某动车组碰撞吸能方案仿真研究

某动车组碰撞吸能方案仿真研究

张桂兴1，高宁2，石磊1

（1.中车唐山机车车辆有限公司 产品研发中心，河北 唐山 063035）

（2.中车唐山机车车辆有限公司 技术研究中心，河北 唐山 063035）

摘要：针对某动车组的碰撞吸能方案进行一维能量分配和三维仿真分析，首先通过列车能量分配优化设计确定动车组吸能布局各截面的平台力、吸能行程及吸能次序，使碰撞能量全部由吸能单元吸收，保证车辆结构无损伤，并依据能量分配优化参数设计吸能单元及车体结构，最终建立仿真模型并进行理论阶段仿真验证，结果表明设计的动车组碰撞吸能方案能够满足列车防爬、碰撞减速度和生存空间等指标要求。

关键词：动车组；碰撞；三维；仿真

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1.概述

目前动车组作为世界各国尤其欧洲、日本和中国等国家最主要的铁路交通工具，一旦发生碰撞将给国家和人民带来巨大的经济损失和生命安全。在发生列车碰撞时，产生的撞击能量大，如何最大程度较少车辆的破坏和乘员的伤害是我们需要重点研究的方向[1]。

基于EN 15227-2020标准，以可更换吸能单元吸收全部的撞击能量、车辆结构无损伤、车辆损失最小、维修简单为原则[2]，设计出一种能够满足碰撞吸能标准要求的新型吸能布局方案，通过列车能量分配分析列车各吸能断面吸能量、碰撞压缩空间及撞击平台力[3]，并结合吸能空间和撞击力等级建立三维仿真模型，对列车主吸能结构、车体结构压溃行程及前端吸能量等参数进行验证，通过验证分析，证明列车能量分配方法的准确、可靠性，从而设计出吸能次序稳定、吸能方式可控、高吸能量的吸能结构，满足标准要求。

2.列车能量分配分析

建立列车碰撞编组模型，由质量块与非线性弹簧组成，非线性弹簧通过输入力-行程曲线方式等效车钩缓冲器、压溃管、车钩剪切结构、防爬器及主吸能等，按照以下三种碰撞场景进行能量分配：以 36km／h撞击相同静止列车、

36km／h撞击静止80吨货车和110km／h撞击15吨可变行障碍物。

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图1 列车编组模型

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图2 吸能盒布局示意图

图3  列车对撞场景能量分配

图4 80吨货车碰撞场景能量分配

图5  15吨障碍物碰撞场景能量分配

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3.碰撞三维仿真

为了验证能量分配的分析结果，建立了三维碰撞场景进行仿真，仿真模型由车体、转向架、轨道、80吨货车及 15吨可变行障碍物等效模型等部分组成，对列车三维模型进行网格划分、模型编组、载荷及边界条件设置，三维模型建模如图6所示。

（a）列车对撞场景

（b）80吨货车碰撞场景

（c）15吨障碍物碰撞场景

图6 三维碰撞场景建模

仿真过程主要验证碰撞过程列车防爬、碰撞减速度和生存空间等指标是否满足EN 15227-2020中的要求。

三种碰撞场景下的仿真结果如图7～图13所示，数据总结如表1所示，均满足标准要求。

表1 三维碰撞仿真结果总结

图7 列车对撞场景下防爬过程

图8 列车对撞场景下减速度变化

图9 列车对撞场景下生存区域变化

表2 列车对撞场景生存区域变化值

图10 80吨货车碰撞场景下防爬过程

图11 80吨货车碰撞场景下减速度变化

图12 80吨货车碰撞场景下生存区域变化

表3 80吨货车碰撞场景生存区域变化值

图13 15吨障碍物碰撞场景生存区域变化

表4 15吨障碍物碰撞生存区域变化值

4结论

通过对碰撞吸能匹配及三维分析研究表明，冲击能量全部由可复原的缓冲器和可压溃筒体产生残余变形吸收，设置在列车端部两侧的能量吸收元件和车体碰撞变形能量吸收区结构一起参与碰撞能量的吸收，未造成车体结构的损坏，传递到乘客身上的加速度值在允许极限范围内。理论上该系统能够满足

EN 15227-2020标准要求，实际应用中还需要进一步试验验证三维碰撞分析结果。

参考文献：

1. 李本怀等. 基于 EN 15227 标准长编动车组耐撞性研究 大连交通大学学报/设备检修

2．鲁青君等. 城际动车组车钩方案及碰撞能量吸收配置 计算机测量与控制/设计与应用

3．杨慧芳. CRH3动车组被动安全性和耐撞性优化研究[D].大连交通大学，2010 /设计与应用

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