国内外轨道列车碰撞的研究方法与进展

1国内外轨道列车碰撞的研究方法与进展摘要：随着现代化科学技术的飞速发展和旅客交通运输方面市场竞争的日趋激烈,铁路列车高速化已成为必然趋势，同时人们对列车安全性的要求越来越高。但高速列车在运行过程中,一旦发生撞车事故,如何保证旅客的人身安全及财产免遭重大损失,成为设计者必须解决的重要课题。因此，世界各国均对列车碰撞安全性作出了强制性要求，促使人们采用各种手段提高列车的碰撞安全性。同时，只有了解了国内外列车碰撞研究的现状、研究方法和进展，才能做出更好的改进。关键词：轨道交通高速碰撞安全性研究方法DomesticandInternationalResearchMethodsandProgressofRailTrainCollisionAbstract：Withtherapiddevelopmentofmoderntechnologyandmoreintensecompetitionofthepassengertransportationmarket,high-speedtrainhasbecomeaninevitabletrend,whilethedemandforsecurityofpeopleisincreasing.However,duringtherunning,howtoensurethesafetyofpassengersandpropertyfrommajordamageonceinacrashhasbecomeanimportantissue.Therefore,countriesaroundtheworldhaveallmadeamandatoryrequirementforcrashsafetyofthetrain,promptingpeopletousevariousmeanstoimprovethesafetyofthetraincollision.Meanwhile,onlybystudyingtheresearchmethodsandprogressoftraincollisionathomeandabroadcanwemakebetterimprovements.Keywords：TracktrafficHighspeedCollisionSecurityResearchmethodO引言铁路运输承担着主要的客、货运输任务，运行安全性是其最重要的要求，而碰撞事故会引起车辆结构的严重破坏和大量的人员伤亡。因此，在国外，对列车碰撞问题正越来越受到人们的关注，各国学者从多方面对车辆碰撞问题进行研究，而我国对铁路车辆碰撞问题的研究刚刚开始。铁路运输与高速公路、航空相比有它独特的碰撞问题。由于重量大导致产生很大的碰撞能量需要被吸收，如果在碰撞中发生窜车，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。此外，在碰撞过程中持久的横向稳定性也对车辆纵向压缩性和可控的运动稳定性有很大的关系。计算机辅助工程工具能够对铁路车辆碰撞性进行精确的模拟，可以使相对昂贵的碰撞试验成本降至最小，而且这种计算机数值模拟还可以增加碰撞试验的有效性，所以，在列车初始设计时，就利用有限元仿真来估计零件的碰撞行为，这已成为一个行之有效的方法并得到不断完善。其中比较常用的一种是利用金属材料受力时产生的塑性变形能(塑性功)来吸收列车的冲击动能。车辆在受到撞击时,主要是端部底架结构的大变形来缓和冲击和吸收冲击动能,因此端部底架结构上的薄壁梁结构的吸能特性和变形模式,将决定着车体在撞击时的响应。对于吸能部件的研究,在国内外同类研究2报道中很多,他们通过各种典型结构件的计算和试验研究,积累了大量的碰撞计算模式和相应的计算参数。通过对照计算结果和实验数据，总结出性能良好的碰撞能量吸收装置,应具备以下基本要求:(1)能使动能的耗散以一有序、有控制的方式进行；(2)能量吸收装置应有足够大的变形行程；(3)能量吸收装置性能可靠。1列车碰撞的种类列车碰撞事故包括列车与列车的碰撞，列车与轨道上障碍物的碰撞。列车与列车的碰撞包括同一轨道上同类型或不同类型的列车之间的头部正面、追尾碰撞，不同轨道上(通常指道岔处)同类型或不同类型的列车之间的侧面碰撞；列车与轨道上障碍物的碰撞包括列车与轨道上的石块、汽车、养路设备等的碰撞。在所有碰撞事故中最严重的是列车与列车碰撞。由于包含了大的车组质量，在碰撞瞬间列车所携带的巨大动能将在极短的时间内(约几百毫秒)以其它形式的能量耗散，这种碰撞会产生很大的冲击力和减速度，即使在中等的冲击速度下，也常常会造成列车巨大的结构破坏，并导致司乘人员的伤亡。2国外列车碰撞研究的现状自80年代中期至今，国外发达国家对列车耐碰撞技术已进行了大量的研究，内容包括铁路碰撞事故的调查分析，列车撞击行为的理论分析，列车耐碰撞结构的设计和能量吸收评价准则，计算机仿真以及整车碰撞试验等。就计算机仿真这一方面来讲，各国广泛使用动态显示非线性有限元模拟技术。与传统方法实车碰撞相比,其优点在于在设计阶段通过模拟计算可尽早发现问题,缩短开发周期。其次，由于列车碰撞实验重复性不好,很难得到列车内部某些关键部位的变形情况。采用模拟计算的方法,不仅重复性好、存储量大,而且还可以将列车沿任意截面剖开观察其内部部件的变形过程。此外,提出改进方案后,能快捷的修改模型,再经过计算对比模型中有关部件修改前后的变形情况,直至取得满意的结果。英国是较早进行耐冲击车体研究的国家，20世纪90年代，在英国铁路管理委员会内成立了专门从事列车碰撞问题的研究机构。对铁道车辆结构耐碰撞性和吸能元件，如GRP圆管进行较深入的理论分析、计算机仿真和试验研究。设计出如图1所示带司机室的防碰撞车辆的前端结构。当发生碰撞时，在乘客区域发生变形前，通过压缩车钩缓冲器以及GRP能量吸收管和前端底架的有序塑性变形吸收掉1MJ能量。图1英国铁路防撞车司机室结构简图1.侧门上框;2.上缓冲梁;3.角柱;4.侧墙板承梁;5.端墙板承梁;6.端门柱;7.防爬缓冲器;8.缓冲梁;9.车钩;10.能量吸收牵引装置;11.斜撑;12.GRP能量吸收元件;13.下侧梁;14.铝质蜂窝板;15.下侧梁剪切连接铰;16.下侧梁导板;17.横梁;18.牵引缓冲盒;19.后门柱;20.前门柱;21.车顶弯梁。法国国营铁路从1998年开始进行列车耐碰撞性能研究。利用大型有限元软件对两起发生在平交道口的列车碰撞事故进行了仿真再现分析，一起事故是内燃动车与1辆油罐车相撞，另一起是1列新型的耐撞击的电动车与1辆载重30t的大卡车相撞。仿真结3果表明，欧洲标准EN12663中的第二部分关于铁道车辆被动安全性评价中的15t重的方型障碍物不能很好地代表与铁道车辆相碰撞的路面车辆。为此，法国在设计TGV双层高速列车的动力车和尾部拖车时，对其结构的耐撞击性能进行了大量的理论研究和试验验证。除英国和法国外，德国、葡萄牙、美国、日本川崎重工以及我国的工厂和院校也相继开展了大量的列车耐撞击性研究。欧洲铁路在耐碰撞车辆的前端结构中，不但将车钩缓冲器、防爬器和能量吸收管集成一体，还使车前端底架参与吸收碰撞能量，并在侧墙和端墙中设置铝制蜂窝板，使之也能吸收碰撞能量。另外，通过在斜撑和下侧梁开切口来控制底架塑性变形的初始屈服应力和折曲方向。庞巴迪运输部德国车辆制造有限公司（DWA）设计制造的防碰撞轻轨车辆中，一方面采用了类似汽车的空气囊系统，另一方面在司机控制台上规定了软垫范围。这种车对于碰撞一个80t的EBO（铁路技术管理规则规定）车辆来说，速度低于20km/h时，以及对于碰撞一个同类车辆来说，速度低于29km/h时，可以可靠地保护好客室内的乘客。为了满足北美对乘客和司机碰撞被动安全保护的要求，在美国轻轨车辆市场占有较大份额的德国西门子公司为提高城市轻轨车辆的结构耐撞性，对车体与刚性墙的撞击进行了数值模拟。日本川崎重工交付纽约地铁使用的R142A型客车，为满足美国提出的车体结构能吸收撞击能量的要求，专门在美国科罗拉多州的普韦布洛市进行了单台整车的冲撞试验。3国内列车碰撞研究的现状国内机车车辆防碰撞技术研究起步较晚，上世纪90年代中后期才开始对列车碰撞进行了些理论方面的研究。近年来，一些高校才开始做了一些关于计算机模拟方面的工作。大连铁道学院结合非线性有限元软件的算法提出了高速车辆大变形碰撞仿真基本原理；同济大学机车车辆系结合国外防撞车的设计提出了轨道车辆碰撞能量吸收装置原理；中南大学高速列车研究中心先后对薄壁结构的车辆吸能部件进行了碰撞模拟，按照车体结构均按前、中、后3种纵向刚度设置，前后两部分为可以产生塑性形的弱刚度吸能结构，中间部分为仅产生弹性变形的强刚度弹变结构，计出具有合适吸能结的耐冲击车体(出口伊朗客车)，并利用LS—DYNA进行了模拟仿真；同济大学机械工程学院利用ADAMS对国外某一列车防碰撞装置进行了动力学计算，探讨了防碰撞列车的设计原理和能量吸收装置的特性；铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心利用ABAQUS对薄壁圆管的轴向撞击、高速列车铝合金材料的耐撞性进行了模拟；西南交通大学机车辆研究所通过在机车端部安装吸能装置，并利用LS—DYNA进行碰撞仿真，对高速动力车的防碰撞性能进行了改进，证明了吸能装置减小了车体主体结构的破坏和车辆的减速度。就整体而言，国内的碰撞研究还刚剐开始，已有的工作多数是结合出口车或非实际运用高速车进行的，针对国内正在运行使用的列车特点，进行列车碰撞性能的研究，还有待进一步加强。4国内外列车碰撞研究的方法与进展5.1撞击理论的模型含动能约束的多体系统的动态分析是已经完善的力学分支。为了建立数学模型，物体都被假设成为刚性，且铰接处认为不含间隙。撞击问题吸引着从天体物理学到机器人学等不同学科领域学者的注意力。他们的4共同目标是发展能够预测撞击物行为的理论。本文主要集中于与刚体有关的撞击模型。撞击理论的演化主要含有四个方面：经典力学、弹性应力波传播、接触力学和塑性变形。不同的撞击理论适用于不同撞击特性（速度和材料性质）、假设和相关结论。（1）经典力学包含应用基本力学定理来预测撞击后的速度。脉冲－动量定理构成这种方法的核心。Goldsmith在著作中用了一章的篇幅介绍了这种方法在几个问题中的应用。Brach在模拟几个具有实用价值的问题时一律采用了此法。这种方法具有简便和易于实现的特点。实际问题中的能量损失是通过恢复系数实现的。然而，此法不能预报物体之间的接触力和物体的应力。（2）弹性应力波传播撞击通过以撞击点为起点，应力波在撞击物之间的传播描述。总能量中的一部分转化为振动，这样，经典理论就无法验证这种理论。Goldsmith把这种方法应用于如下问题中：两杆的纵向碰撞、质点和杆碰撞、粘弹性对碰撞的影响等。Zukas等也广泛地应用了这一方法。波传播法用来研究细长杆的纵向碰撞问题。近年文献使用符合运算软件给出两类典型问题：质点杆撞击和杆撞击地面问题的符合表达式解。研究了平面波在含空洞材料中的传播与考虑径向剪力和惯性力时波在圆柱形杆中传播具有模拟关系。（3）接触力学两个物体撞击产生的接触应力是碰撞研究中的另一个研究热点。常规接触力学主要与静态接触有关，尽管此法在涉及撞击时已经延伸至近似解。对于球形接触面，Hertz理论常被用于撞击关系的获得，从而计算撞击时间和最大变形。此方法还被用于含塑性变形的情况。通常假设材料有一个屈服点。当Hertz理论不适用时，也可使用屈服区模型。撞击力变形关系常通过增加一个阻尼项来反映接触区域的能量耗散，从而允许把接触区作为一个弹簧－阻尼系统的模型。（4）塑性变形当塑性应变超过容许变形时，弹性波模型不再适用于分析撞击问题。这类问题属于高速撞击问题，如发生爆炸和侵彻时。Goldsmith提供了2种方法：水动力学理论和塑性波传播理论。水动力学理论中，假设物体密度发生变化，材料的状态方程于密度、温度的变化相关，同时利用了能量、动量和质量守恒定理。而塑性波传播理论中，塑性区的材料认为是不可压缩的。同样，与应变、应力、应变率有关的状态方程假设与温度无关。Maugin和Lubliner假设了脆性材料，