列車碰撞研究綜述

1、列車碰撞研究綜述124212044 交通運(yùn)輸工程運(yùn)輸方向 田智1、緒論我國(guó)地域廣闊，人口眾多，鐵路運(yùn)輸以其運(yùn)載量大、運(yùn)行速度較高、運(yùn)輸本錢較低的特點(diǎn)承當(dāng)著國(guó)家的主要客、貨運(yùn)輸任務(wù)。我國(guó)現(xiàn)有鐵路7萬多公里，在過去的八年中主要鐵路干線連續(xù)實(shí)現(xiàn)了五次大提速二干線旅客列一車時(shí)速己到達(dá) 160km/h，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速開展，鐵路運(yùn)輸也必將快速開展。隨著列車速度的不斷提高，在提高列車舒適性、便捷性的同時(shí)，列車的平安防御系統(tǒng)也開展到了一個(gè)前所未有的高度，發(fā)生列車碰撞事故的概率也越來越小。然而，鐵路系統(tǒng)是極其復(fù)雜的，需要多方面的協(xié)調(diào)合作才能保證其正常運(yùn)轉(zhuǎn)，技術(shù)缺陷、設(shè)備故障、網(wǎng)絡(luò)故障、操作失誤以及自然環(huán)

2、境的突然變化等等不可抗因素都可以導(dǎo)致列車碰撞事故的發(fā)生，因此列車的碰撞事故又是不可完全杜絕的。旅客列車載客量大，一旦發(fā)生碰撞事故，不但會(huì)給人民群眾帶來生命和財(cái)產(chǎn)的巨大損失，而且會(huì)打擊人們對(duì)鐵路平安性的信心從而為鐵路建設(shè)蒙上陰影。近年來不斷發(fā)生的鐵路碰撞事故給人們留下了慘痛的教訓(xùn)，僅2021年1月2021年3月的兩年多時(shí)間里，世界范圍內(nèi)就發(fā)生數(shù)十起列車碰撞事故，無論是印度、中國(guó)等開展中國(guó)家，還是日木、德國(guó)、阿根廷等興旺國(guó)家都未能幸免，其中不乏重特大碰撞事故1。因此，在積極主動(dòng)地采取合理手段盡最大可能防止列車碰撞事故的同時(shí)，研究在碰撞事故發(fā)生時(shí)列車自身結(jié)構(gòu)特性及司乘人員的平安性，開發(fā)一種在碰撞事故

3、發(fā)生時(shí)車體結(jié)構(gòu)耐碰撞且可以給司乘人員提供保護(hù)的鐵路車體結(jié)構(gòu)也顯得尤為重要。2、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀2.1、國(guó)外研究現(xiàn)狀國(guó)際上，為了減少汽車碰撞事故造成的生命和財(cái)產(chǎn)損失，被動(dòng)平安技術(shù)最早應(yīng)用于汽車行業(yè)，20世紀(jì)60年代才被引入到軌道交通領(lǐng)域。不過，對(duì)機(jī)車車輛碰撞的真正深入研究始于20世紀(jì)80年代中后期2，從此，英、法、德、美等興旺國(guó)家相繼對(duì)列車碰撞進(jìn)行了大規(guī)模、長(zhǎng)時(shí)間的研究。英國(guó)在 19 世紀(jì) 80 年代就開展了列車車體耐撞性研究。英國(guó)鐵路管理委員會(huì)3提出了車輛端部吸能結(jié)構(gòu)的碰撞評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。英國(guó)鐵路公司(British Rail)曾開發(fā)出耐撞性司機(jī)室結(jié)構(gòu)3-4。歐洲鐵路研究組織于1983年成立一個(gè)技術(shù)委

4、員會(huì)，對(duì)司機(jī)室的動(dòng)態(tài)載荷進(jìn)行研究，對(duì)一臺(tái)英國(guó)鐵路機(jī)車進(jìn)行耐撞性改良，通過計(jì)算機(jī)模擬和試驗(yàn)相結(jié)合，取得了耐撞性設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)和合理結(jié)構(gòu)形式3-4。法國(guó)的鐵路研究機(jī)構(gòu)使用非線性有限元軟件Pam-crash對(duì)車輛碰撞進(jìn)行模擬，參考車輛耐碰撞性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，將非動(dòng)力車兩端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為弱剛度的可大變形的吸能區(qū)，并采用高性能計(jì)算機(jī)對(duì)某TGV列車車輛結(jié)構(gòu)進(jìn)行了耐撞性優(yōu)化。1993年，法國(guó)的阿爾斯通鐵路集團(tuán)把列車耐碰撞性設(shè)計(jì)思想應(yīng)用于“歐洲某夜間列車5工程,提供了高于英國(guó)鐵道組織標(biāo)準(zhǔn)要求的列車，法國(guó)國(guó)有鐵路對(duì)被動(dòng)平安性曾進(jìn)行過大量研究工作，探究了被動(dòng)碰撞平安性設(shè)計(jì)的基木原理，詳細(xì)研究了列車發(fā)生碰撞時(shí)的物理現(xiàn)象。德

5、國(guó)漢諾威大學(xué)與西門子公司合作對(duì)城市輕軌車輛結(jié)構(gòu)的耐碰撞性能進(jìn)行過研究。龐巴迪公司運(yùn)輸部下屬德國(guó)機(jī)車車輛制造企業(yè)制造的防碰撞城市輕軌列車中，裝備了與汽車類似的平安氣囊裝置，并在列車控制臺(tái)上添加軟墊，以到達(dá)在碰撞發(fā)生時(shí)保護(hù)駕駛員的目的。為了滿足北美國(guó)家對(duì)乘客、司機(jī)進(jìn)行被動(dòng)平安性保護(hù)的強(qiáng)制要求，位于美國(guó)Missouri的西門子科研中心對(duì)Portland某列車車輛以35km/h撞擊剛性墻的方式開展非線性有限元數(shù)值仿真。西門子交通技術(shù)集團(tuán)已成功研發(fā)了多種鐵道車輛的被動(dòng)平安技術(shù)解決方案，并對(duì)碰撞能量吸收區(qū)與車體結(jié)構(gòu)分別制造進(jìn)行集成，采用易于更換的能量吸收模塊化設(shè)計(jì)等不同方案進(jìn)行論述6-9德國(guó)已在城市輕軌車

6、輛、ICE第三代列車上全面采用了耐沖擊車體結(jié)構(gòu)技術(shù)。20世紀(jì)90年代，美國(guó)聯(lián)邦鐵路局(FRA)進(jìn)行了大量列車碰撞研究10-14，早在1997年美國(guó)就建立了有關(guān)列車碰撞的平安標(biāo)準(zhǔn)，從1999年開始，在科羅拉多的美國(guó)交通運(yùn)輸技術(shù)中心開展了屢次整車碰撞試驗(yàn)，重點(diǎn)研究了單節(jié)車輛與剛性墻、機(jī)車與機(jī)車、機(jī)車與車輛、車輛與車輛、列車對(duì)列車的碰撞，以及列車發(fā)生碰撞后乘客的二次碰撞特性，他們比照分析了無平安帶和有平安帶時(shí)乘客與車內(nèi)設(shè)備二次碰撞損傷情況，研究說明有腰部和肩部平安帶束縛的情況下，乘客的平安系數(shù)會(huì)明顯提高，所以他們建議在列車座椅上加裝平安帶15-16。J.M.Karina 通過 Adams 軟件建立了

7、列車碰撞三維動(dòng)力學(xué)模型，將模擬結(jié)果與 2006 年 3 月進(jìn)行的兩列車碰撞試驗(yàn)進(jìn)行比照，兩者根本一致17。1991 到 2004 年，歐盟和國(guó)際鐵路聯(lián)盟發(fā)起了 TRAINCOL、SAFETRAIN、SAFETRAM 等工程，對(duì)鐵路列車和有軌電車的耐撞性設(shè)計(jì)方法，列車內(nèi)部設(shè)備的被動(dòng)平安性等方面進(jìn)行了深入的研究與試驗(yàn)驗(yàn)證18。2001 年完成的 SAFETRAIN工程，通過以往對(duì)歐洲列車結(jié)構(gòu)的碰撞特性的分析，確定各節(jié)車輛端部防碰撞性設(shè)計(jì)的力學(xué)參數(shù)?；诹W(xué)參數(shù)建立了滿足碰撞特征的一維動(dòng)力學(xué)模型，運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，確定了列車前端高能端與中間局部低能端吸能結(jié)構(gòu)的理論特性曲線。通過計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，對(duì)頭車

8、端部結(jié)構(gòu)及中間車吸能結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模擬，確定了列車吸能結(jié)構(gòu)的最終設(shè)計(jì)方案。另外還采用二維模型研究了在碰撞時(shí)列車防爬裝置出現(xiàn)的垂直角運(yùn)動(dòng)和載荷。為驗(yàn)證研究結(jié)果的可靠性19。2001 年 7 月開始的 SAFETRAM 工程針對(duì)地鐵車輛及有軌電車進(jìn)行的耐撞性進(jìn)行研究，通過車體之間添加抗碰撞的吸能結(jié)構(gòu)，來減小沖擊力并延長(zhǎng)沖擊持續(xù)時(shí)間，以減輕碰撞對(duì)乘客和列車車體造成的傷害。為了獲得不同情形下的列車碰撞性能以及吸能結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的壓潰特性，采用了多體動(dòng)力學(xué)的方法對(duì)列車的防撞性進(jìn)行模擬仿真。依據(jù)研究的結(jié)果，對(duì)鋁合金和鋼結(jié)構(gòu)司機(jī)室模塊進(jìn)行了耐撞性設(shè)計(jì)。為了驗(yàn)證仿真計(jì)算結(jié)果，2003 年在波蘭的日米格魯?shù)耑mig

9、rod試驗(yàn)中心對(duì)軌道列車吸能模塊進(jìn)行了實(shí)物碰撞實(shí)驗(yàn)。Safetram 工程審查了各種車內(nèi)布局，并將在其最終報(bào)告中提出一套平安改良建議，這些改良將通過建立動(dòng)力學(xué)模型和滑行試驗(yàn)來評(píng)估規(guī)定碰撞情景下出現(xiàn)的損傷 20。2.2、國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)對(duì)列車耐撞性的研究起步比擬晚。20 世紀(jì) 90 年代，國(guó)內(nèi)還只有一些對(duì)西方國(guó)家列車被動(dòng)平安技術(shù)的介紹文獻(xiàn)。進(jìn)入 21 世紀(jì)，隨著國(guó)內(nèi)鐵路交通建設(shè)迎來跨越式開展，軌道客車研究院所與相關(guān)院校相繼開展了列車碰撞平安技術(shù)的研究。目前，國(guó)內(nèi)列車被動(dòng)平安技術(shù)的研究根本使用計(jì)算機(jī)仿真的方式，研究成果尚需實(shí)車碰撞試驗(yàn)的驗(yàn)證。2001 年，中南大學(xué)的田紅旗教授提出了列車車體耐撞結(jié)構(gòu)

10、的新設(shè)計(jì)方法，將結(jié)構(gòu)按前、中、后三種不同縱向剛度設(shè)置，前后兩局部為剛度較弱的壓潰吸能結(jié)構(gòu)，中間局部具有較強(qiáng)的剛度，以確保乘客區(qū)域必要的生存空間21。隨后的幾年里，中南大學(xué)列車平安實(shí)驗(yàn)室的田紅旗，高廣軍，姚松等人，陸續(xù)發(fā)表了在列車吸能元件的數(shù)值仿真，耐撞性車體的設(shè)計(jì)與仿真以及整列輕軌列車的等效簡(jiǎn)化模型的吸能部件碰撞仿真分析等方面的研究成果22-23。2001 年，大連鐵道學(xué)院現(xiàn)在的大連交通大學(xué)謝素明教授應(yīng)用著名的非線性有限元軟件 LS-DYNA，對(duì) CRH3 型高速列車的車體進(jìn)行了碰撞模擬，并提出了具體的改良措施24。2007 年，謝素明，陳秉智等人通過將 ANSYS /LS -DYNA和多學(xué)科

11、優(yōu)化軟件 ISIGHT 結(jié)合起來方法，實(shí)現(xiàn)了車輛吸能部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)25。2001 年，同濟(jì)大學(xué)的李健、沈剛對(duì)對(duì)某國(guó)外鐵路車輛防碰撞裝置進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)計(jì)算，研究耐撞性車輛設(shè)計(jì)方法和吸能裝置的力學(xué)特性，利用ADAMS軟件，進(jìn)行了碰撞動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià)26。中國(guó)鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所利用PAM-CRASH進(jìn)行列車碰撞仿真研究。劉金朝、王成國(guó)等對(duì)薄壁金屬圓管的軸向壓潰以及列車鋁合金材料進(jìn)行了耐撞性數(shù)值模擬還對(duì)我國(guó)25B型鐵路客車和局部城市軌道列車開展過碰撞大變形數(shù)值仿真以及乘員二次碰撞研究；與天津?yàn)I海快速交通開展合作，對(duì)天津城市軌道車輛的頭車多級(jí)吸能裝置及其布置進(jìn)行仿真研究

12、，取得了一定的研究成果27-31。2003 年，同濟(jì)大學(xué)的趙洪倫教授與王文斌博士采用最新的耐撞性設(shè)計(jì)思路對(duì)軌道車輛進(jìn)行了車體端部吸能結(jié)構(gòu)的改良設(shè)計(jì)以及碰撞模擬仿真，驗(yàn)證了通過車鉤、防爬器和車端壓潰管三級(jí)吸能裝置進(jìn)行車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效性32。2005年，進(jìn)一步對(duì)軌道車輛乘員二次碰撞傷害進(jìn)行了研究，顯示同向布置、適宜的座椅間距以及較小的沖擊加速度，能減小碰撞對(duì)列車乘員造成的傷害33。2021年，王文斌博士提出了基于有限元和多體動(dòng)力學(xué)技術(shù)進(jìn)行列車耐碰撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)的聯(lián)合仿真策略。通過非線性有限元分析獲得車輛吸能部件在碰撞時(shí)的力與位移關(guān)系曲線，以該曲線模擬車輛連掛之間的非線性彈簧特性，運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)技術(shù)進(jìn)

13、行了兩列車的碰撞動(dòng)力學(xué)仿真，實(shí)現(xiàn)對(duì)新設(shè)計(jì)列車碰撞被動(dòng)平安系統(tǒng)總體性能的評(píng)估34。2021 年，中南大學(xué)的謝卓君，基于列車車鉤及前端壓潰區(qū)域的研究，建立了列車多體碰撞的模型，模擬了列車碰撞過程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)35。 2004 年，鐵道科學(xué)研究院的劉金朝、王成國(guó)研究員通過 PAM-CRASH 軟件開展了鐵道客車大變形碰撞仿真研究，提出了列車車輛設(shè)計(jì)的改良意見36。在此根底上，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的房加志博士對(duì)牽引梁的吸能特性運(yùn)用響應(yīng)面的方法進(jìn)行了優(yōu)化，對(duì)提高列車被動(dòng)平安性具有重要的意義37-38。西南交通大學(xué)的肖守訥教授等人對(duì)地鐵列車和高速動(dòng)車組碰撞及其壓潰裝置進(jìn)行了仿真研究，在吸能裝置的優(yōu)化及乘客二次碰撞平安

14、性上取得了大量的成果39-40。3、結(jié)論軌道交通是國(guó)家綜合運(yùn)輸體系中不可或缺的運(yùn)輸形式之一，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的開展起著十分重要的作用。隨著軌道交通技術(shù)的開展以及人們平安意識(shí)的提高，軌道交通的平安性以及高速列車的耐碰撞性越來越受到社會(huì)的關(guān)注和重視。因此，在積極主動(dòng)地采取合理手段盡最大可能防止列車碰撞事故的同時(shí)，研究在碰撞事故發(fā)生時(shí)列車自身結(jié)構(gòu)特性及司乘人員的平安性，開發(fā)一種在碰撞事故發(fā)生時(shí)車體結(jié)構(gòu)耐碰撞且可以給司乘人員提供保護(hù)的鐵路車體結(jié)構(gòu)也顯得尤為重要。參考文獻(xiàn)1張志新,高速列車耐撞性結(jié)構(gòu)及平安性研究D,成都:西南交通大學(xué),20212 Alexander Scholes(英).歐洲鐵路碰撞技術(shù)的開發(fā)

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