了解列车大变形碰撞的数值仿真

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1、列车大变形碰撞的数值仿真陈秉智，聂春戈，兆文忠大连交通大学机械工程学院，大连116028Email:bingzhi@djtu.edu.cn；Tel:0411-84106207摘要：现阶段，按照国务院批准通过的《中长期铁路网规划》的目标，我国将建立“四纵四横”的快速客运网络体系，建成多条快速客运专线，近10年内将需要1000列以上200km/h及以上速度级动车组。随着我国铁路的全面提速，高速列车安全性研究日益重要。在国内开展破坏性实验研究，至少目前是相当困难的，所以数值仿真已经成为大变形碰撞研究的主

2、要方法。本文简单介绍了碰撞仿真国内外的研究现状，并基于PAM-CRASH碰撞软件，以实际的工程为背景。进行了列车大变形碰撞的数值仿真。关键词：大变形碰撞；数值仿真；有限元1.前言在汽车工业领域中，大变形碰撞是一项倍受重视的被动安全研究，他们不仅用实车实物在专用的实验车间里不惜代价地进行破坏性实验，同时还广泛采用计算机数值仿真手段对结构破坏过程进行高速碰撞模拟，从而对设计的安全性作出评价[1，2]。随着我国铁路的全面提速，高速列车安全性研究日益受到重视。因为随着列车速度的提高，列车的运行事故越来越受

3、到人们的关注，因为它在严重危及旅客生命安全的同时，还会给铁路运输带来巨大的经济损失和声誉影响。研究铁路事故的历史可以发现，即使采用了先进的信号、调度等主动防护技术，列车的碰撞事故还是发生过，且损失惨重，因此，越来越多的高速列车采用了被动安全防护技术来保护旅客的生命安全，最大可能地减低事故的损失。高速铁道车辆碰撞问题与汽车碰撞问题相比有它的特殊性。由于车体重量大导致产生很大的碰撞能量需要被吸收,如果在碰撞中发生爬车,被吸收掉的能量就大大减少,导致车辆结构的更大破坏和人员的更大伤亡。在碰撞过程中持久的

4、横向稳定性对车辆纵向压缩性和可控的运动稳定性有很大的关系。高速车辆大变形碰撞数值仿真的研究意义主要在于：当高速碰撞发生时，所设计的结构能尽最大可能地减少人员伤亡。同时，它也是日益激烈的市场竞争需要，或者说，是车辆现代化设计水平高低的一个重要尺度[3-6]。目前研究大变形碰撞的方法有理论研究、实物实验和数值仿真三种。理论研究只能是在宏观上进行分析，通常它必须与实物实验和数值仿真结合在一起。而由于经济实力的制约，在国内开展破坏性实验研究，至少目前是相当困难的，所以数值仿真已成为大变形碰撞研究的主要方法

5、。用数值手段进行高速碰撞仿真及吸能结构最优化具有很重要的意义[7-9]。2.国内外碰撞仿真的研究现状在国外，很多国家列车的运行速度早已达到350KM/H以上，对碰撞的研究开始得比较早。美国1997年建立了有关列车碰撞的安全规范，并进行了大量的试验研究工作，并于1999年开始要求在高速列车TIERⅡ(速度为200～240KM/H)上必须有列车防撞性设计及评估[10]。英国对铁路车辆的碰撞研究起步于上世纪80年代，成立了专门从事列车碰撞问题的研究机构，从1992年到1995年间，采用LS-DYNA3D

6、软件对各种钢质、铝质结构的大变形、非线性压溃形式进行了研究，其研究范围从简单圆管、各种组合结构到完整的车辆端部结构，同时英国还进行了列车碰撞时车辆上爬的试验研究[11]。法国铁路研究部门采用PAM-CRASH软件进行列车碰撞模拟，按照车辆结构耐撞性要求，将拖车两端部设计为可变形的、压皱吸能区，并在超级计算机上对TGVDuplex车体结构进行了优化[12]。德国西门子公司与汉诺威大学合作首先对城市轻轨车辆的结构耐撞性开展研究，其下属的Duewag工厂生产的轻轨车辆在美国占有相当份额。目前德国已在城市

7、轻轨车辆ICE第三代列车上采用了耐冲击车体结构[13]。韩国铁道科学研究院对KHST进行了耐撞性优化设计研究[14]。我国对铁路车辆碰撞问题的研究起步较晚，近年来，大连交通大学、铁道部科学院、同济大学和中南大学均开始了车辆大变形碰撞的模拟仿真工作，但是这都属于起步阶段。3.大变形碰撞的算法原理[15]车辆碰撞是一个瞬态的复杂物理过程，它包括以大位移、大转动和大应变为特征的几何非线性，以材料弹塑性变形为典型特征的材料非线性和以接触摩擦为特征的边界非线性，这些非线性物理现象的综合作用结果使碰撞过程的精

8、确描述和求解十分困难。碰撞过程的仿真一般都是基于有限元方法的空间域离散技术和基于有限差分法的时间域离散技术。基于有限差分法的时间域离散技术有：隐式和显示仿真算法。目前，在国外广泛地用于大变形碰撞问题的主要应用软件，其算法都是基于以下方程：动量方程（1）式中为柯西应力；为单位质量体积力；为加速度。质量守恒方程（2）式中为相对体积；为当前质量密度；为初始质量密度。能量方程为：（3）式中为应变率张量；为体积粘性阻力；偏应力；压力，为现时构形的体积。边界条件：实际结构大变形碰撞问题的边界条