發(fā)力降低。

圖16 改進(jìn)設(shè)計(jì)后車體全局能量與端部吸能隨時(shí)間的變化曲線圖

圖17 改進(jìn)設(shè)計(jì)后撞擊力隨時(shí)間的變化曲線

優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果表明，車體前端吸能結(jié)構(gòu)在整個(gè)碰撞過(guò)程中變形良好，而且車體客室區(qū)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯塑性變形。這表明壓潰管的優(yōu)化設(shè)計(jì)解決了上述中所出現(xiàn)的問(wèn)題，達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計(jì)目的。

［1］謝素明，兆文忠，閆學(xué)冬.高速車輛大變形碰撞仿真基本原理及應(yīng)用研究［J］.鐵路車輛，2001（8）：41.

［2］劉金朝，王國(guó)成.城市軌道車輛防碰撞性研究［J］.現(xiàn)代城市軌道交通，2005（2）：36.

［3］房加志，劉金朝，焦群英，等.鐵路客車結(jié)構(gòu)大變形碰撞特性的仿真研究［J］.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004（4）：76.

［4］張曙.大力發(fā)展城市軌道交通［J］.湖南交通科技，2000（4）：70.

［5］陸梁.城市軌道交通的發(fā)展、分類與系統(tǒng)選擇［J］.城市軌道交通研究，1999（1）：7.

［6］扈振衣.城市軌道交通發(fā)展?fàn)顩r及相關(guān)問(wèn)題［J］.鐵道建筑技術(shù)，2001（6）：1.

［7］常樹(shù)民.城市軌道車輛碰撞安全設(shè)計(jì)［J］.裝備機(jī)械，2010（1）：32.

［8］溫志剛.關(guān)于我國(guó)城市軌道交通發(fā)展的思考［J］.山西高等學(xué)校社會(huì)科學(xué)學(xué)報(bào)，2002（1）：31.

［9］潘海嘯，惠英.軌道交通建設(shè)與都市發(fā)展［J］.城市軌道交通研究，1999（1）：15.

［10］程軍民.淺談我國(guó)城市軌道交通的現(xiàn)狀和發(fā)展［J］.甘肅科技，2003（3）：53.

［11］周巧蓮.城市軌道交通列車輔助防撞系統(tǒng)方案研究［J］.城市軌道交通研究，2014（1）：18