基于RADIOSS和HyperCrash的電動車組碰撞仿真

項目介紹

隨著列車的全面提速，列車碰撞安全性成為現代列車研究的最關鍵內容之一。車體的耐撞性包括車體結構的承載能力、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。滿足列車車體結構的耐撞性，也就是在一定的撞擊速度下，列車車體的各個部位能有序的發生碰撞變形，在盡可能多的吸收撞擊能量的同時，最大限度的降低撞擊減速度，為司機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輸設備有限公司（簡稱BST）是由中國四方機車車輛有限責任公司與龐巴迪公司出資組建的中外合資企業。從事設計、生產高檔客車、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，銷售合營公司自產產品，提供相關售后服務。

青島四方龐巴迪以某鋁合金電動車組車體結構為載體，利用HyperMesh軟件強大的網格劃分功能建立網格，并在HyperCrash 中建立8 節編組動車組有限元模型，采用RADIOSS軟件顯式求解器，基于計算機數值仿真技術對車體進行大變形碰撞仿真，得到該車體發生大變形碰撞時的車體塑性變形、撞擊力、車體減速度等參數與時間的變化情況，并根據EN15227 標準中的評價準則對該動車組車體的碰撞安全性進行評估。

挑戰

由于，目前該碰撞工況很難進行真實的試驗，如何在設計階段對車體的安全性進行準確評估，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節編組，頭車前端帶有吸能車鉤和碰撞吸能器，兩節車輛之間帶有中間吸能車鉤，可以很好的吸收碰撞能量，頭車結構如圖1所示。

圖1 頭車車體結構示意圖

根據EN15227：2008標準，對于在平交路口上，一輛列車單元以65km/h 的速度和一個大而重的可變形障礙物之間發生撞擊，如圖2所示。可變形障礙物的詳細參數及模型建立要求可以參照EN15227：2008標準中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構部分，而前端結構也同樣具有載客能力，需要同時考慮司機和乘客的安全，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輛車體用質點模擬。有限元模型建立如下：

圖3 電動車組碰撞有限元模型

根據上述工況及有限元模型，采用RADIOSS 顯式求解器進行求解，并用HyperView 查看碰撞結果。碰撞過程中，車體與可變形障礙物隨時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。頭車的塑性應變云圖如圖5所示，紅色為塑性應變大于10%的區域，從圖中可以看到，車體前端發生很小的塑性變形，對車體整體結構幾乎沒有影響。因此，司機及乘客的生存區沒有受到影響。圖6為頭車的位移云圖。

圖5 塑性應變云圖

圖6 位移云圖

結論

根據EN15227：2008標準中規定的碰撞工況，以某鋁合金電動車組車體結構為載體，應用Altair公司碰撞仿真軟件HyperCrash和RADIOSS進行大變形碰撞仿真，并以碰撞過程中車體結構的塑性變形、司機和乘客的生存空間和平均加速度等情況為基準，評估了該列車的安全性。可以較準確高效的實現動車碰撞仿真，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用。(end)