李欣伟，刘莉，张金艳
中车唐山机车车辆有限公司 ， 河北 唐山063035
摘要：针对轨道车辆结构被动安全问题，以某地铁车辆为载体，采用有限元方法，参考技术规范和EN 15227标准，考虑两列列车对撞工况，分析结构压溃动作顺序及吸能量、爬车风险、乘客生存空间和车辆减速度等安全性指标，保证轨道车辆结构的安全性，为轨道车辆被动安全设计提供理论依据和技术支撑。
关键词：被动安全；地铁；爬车；生存空间；减速度
1、引言
近年来，随着轨道交通运输事业的飞速发展，轨道车辆的安全性成为了列车设计的重要考核指标，在列车主动安全失效的情况下，车辆的被动安全性能成为保护乘客的最后防线，因此，如何提高轨道车辆的耐撞性，尽可能保护司乘人员的安全已成为当今轨道车辆研发的重要方向。
本论文以某地铁车辆为例，通过有限元方法，从吸能结构压溃顺序、爬车风险性、乘客生存空间和车辆减速度等安全性指标对车辆结构的被动安全性进行评估。
2、有限元模型
采用HyperMesh软件，建立车体有限元模型，整车有限元模型主要以任意四节点单元为主，辅以三角形单元。
整个编组列车有限元模型单元总数为 1889858，节点总数为 1548868。有限元模型如图2-1所示。
.png)
图 2-1 碰撞列车有限元模型
3、设计要求
参照车辆设计规范和EN 15227标准，确定如下计算工况：
（1）当一列AW0列车以25km/h速度撞击另一列静止AW0列车时，司机室和车端结构应能吸收撞击能量，列车不产生爬车现象，客室车体结构不损坏，平均减速度小于5g。
（2）当两列AW0列车以15km/h相对速度相互碰撞时冲击能量全部由可复原和不可复原能量吸收元件吸收，不造成车体结构的损坏，减速度在允许极限范围内。
4、被动安全性评估
4.1、碰撞能量
碰撞的初始动能为6276.20kJ，碰撞结束后剩余动能为3164.39kJ，占初始动能的50.42%；碰撞过程中总共吸收能量3119.54kJ，占初始动能的49.70%，主要由列车的吸能装置、车钩缓冲装置和车体结构所吸收。
.png)
图 4-1 车体结构变形图
4.2、爬车风险
在整个碰撞过程中，两列车的防爬器齿端接触，稳定啮合，触发防爬吸能装置，允许车轮最高有100mm的提升距离。车辆轮对提升量变化曲线如图4-2所示，车轮最大提升量为4.06mm，远小于标准要求的100mm，碰撞过程中没有发生爬车的风险。
.png)
图 4-1 车轮提升量变化曲线
4.3、生存空间
车辆在碰撞过程中的最大纵向压缩变形为11.7mm，卸载后车体结构纵向压缩变形为0，即整个碰撞过程中司机和乘客区域为弹性变形，卸载后无残余变形。因此，生存空间满足标准要求，不会对司机和乘客生存空间构成威胁。
4.4、减速度
按照EN15227标准里对车辆纵向平均减速度的计算方法，完成主、被动列车编组车辆的纵向平均减速度计算，列车在碰撞过程中的最大平均减速度为1.56g，远小于标准规定的5g要求，减速度满足标准要求。
5、结论
通过对某型地铁车辆进行计算分析和评估可知，吸能量、防爬性能、生存空间和减速度等安全性指标均满足标准要求，车辆被动安全性符合技术规范和标准要求。通过科学、合理的设计吸能结构，可以提高轨道车辆的被动安全性能，有效保障乘客安全。
参 考 文 献
[1]EN 15227-2008.铁路车辆的防撞性要求[S].
[2]陈秉智，杨慧芳．兆文忠．高速动车组碰撞仿真研究[J]．大连交通大学学报，2011.32(1)：93-97．
[3]谢素明，兆文忠，闫学东．高速车辆大变形碰撞仿真基本原理及应用研究[J]．铁道车辆，2001.39(8)：1-43．
作者简介：李欣伟（1982-），男，硕士研究生，高级工程师，从事轨道车辆结构有限元分析。