100%低地板城市有轨电车车辆碰撞仿真分析

王卉子,罗超,伊召锋,刘宇,于金朋,孙彦彬

(1.唐山轨道客车有限责任公司 产品研发中心，河北 唐山 063035； 2. 大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028)



100%低地板城市有轨电车车辆碰撞仿真分析

王卉子1,罗超1,伊召锋1,刘宇1,于金朋1,孙彦彬2

(1.唐山轨道客车有限责任公司 产品研发中心，河北 唐山 063035； 2. 大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028)

为提高100%低地板列车在意外碰撞事故中的被动安全性能，依据欧洲标准EN15227《铁路车辆车体的防碰撞性规范》进行车辆的碰撞仿真设计和计算分析，得到了具有良好碰撞安全防护性能的车辆设计结构，为现代轨道车辆的耐碰撞设计提供了参考.

100%低地板；轻轨车；耐撞性设计；碰撞仿真

0 引言

随着我国城市轨道交通的多样性发展，100%低地板城市有轨电车由于方便乘客上下车、减少城市车辆尾气和噪声污染等优点而备受青睐，在输送能力和旅行速度方面均位于大运量的地铁和小运量的公共汽车之间.但建设费用比地铁少得多，仅为地铁的1/10～1/20[1]，这类城市交通车辆将会成为缓解城市交通压力又一有力途径.100%低地板列车通常是行驶于城市内部，虽然有专用的运营轨道，但与地面交通车辆混合运行，碰撞事故的发生的风险概率与常规的铁路客车、地铁车辆相比更加恶劣.本文针对100%低地板列车的碰撞设计，结合欧洲标准EN15227《铁路车辆车体的防碰撞性要求》进行车辆的碰撞仿真计算和防碰撞性能分析，为车辆结构的防碰撞设计提供理论依据.

1 100%低地板有轨电车的防碰撞设计

100%低地板现代城市有轨电车是四节车辆模块编组而成的列车，列车两端为带司机室的车辆，带有司机室的车辆与第二节采用单铰接结构连接，组成一个编组模块，两个编组模块通过双铰接结构连接.为了满足列车碰撞安全性要求，带司机室车辆的前端安装防爬吸能装置，防爬吸能装置有两个吸能单元是吸能装置的主要吸能元件，位于防爬器后方，车体前端两侧，如图1所示为该吸能单元以15 km/h速度冲击时的特征曲线.

图1 吸能单元的特征曲线图

2 100%低地板有轨电车的碰撞场景

欧洲标准EN15227《铁路车辆车体的防碰撞性要求》中碰撞情况的定义是基于欧洲运营线路中的碰撞事故的调查而来，其中，100%低地板城市有轨电车的碰撞情况如下：

情况1：两列相同编组列车以相对速度15 km/h发生碰撞，其中一列车静止，另一列以15 km/h的速度撞击，编组列车在平直轨道上是没有制动力的.

情况2：由于城市有轨电车与地面交通车辆混合运行，需要考虑列车与其他车辆发生有角度的碰撞情形，因此设计编组列车在轨道上以25 km/h的速度与3吨刚性障碍物(相当于小型卡车质量)成45°发生倾斜碰撞，碰撞形式如图2所示[2].

图2 有轨电车的倾斜撞击障碍物

3 碰撞仿真模型建立与吸能单元

(1)模型建立

100%低地板现代城市有轨电车是一个由四节铝合金车辆模块编组而成的列车.整列列车碰撞仿真计算规模将会很大，需要很长的计算时间，因此需根据设计结构分析，建立合理的有限元模型.对100%低地板城市有轨电车的头车车体结构进行详细建模，车体前段的部分采用局部网格细化操作，以保证撞击仿真结构的准确性，后三节车辆忽略车体本身的结构组成，采用附加车体重量和转动惯量信息的简化模型.

有轨电车的每两节车辆模块间采用铰接装置连接，在碰撞中连接两个车体结构的铰接装置的缓冲效应有限，相对附近车体结构的刚度足够.因此碰撞仿真模型忽略铰接装置结构的弹塑性效应，采用刚性转动运动副连接，以表现其转动关系.

防爬器吸能装置位移列车的最前端，是列车碰撞中最主要的吸能部件，其模型的正确性关系到整个碰撞过程动态响应的正确性.本文采用一维杆单元模型表达其动态冲击缓冲特性，与图1中吸能部件的碰撞压缩动态响应特性相一致.

(2)吸能单元

防爬吸能装置除了吸能单元的压缩吸收能量之外，还具有防止爬车的作用.在碰撞过程中由于垂向载荷的作用一辆车会架到另一辆车上，为了避免这种情况发生，在列车的端部装有带齿的防爬器，两列车对碰中，两个相对的防爬器齿端啮合，避免了碰撞面上的垂向滑动，但碰撞中垂向载荷却需要防爬器的部件承受.此外，有轨电车碰撞场景2，是与3吨刚性障碍物成45°发生倾斜碰撞，防爬吸能装置还需要承受碰撞中的横向载荷.如果在碰撞过程中，防爬吸能装置在横向和垂向载荷的作用下，吸能部件发生较大的垂向和横向变形量，而纵向上不能向后压缩，将导致防爬吸能部件纵向吸能功能丧失，这对于列车的撞击安全防护是极危险的.因此，100%低地板城市有轨电车的防爬吸能装置的径向刚度问题，成为吸能单元的就成为防爬器是否能够起到防爬作用的关键[3].

本文依据防爬吸能装置的几何结构建立仿真计算模型，缓冲吸能单元的外径为54 mm(前端外径为42 mm),壁厚为14 mm的金属圆柱壳，如图3所示.分析在这种结构条件下，缓冲吸能单元在碰撞场景中的响应，及对于其碰撞功能的影响.

图3 端部吸能单元的有限元建模示意图

4 100%低地板的碰撞仿真分析

4.1 碰撞情况1

图4为两列列车以15 km/h的速度相对碰撞时，整个碰撞系统能量随时间变化的曲线，整个系统在800 ms时刻所吸收内能总量为260.58 kJ.在碰撞过程中，防爬器齿端能够保守啮合.车体结构

图4 碰撞系统能量随时间变化的曲线(Ⅰ)

图5 Mc车司机室变形(800 ms)

中除司机室平板的焊缝附近区域、车辆前门门柱与司机室侧墙的补强板圆弧处、司机室骨架与车体在前墙上部的螺栓连接附近，有局部区域发生了塑性应变大于0.002的塑性变形，其他部位的变形均处于材料的弹性变形范围，如图5所示.

碰撞列车防爬吸能装置的能量吸收曲线如图6所示，在800 ms时刻，撞击列车缓冲吸能单元吸收能量为126.72 kJ，占系统总吸能能量的48.63%，吸能单元的最大压缩量是338.76 mm，如图7吸能单元的压缩位移图；被碰撞列车缓冲吸能单元所吸收能量为130.8 kJ，占系统总吸能能量的50.2%，吸能单元的最大压缩量是350.71 mm.可见，防爬吸能装置是碰撞期间的主要吸能部件.

图6 系统内能和吸能单元能量吸收曲线

图7 两个吸能单元压缩位移图

在碰撞期间两列列车吸能单元的径向位移，其中撞击车辆在19.05 ms时刻在产生16.93 mm的压缩位移时发生了最大径向位移，最大径向位移值为4.88 mm.被撞击的静止车辆在27.5 ms时刻在产生33.47 mm的压缩位移时发生了最大径向位移，最大径向位移值为3.79 mm.

4.2 碰撞情况2

图8为碰撞系统的能量随时间变化的曲线，整个碰撞过程遵守能量守恒原则，系统在300 ms时刻所吸收内能总量为35.18 kJ.碰撞中，碰撞车体结构上司机室平板与前墙的焊缝附近区域、延伸支架与前墙的焊缝附近区域、吸能单元靠近底座附件区域有部分单元的塑性应变高于0.002，如图9所示.

图8 碰撞系统能量随时间变化的曲线(Ⅱ)

图9 Mc车司机室变形(300 ms)

由于碰撞面法向与列车的运行方向有45°的夹角，在碰撞过程中，碰撞侧吸能单元被压缩，非碰撞侧的吸能单元被拉伸.图10为吸能单元的压缩位移随时间变化曲线，碰撞侧的吸能单元压缩量为178.78 mm，300 ms时刻所吸收内能总量为32.757 kJ，占系统总吸能能量的93.11%，如图11所示.从能量角度，可以认为，防爬吸能装置是碰撞期间的主要吸能部件，在列车的碰撞中，效地发挥了吸能缓冲的功能.

图10 吸能单元的压缩位移随时间变化曲线

图11 系统内能和吸能装置吸收能量曲线

撞击车辆在13.65 ms时刻在产生37.06 mm的压缩位移时，吸能单元梁发生了最大径向位移，最大径向位移值为11.86 mm.

5 结论

列车前端的防爬吸能装置是列车碰撞中的主要吸能部件，它的有效吸能是对车体结构起到缓冲保护作用的关键，而防爬吸能单元的抗偏能力是保障防爬器有效发挥纵向吸能功能的前提，文中提供一定结构条件下的防爬吸能装置在碰撞中变形响应，为吸能装置的采购，及其附属部件设计提供参考.当防爬吸能装置没有足够的抗偏能力时，可设计防爬吸能装置的附属部件，以承担碰撞中垂向和横向载荷，保障吸能单元的纵向压缩功能实现.

通过100%低地板有轨电车辆通过碰撞仿真计算验证，在发生碰撞时防爬吸能装置发挥了吸能缓冲的作用，其纵向碰撞吸能特性参数合理；100%低地板现代城市有轨电车的车体结构刚度良好，在发生碰撞时车体结构只发生了局部的可修复的损伤变形.随着欧洲铁路系统对于运营车辆的耐撞性能要求的提高，我国的轨道车辆也需适应国际铁路运营的要求，提高列车车辆的耐撞性能设计，逐步完善轨道车辆结构耐撞性设计评估体系.本文基于100%低地板有轨电车的列车碰撞仿真分析，为城市轨道车辆的耐碰撞性设计提供了参考.

[1]俞展猷．现代化的低地板轻轨车辆[J]．中国铁路，2004(3)：52-54.

[2]Technical Committee CEN/TC 256.EN15227-2008 Crashworthiness requirements for railway vehicle bodies[S]．London:British Standard Institution，2008．

[3]孙彦彬.车辆大变形碰撞数值仿真研究及应用[R].大连：中日学术交流报告，2007.

[4]王勖成，邵敏.有限单元法基本原理与数值方法[M].北京：清华大学出版社，1988.

Crash Simulation and Analysis of 100% Low Floor LRV Crashworthiness

WANG Huizi1,LUO Chao1,YI Zhaofeng1,LIU Yu1,YU Jinpeng1,SUN Yanbin2

(1.R&D Center Tangshan Railway Vehicle Co., Ltd,Tangshan 0630352,China； 2.School of Traffic and Transportation Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

Considering the crash design of 100% low floor LRV and EN 15227 《Crashworthiness requirements for railway vehicle bodies》，vehicle crash simulation and analysis are conducted to offer a theoretic basis for railway vehicle structure crashworthiness design and obtain crashworthy vehicle structure.

cost control 100% low floor LRV;LRV;crashworthiness design;crash simulation

1673-9590(2015)03-0035-04

2014-09-07

王卉子(1982-),女，工程师，硕士，主要从事车辆工程的研究E-mail:sy@djtu.edu.cn.

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