城轨车辆头车底架前端压溃吸能结构优化设计

周传谊，臧兰兰

（中国北车集团大连机车车辆有限公司，辽宁大连　116022）

摘　要：采用优化软件作为辅助寻优，对城轨车辆底架前端承载式压溃吸能结构进行优化分析，以期得到合理的压溃吸能结构，并对优化后的压溃吸能结构进行碰撞仿真分析，使压溃吸能结构满足车辆碰撞吸能要求。

关键词：交通运输工程；压溃吸能结构；开孔诱导；仿真分析

随着国内城轨产业的发展，国内城轨车辆对发生碰撞时的结构被动安全性提出了更高的要求，并在头车底架前端设计中引入了“具有一定吸能特征的能量吸收区”的结构设计理念，要求底架前端吸能结构在车辆发生碰撞时满足一定的吸能要求，以最大限度保护司机和乘客的安全。

目前国内B型地铁车辆车体强度设计主要执行EN 12663-2010《铁路车辆车体的结构要求》P-III标准，其车端静态压缩载荷要求为800kN，主要是保证在碰撞事故发生时给乘客提供基本生存结构的完整性。车体耐碰撞安全性设计主要执行EN15227-2008《铁路车辆车体的防撞性要求》C-II相关规定，从被动安全防护的角度提高车辆前端结构的防撞能力。

本文针对头车底架前端承载式吸能结构（耐候钢材质），通过优化软件进行多次寻优及碰撞吸能仿真分析等方法，对底架前端压溃吸能区结构、吸能梁的壁厚以及吸能梁腹板开设压溃诱导孔的大小、位置及数量进行调整优化，以谋求经济、合理的压溃吸能结构。

1　城轨车辆底架前端碰撞吸能配置

国内城轨车辆的碰撞安全性主要采取四级吸能方式：第一级为钩缓装置中的缓冲器压缩吸能；第二级为钩缓装置中的压溃管压溃吸能；第三级为钩缓装置中的过载保护装置失效时吸能；第四级则是头车前端底架的碰撞吸能区吸能。

1.1　各级吸能方式吸收能量的具体配置

车辆正常联挂速度下（≤7.5km/h），产生的冲击能量由车钩缓冲器吸收，车钩压溃管不动作，车钩剪切螺栓不动作，头车底架前端的碰撞吸能区不变形；当两列AW0列车以低于15km/h相对速度相互碰撞时，冲击能量全部由车钩缓冲器和压溃管变形吸收，车钩剪切螺栓不动作，头车底架前端的碰撞吸能区不变形；当两列AW0列车以≥15km/h相对速度相互碰撞时，车钩的过载保护装置失效，车钩剪切螺栓被切断的同时吸收部分碰撞能量，头车底架前端的防爬器及其后端碰撞吸能区可能接触，部分参与吸能；当两列AW0列车以25km/h相对速度相互碰撞时，车钩的剪切螺栓被冲断，车钩被推向牵引梁内，头车前端的防爬器接触，其后部的压溃吸能区发生变形，最大限度吸收碰撞产生的剩余能量，保证司机室结构变形区以后的乘客区车厢不发生损坏。

作者简介：周传谊，男，教授级工程师，研究方向为城轨车辆。

1.2　压溃吸能的主要结构

城轨车辆头车底架前端压溃吸能主要采取两种结构，即附加式压溃吸能结构及承载式吸能机构。附加式压溃吸能由独立的吸能元件构成碰撞吸能区，一般与防爬器集成为一个模块化部件，布置在车辆端部两边，通过螺栓、焊接等方式连接到车体上，发生碰撞事故时通过该元件变形吸收碰撞能量。承载式吸能机构则采取与轨道车辆车体结构完全集成为一体的结构，具有一定的强度和刚度，在正常运用情况下，具有良好的传递纵向力的性能，并能保持完整的结构而不发生塑性变形，在一定的速度下发生碰撞事故时，通过结构的压溃变形以吸收能量。

2　底架前端承载式压溃吸能结构

城轨车辆发生纵向碰撞时，按照碰撞速度等级的不同，各级吸能之间按照先后顺序依次起作用，只有当碰撞速度超过15km/h时，底架前端压溃吸能区才起到压溃吸能作用，在速度未达到时其结构仍需具有一定的强度和刚度要求，以保证车辆的正常联挂、调车及安全承载功能。因此，底架前端吸能结构一般采取“稍强-弱-强”的设计理念，压溃吸能结构前后支撑横梁具有一定的强度，内部则采用弱强度结构，以使内部压溃吸能梁在一定外力作用下能顺利发生塑性变形以吸收车辆碰撞的能量，其典型结构及在车体前端的位置见图1。

在该典型吸能结构中，整个吸能结构通过压溃变形吸收能量，其主要吸能部件为压溃吸能梁，材质采用09CuPCrNi，安装在头车车体底架防爬器及前端支撑梁的后部。前端支撑梁采用强度较强的槽钢结构；中间吸能缓冲梁由两块槽钢拼接而成采用，槽钢腹板及上下板开设一定数量的圆孔弱化其强度，同时板厚度也适当减薄；后端支撑梁则采用箱型梁高强度结构，并在板厚上适当加厚，保证在碰撞发生时只发生弹性变形，从而有效阻止碰撞冲击力的作用，保护乘客区车厢的安全。

3　承载式压溃吸能结构的优化

3.1　压溃吸能结构优化的提出

两列车以15～25km/h相对速度发生碰撞时，车端防爬器接触，后端压溃吸能区将产生塑性变形吸能，其所吸收的内能大小与压溃过程的平均压溃力及可变溃的行程直接相关。依据城轨车辆耐撞性设计要求，碰撞过程中乘客车厢的结构应保持完整无损并可以承受在吸能元件完全撞毁期间作用到其上的力，因此压溃吸能区结构触发力选择就是一个重要的因素，其值应小于车体静强度值（也可碰撞瞬时超值，但应未引起乘客车厢的塑性变形）以防止碰撞发生时对乘客车厢的破坏。同时压溃吸能区结构被触发后的压缩过程中，各压溃吸能梁要实现渐进有序的变形，实现较大平均压溃力，在乘客区车厢发生塑性变形前完成对剩余碰撞能量的吸收，并保证压溃过程中对乘客区车厢结构的压缩作用力始终小于触发力。

根据以往仿真计算经验，随着压溃吸能梁被压缩的位移逐渐增大，压溃吸能梁结构逐渐进入压实状态，头车车体底架前端压溃吸能区结构也将进入吸能饱和状态。在碰撞发生的末端，压溃吸能区结构对乘客车厢的压缩力将不再波动，而是单调增加，数值可能迅速上升并超过车体的静强度而造成对车体破坏。因此，在压溃行程基本确定的情况下，设计合理的压溃吸能区结构，提高压溃吸能梁吸能能力是本次优化的主要目标。

3.2　压溃吸能梁结构优化条件

本次仿真优化中，以B型地铁不锈钢车辆为基础，两列4辆编组（Tc-Mp-Mp-Tc）列车以25km/h相对速度发生碰撞（AW0载荷，Tc车重32t，Mp车重35t），车体的强度按EN 12663—2010《铁路车辆车体的结构要求》P-Ⅲ标准，车体的最大纵向压缩载荷800kN，纵向最大拉伸载荷640kN。根据碰撞理论，除头车吸收能量外（含车钩系统吸能），相邻车辆间也吸收一定的能量，并且还有一部分能量以热能、摩擦动能等方式吸收。经过计算，需由底架前端压溃吸能区吸收的能量为190kJ。底架前端压溃吸能结构根据车体结构特点，可压溃长度取500mm，压溃吸能梁宽度75mm，压溃吸能梁高度150mm，厚度为3mm，并给出各个吸能梁编号和位置（图2）。

3.3　压溃吸能梁结构优化目标

通过改变压溃吸能梁壁厚、在压溃吸能梁腹板及顶板处开压溃诱导孔、改变压溃诱导孔的开孔形状、大小、位置及数量等方式，对底架前端各吸能梁结构进行碰撞响应的结构优化，设计出满足车体以25km/h的速度碰撞吸能安全结构，并使该结构达到以下目标：

1）压溃吸能区结构的触发力在680～720kN之间，瞬时（不大于3ms）值不超过1000kN；

2）压溃吸能梁在碰撞发生之后的压溃过程中，平均压溃力大于380kN，压溃完全前（压实阶段前）压溃力始终小于触发力；

3）压溃吸能梁在压溃完全阶段（压实阶段期间），压溃力达到800kN时，压溃吸能区所吸收的碰撞内能总量大于190kJ。

4　压溃吸能梁基于碰撞响应的结构优化

本次优化依据所给出的优化条件和优化目标，经过若干次的寻优仿真求解，优化后最终得到压溃诱导孔在车体前端的压溃吸能总体布局（图3）。优化后各个吸能梁的相关结构设计参数如下：第一根（第二根、第四根、第五根）均选用厚度为2mm的09CuPCrNi金属材料，腹板开设4个椭圆孔，圆孔的中心位于压溃吸能梁的腹板中心线上，上下顶板端部开设2个矩形孔；第三根压溃吸能梁选用厚度为3mm的09CuPCrNi金属材料，在腹板开设的4个椭圆孔，在上下顶板端部开设2个椭圆形孔，2个椭圆形孔沿顶板中心线对称分布。

5　优化后的压溃吸能区在规定碰撞条件下的碰撞仿真分析

考虑到整个优化过程的复杂性，现将优化后压溃吸能区结构进行碰撞仿真分析，以验证优化结构是否合理、可靠。仿真碰撞通过车体以25km/h初速度撞击固定的平面刚性墙体，由仿真得到，头车车体前端压溃吸收区结构在碰撞中被压溃，其在压溃过程中的塑性变形随时间（取0～65ms之间）的变化如图4所示。

由仿真可知，在头车车体底架前端“能量吸收区”结构被压缩过程里，随着时间的推进，压溃吸能梁被渐进有序的压缩；在头车车体底架前端“压溃吸收区”结构被压缩过程中，防爬器、后端支撑梁、底架车钩缓冲梁等结构只产生了弹性变形，没有发生塑性变形，直至压溃吸能梁处于绝对性的完全压溃状态。

5.1　压溃吸能区对乘客区车厢结构压缩力分析

车体以25km/h的初速度撞击固定的平面刚性墙体，头车底架前端的压溃吸收区结构在碰撞中被压溃，对乘客区车厢压缩力随压溃吸能梁被压缩位移变化的同步曲线如图5所示。由仿真可知，压溃吸能区结构发生塑性变形的触发力为680.01kN，发生于碰撞发生的1ms，此时压溃吸能梁被压缩距离为6.73mm；压溃吸能区结构对乘客区车厢结构的压缩力在波动过程中的最小值为335.4kN，发生于碰撞发生的29.05ms，此时压溃吸能梁被压缩距离为195.48mm；当对乘客区车厢结构的压缩作用力达到800kN时，压溃吸能梁被压缩距离为394.98mm（完全压溃状态），发生于碰撞发生的60.45ms。

5.2　压溃吸能区结构吸能分析

车体以25km/h初速度撞击固定平面刚性墙体，头车底架前端压溃吸能区结构在碰撞中被压溃，各个压溃吸能梁所吸收的内能与压缩距离同步曲线如图6所示。由仿真可知，压溃吸能区完全压溃时，所吸收的总内能为190065.34J（190kJ），换算得到压缩过程中的平均压溃力为481.2kN。近一步考察各个吸能梁，第一根（第二根、第四根、第五根）压溃吸能梁与第三根压溃吸能梁压缩折叠变形次序明显有差别，压缩力波动相错，使总体压缩力趋于平稳。

6　结论

应用优化软件对头车底架前端压溃吸能区结构进行了优化设计，通过开孔诱导方式，有效地提高了底架前端压溃吸能区的吸能效率。优化后的压溃吸能区结构的触发力、压溃过程中对乘客区车厢的作用力以及吸能能力均满足优化目标要求，平均压溃力达到了481.2kN，压溃吸能效率显著提高，为城轨车辆车体的前端耐碰撞设计提供了有益参考。

参考文献

[1]EN 12663—2000铁路设备铁路车辆车身的结构要求[S].2000.

[2]臧兰兰.城轨车辆钩缓装置配置与头车前端底架的碰撞吸能区设计[J].现代城市轨道交通，2013（2）：1-4.

[3]孙彦彬.车辆大变形碰撞数值仿真研究及应用[R].中日学术交流报告，2007.