一種軌道車輛吸能端墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

姜青霞

摘要：車輛碰撞變形時(shí)能量吸收的吸能結(jié)構(gòu)是以研究車體端墻為主吸能端墻結(jié)構(gòu);車輛在正常運(yùn)行時(shí)，車體不僅要有足夠的強(qiáng)度和剛度來滿足相關(guān)規(guī)范規(guī)定要求外;車輛發(fā)生碰撞時(shí)，車體還要有一定的吸能結(jié)構(gòu)，即能沿著預(yù)設(shè)方向產(chǎn)生塑性大變形來吸收列車撞擊時(shí)所產(chǎn)生的沖擊動(dòng)能，保證車體乘客區(qū)內(nèi)的乘客的人身安全和此區(qū)域設(shè)備盡可能不被破壞，還可延緩其碰撞時(shí)間，降低撞擊瞬間的速度，使沖擊速度能夠降低到人體所能夠承受的范圍內(nèi)。本文主要介紹了一種軌道車輛車體端墻結(jié)構(gòu)吸能的設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：軌道車輛;吸能端墻;設(shè)計(jì)方法

前言

近年來，隨著我國鐵道車輛制造業(yè)迅速發(fā)展，已陸續(xù)向阿根廷、伊拉克、伊朗、孟加拉、等多個(gè)國家和地區(qū)批量出口鐵路客車。在出口這些車輛中所要求的技術(shù)條件制定中，客戶要求客車車體的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用國際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)UIC566《客車車體及其零部件的載荷》，替代了我國鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T1335《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》。

UIC566與TB/T1335相比，車體不僅要有足夠的強(qiáng)度和剛度來滿足車輛在正常運(yùn)行時(shí)相關(guān)規(guī)范規(guī)定要求外;車體還要有一定的吸能結(jié)構(gòu)，即當(dāng)車輛發(fā)生碰撞時(shí)，能沿著預(yù)設(shè)方向產(chǎn)生塑性大變形來吸收車輛撞擊時(shí)所產(chǎn)生的沖擊動(dòng)能，保證車體乘客區(qū)內(nèi)的乘客人身安全和此區(qū)域的設(shè)備盡可能不被破壞，還可延緩其碰撞時(shí)間，降低撞擊瞬間的速度，使沖擊速度能夠降低到人體所能夠承受的范圍內(nèi)。

目前，很多車輛主要的吸收和釋放車輛在運(yùn)行過程中所產(chǎn)生能量是通過聯(lián)掛車鉤自身帶的液壓、橡膠、彈性膠泥緩沖器等部件來完成，而對(duì)于使用鏈子鉤的車輛只能通過在底架端部增加側(cè)緩沖器來解決吸收和釋放這些能量，而UIC566標(biāo)準(zhǔn)對(duì)客車不但有較高強(qiáng)度的要求，同時(shí)對(duì)車體端部的耐撞性也有明確的要求，顯然將底架端部設(shè)計(jì)吸能功能是難滿足其強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)需要，為了保證車體既要滿足高強(qiáng)度要求，還要滿足其吸能要求，這樣車體的端墻作為吸能結(jié)構(gòu)來研究是急需考慮和解決的問題。而本文主要研究當(dāng)車輛碰撞變形時(shí)所產(chǎn)生能量的吸能結(jié)構(gòu)，是以車體的端墻為主的吸能端墻結(jié)構(gòu)，即列車在正常運(yùn)行及制動(dòng)情況下，此吸能端墻結(jié)構(gòu)既要有良好傳遞縱向力的性能，當(dāng)列車發(fā)生撞擊時(shí)，還要能發(fā)生塑性大變形用來吸收這個(gè)沖擊能，從而滿足車體碰撞吸能的要求。

吸能端墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法

吸能端墻是承載的吸能結(jié)構(gòu)，將吸能端墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成兩層，為了防止主車體發(fā)生大變形，造成旅客傷害，需要將靠近客室內(nèi)端墻的結(jié)構(gòu)其強(qiáng)度、剛度設(shè)計(jì)比較強(qiáng)大，來滿足列車正常運(yùn)行及制動(dòng)情況下，具有良好的傳遞縱向力性能;而外端墻強(qiáng)度、剛度設(shè)計(jì)相對(duì)較弱，在發(fā)生撞擊事故時(shí)，讓外端墻，及到內(nèi)端墻中間這個(gè)區(qū)域產(chǎn)生塑性大變形來吸收大的沖擊能量。

根據(jù)吸能端墻結(jié)構(gòu)的這種設(shè)計(jì)理念可以通過以下幾種方法來實(shí)現(xiàn)。

吸能端墻碰撞變形能量吸收區(qū)域設(shè)計(jì)成一個(gè)獨(dú)立模塊化部件，最后與車輛底架、側(cè)墻、頂組焊在一起;

由于吸能端墻的外端墻與內(nèi)端墻的強(qiáng)度、剛度不一致，會(huì)造成外端墻弱強(qiáng)度部分的應(yīng)力遠(yuǎn)大于內(nèi)端墻高強(qiáng)度那部分應(yīng)力，導(dǎo)致弱強(qiáng)度那部分外端墻應(yīng)力產(chǎn)生的比較集中，為了解決局部應(yīng)力過大問題，需在內(nèi)端墻結(jié)構(gòu)與外端結(jié)構(gòu)中間部分可增設(shè)緩沖結(jié)構(gòu)，讓其緩慢過度，即可在其中間布置多根安裝梁，使這些安裝梁的剛度介于強(qiáng)外端墻結(jié)構(gòu)與弱內(nèi)端墻結(jié)構(gòu)之間，使著吸能端墻整體的縱向剛度能夠逐漸減弱，即從大、中、小的方式逐漸過渡，而不是直接設(shè)計(jì)到弱剛度。

吸能端墻的外端墻與內(nèi)端墻過渡區(qū)域的安裝梁上開設(shè)長圓孔，當(dāng)列車發(fā)生碰撞事故時(shí)，在安裝梁上近長圓孔周圍的應(yīng)力會(huì)急劇增加，造成安裝梁彎曲失穩(wěn)，隨著碰撞作用力加大，在安裝梁彎曲失穩(wěn)處會(huì)繼續(xù)加大變形，最終將安裝梁壓成皺褶;為了吸能端墻在發(fā)生變形時(shí)，能夠按照設(shè)計(jì)預(yù)設(shè)的順序有序進(jìn)行，在安裝梁上同一位置處開始大小不同的長圓孔，想讓其先變形地方長圓孔應(yīng)開大一些，后變形地方長圓孔可開小一些，當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)，大長圓孔安裝梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相對(duì)較弱，因而先發(fā)生皺褶變形。這樣在撞擊過程中時(shí)，吸能端墻所產(chǎn)生的變形和大小及方向都能夠按預(yù)設(shè)有序的變形，其變形是穩(wěn)定的和可靠性的;同時(shí)在安裝梁上開孔又減輕了吸能端墻的自重，提高了比耗能。

將外端墻與內(nèi)端墻過渡區(qū)域的安裝板設(shè)計(jì)成波紋板，當(dāng)列車發(fā)生碰撞事故時(shí)，隨著撞擊力的作用，波紋板與安裝梁的孔一起，引導(dǎo)吸能端墻變形沿著預(yù)設(shè)方向有序的、穩(wěn)定的發(fā)生塑性變形。

繪制吸能端墻結(jié)構(gòu)三維模型，然后通過Hypermesh進(jìn)行幾何模型處理、網(wǎng)格的劃分和邊界條件的設(shè)定，通過LS–DYNA對(duì)車體端部結(jié)構(gòu)進(jìn)行碰撞分析計(jì)算驗(yàn)證，并對(duì)吸能端墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，最后將吸能端墻結(jié)構(gòu)融入整體結(jié)構(gòu)中進(jìn)行列車級(jí)的碰撞計(jì)算分析。

吸能端墻結(jié)構(gòu)使用不銹鋼材料，通過靜態(tài)強(qiáng)度和碰撞吸能的綜合仿真分析，通過調(diào)整吸能端墻骨架結(jié)構(gòu)、安裝梁的厚度，即調(diào)整吸能結(jié)構(gòu)所受平衡載荷和壓潰距離（E=FS），使得吸能端墻的壓潰變形按照一定的次序穩(wěn)步進(jìn)行，滿足列車在高速運(yùn)行狀態(tài)下碰撞時(shí)吸收最大程度的能量，保護(hù)乘客的生命安全。

結(jié)論

本文提供一種既能在常態(tài)下承載和傳遞一定要求靜態(tài)載荷，又能在特殊情況下可壓潰性的吸能端墻結(jié)構(gòu)，用以在吸收碰撞過程時(shí)產(chǎn)生較大的沖擊能量，且還讓車輛按照設(shè)計(jì)的需要進(jìn)行有序的發(fā)生變形，即在中間客室部位等重要區(qū)域發(fā)生彈性小變形，在車輛的次要部位發(fā)生塑性大變形，對(duì)有效的實(shí)施被動(dòng)安全保護(hù)具有重要的意義，同時(shí)為后續(xù)其它的項(xiàng)目提供借鑒意義，提高項(xiàng)目開發(fā)效率;對(duì)符合UIC標(biāo)準(zhǔn)要求既要保證正常運(yùn)行傳遞載荷，又要保證在碰撞變形產(chǎn)生能量的吸收車體端墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)

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