基于有限元仿真计算现代地铁列车被动安全研究

孙腾飞 王晋乐 郑伟

摘 要：基于欧洲被动安全标准要求，利用HyperWorks、LS-DYNA有限元仿真计算软件对某型地铁列车碰撞过程进行了数值仿真计算，计算结果表明该型地铁列车满足欧洲标准要求。

关键词：地铁列车;有限元计算;被动安全

中图分类号：TB     文献标识码：A      doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2021.01.072

0 引言

随着城市轨道交通行业的发展，地铁列车线路日益增多，截至2020年，全国已有40多个城市开通地铁，地铁列车载客量大、速度较高，且主要运行在人口密度较大的市区，一旦发生碰撞事故，将会造成严重的人员伤亡和财产损失。

被动安全防护标准所设置的目的在于： 防止列车载客区变形过大或是外部物品侵入载客区，导致乘客的生存空间破坏而引起损伤，防止“一次碰撞”引起较大减速度，超过人体承受极限和防止成员与车体及内装件发生“二次碰撞”导致乘员重要部位损伤。

本文根据EN15227标准要求，依据某型地铁列车头车、中间车的车体结构、车体材料特性、总体布置和车钩缓冲装置特性，利用有限元分析软件HyperWorks/LS-DYNA，针对主动列车以25 km /h 的速度正面碰撞另一列相同的静止列车时的情况，建立有限元模型，对该型地铁列车被动安全性能进行研究。

1 列车编组及碰撞工况

1.1 列车编组

如图1所示，列车采用6辆编组方式：

其中，Tc车：带司机室不带受电弓的拖车;M车：无司机室不带受电弓的动车;Mp车：无司机室带受电弓的动车;“=”全自动车钩;“-”半永久牵引杆。

1.2 碰撞工况

根据EN 15227：2008+A1：2010《Railway applications-Crashworthiness requirements for railway vehicle bodies》中设定的C-II类车碰撞场景相关规定，确定该列车碰撞工况如下：一列6节编组的该地铁列车（整备质量加50%座席乘客质量）以25km/h速度撞击另一列处于静止、无制动状态的同类列车。其中，两列车存在40mm的初始垂向位移。

该工况碰撞场景及车辆、界面编号如图2所示。

2 计算对象

2.1 车体结构

Tc车车体结构如图3所示，采用大型薄壁挤压铝合金型材，由车顶、底架、侧墙、端墙和司机室等大部件组成，各大部件间采用焊接方式完成车体的组装。

Mp车车体结构如图4所示，采用大型薄壁挤压铝合金型材，由车顶、底架、侧墙、端墙等大部件组成，各大部件间采用焊接方式完成车体的组装。

2.2 车钩缓冲装置

地铁列车司机室端设置全自动钩缓装置，车辆间设置半永久钩缓装置。

车钩缓冲装置技术参数如下。

表1是司机室端全自动钩缓装置技术参数。

表2是司机室端全自动钩缓装置技术参数。

2.3 车体材料

车体结构采用轻型高强度铝合金材料，主要包括5000系合金的5083及6000系合金的6005A和6082。

2.4 撞击质量

根据欧洲标准EN 15227∶2008+A1∶2010中第3.3章节所述，撞击质量为车辆整备重量与50%座席乘客的质量之和，将各车辆的撞击质量统计如表3。

3 有限元模型

根据各车体三维几何模型、所用材料、设备布置及车钩缓冲装置力学特性等资料，建立了详细的列车碰撞有限元模型，如图5所示。其中，将前端防爬吸能装置细化为尺寸为10mm的单元，头车司机室及其他车体端部吸能结构细化为尺寸为25mm的单元，为了简化计算模型并减少仿真分析时间，提高计算效率，其他部位单元尺寸定为80mm;Tc车共离散单元691555个，节点570482个;Mp车共离散单元673981个，节点546922个。

列车碰撞有限元模型中车体和转向架之间连接关系模拟的准确性在一定程度上影响着仿真结果的准确性。本次碰撞模型中引入了离散梁单元，其输入参数为梁单元的3向刚度值，来模拟一系簧和二系簧的力学性能;引入了弹簧减振单元，其输入参数为减振器阻尼系数曲线，来模拟各向减振器。

4 仿真结果及分析

4.1 生存空间

列车碰撞模拟中主动车速度为25km/h，被动车静止，碰撞仿真時间为1300ms。S6界面处两列车头车端部结构在碰撞后的变形图如图6所示，头车与中间车间界面，碰撞结束后变形图如图7所示。可以看出，碰撞结束后，仅S6界面处端部吸能区结构发生了明显的塑性变形吸能，头车司机室和客室结构区域无明显变形产生，其生存空间可以得到保障;各中间车车端结构间都未发生碰撞接触，客室结构未产生明显变形，乘客的生存空间可以得到保障，且两列车间未发生爬车现象。

在整个碰撞过程中各节车乘客生存空间纵向长度变化量的最大值如表4所示，最大变形量仅为8.3mm，满足标准EN 15227中“乘客生存空间中的任意5m长度内缩小值都不能超过50mm”的规定。

图8给出了A1、B1车司机室邻近主驾驶位置处地板和车顶间高度变化量随时间变化曲线，在整个碰撞过程中A1、B1车司机室邻近主驾驶位置处地板和车顶间的最大高度变化量分别为15.0mm和30.6mm，均不大于变形前各自高度（约2353mm）的20%即470mm，司机室生存空间满足标准EN 15227的要求。

4.2 减速度

碰撞过程中主动车逐渐减速，被动车逐渐加速，后各节车辆速度趋于相同。计算得出各节车的纵向最大平均减速度值如图9所示，可以看出最大平均减速度为0.87g，小于5g，满足标准要求。

4.3 抬升量

如图10～图11所示，同统计各节车车轮最大抬升量，可以发现各节车车轮最大抬升量为24mm，满足标准EN15227中“车辆稳定连锁条件下，车轮抬离轨道最大高度不得超过100mm”规定。

5 结论

通过以上分析可以得出以下结论：

（1）碰撞过程中，地铁列车仅头车车体前端吸能区（主要为防爬吸能装置和吸能梁）发生塑性变形，客室和司机室区域无明显变形。

（2）碰撞过程中，各车辆乘客生存空间纵向长度变化量的最大值为8.3mm，小于50mm;司机室垂向最大变形量为30.6mm，司机室邻近主驾驶位置处地板和车顶间高度最小值大于标准要求的80%。

（3）碰撞过程中，各车辆最大平均减速度为0.87g，小于标准可允许极限5g。

（4）碰撞过程中，两列车端部防爬齿间实现了稳定互锁，且各节车辆车轮最大抬升量为24mm，小于标准要求的100mm，不存在爬车风险。

参考文献

[1]雷成，肖守讷，罗世辉，等.地铁列车头车耐碰撞性研究[J].城市轨道交通研究，2013，（11）：32.

[2]刘青波，侯本虎，王雷，等.基于EN15227标准长编动车组耐撞性研究 [J].大连交通大学学报，2020，（41）：34.