基于RADIOSS和HyperCrash的電動車組碰撞仿真

項(xiàng)目介紹

隨著列車的全面提速，列車碰撞安全性成為現(xiàn)代列車研究的最關(guān)鍵內(nèi)容之一。車體的耐撞性包括車體結(jié)構(gòu)的承載能力、變形模式和自身吸收撞擊能量的能力等多方面的綜合特性。滿足列車車體結(jié)構(gòu)的耐撞性，也就是在一定的撞擊速度下，列車車體的各個(gè)部位能有序的發(fā)生碰撞變形，在盡可能多的吸收撞擊能量的同時(shí)，最大限度的降低撞擊減速度，為司機(jī)和乘客保留足夠的逃生空間，從而降低碰撞事故帶來的傷害。

青島四方龐巴迪鐵路運(yùn)輸設(shè)備有限公司（簡稱BST）是由中國四方機(jī)車車輛有限責(zé)任公司與龐巴迪公司出資組建的中外合資企業(yè)。從事設(shè)計(jì)、生產(chǎn)高檔客車、普通客車車體、電動車組、豪華雙層客車、高速客車和城市軌道車輛等，銷售合營公司自產(chǎn)產(chǎn)品，提供相關(guān)售后服務(wù)。

青島四方龐巴迪以某鋁合金電動車組車體結(jié)構(gòu)為載體，利用HyperMesh軟件強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分功能建立網(wǎng)格，并在HyperCrash 中建立8 節(jié)編組動車組有限元模型，采用RADIOSS軟件顯式求解器，基于計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真技術(shù)對車體進(jìn)行大變形碰撞仿真，得到該車體發(fā)生大變形碰撞時(shí)的車體塑性變形、撞擊力、車體減速度等參數(shù)與時(shí)間的變化情況，并根據(jù)EN15227 標(biāo)準(zhǔn)中的評價(jià)準(zhǔn)則對該動車組車體的碰撞安全性進(jìn)行評估。

挑戰(zhàn)

由于，目前該碰撞工況很難進(jìn)行真實(shí)的試驗(yàn)，如何在設(shè)計(jì)階段對車體的安全性進(jìn)行準(zhǔn)確評估，從而滿足安全性需求。

解決方案

該車體是采用大型鋁型材焊接而成，采用8節(jié)編組，頭車前端帶有吸能車鉤和碰撞吸能器，兩節(jié)車輛之間帶有中間吸能車鉤，可以很好的吸收碰撞能量，頭車結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 頭車車體結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)EN15227：2008標(biāo)準(zhǔn)，對于在平交路口上，一輛列車單元以65km/h 的速度和一個(gè)大而重的可變形障礙物之間發(fā)生撞擊，如圖2所示?？勺冃握系K物的詳細(xì)參數(shù)及模型建立要求可以參照EN15227：2008標(biāo)準(zhǔn)中C.3部分。

圖2 電動車組碰撞工況

在碰撞過程中，列車的碰撞能量主要集中在車體前端結(jié)構(gòu)部分，而前端結(jié)構(gòu)也同樣具有載客能力，需要同時(shí)考慮司機(jī)和乘客的安全，所以耐撞性對于頭車車體尤為重要。為提高計(jì)算效率，建立頭車車體前面部分模型，后面部分及其他7輛車體用質(zhì)點(diǎn)模擬。有限元模型建立如下：

圖3 電動車組碰撞有限元模型

根據(jù)上述工況及有限元模型，采用RADIOSS 顯式求解器進(jìn)行求解，并用HyperView 查看碰撞結(jié)果。碰撞過程中，車體與可變形障礙物隨時(shí)間變化的變形圖如圖4所示。

圖4 碰撞過程車體及障礙物變形圖

整個(gè)碰撞過程中，前端緩沖器僅僅壓縮8mm，吸收能量很小，前端車鉤與障礙物不發(fā)生接觸，不吸收能量，由于車體剛度較大，大部分碰撞能量被可變形障礙物吸收。頭車的塑性應(yīng)變云圖如圖5所示，紅色為塑性應(yīng)變大于10%的區(qū)域，從圖中可以看到，車體前端發(fā)生很小的塑性變形，對車體整體結(jié)構(gòu)幾乎沒有影響。因此，司機(jī)及乘客的生存區(qū)沒有受到影響。圖6為頭車的位移云圖。

圖5 塑性應(yīng)變云圖

圖6 位移云圖

結(jié)論

根據(jù)EN15227：2008標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的碰撞工況，以某鋁合金電動車組車體結(jié)構(gòu)為載體，應(yīng)用Altair公司碰撞仿真軟件HyperCrash和RADIOSS進(jìn)行大變形碰撞仿真，并以碰撞過程中車體結(jié)構(gòu)的塑性變形、司機(jī)和乘客的生存空間和平均加速度等情況為基準(zhǔn)，評估了該列車的安全性?？梢暂^準(zhǔn)確高效的實(shí)現(xiàn)動車碰撞仿真，很好地評估并保障列車的碰撞安全性。因此，該仿真方法可以在軌道車輛的碰撞仿真中得到廣泛的應(yīng)用。(end)