车辆侧面碰撞时车体变形评价

文章编号：1002-7610（2007）01-0029-05 车 辆 侧 面 碰 撞 时 车 体 变 形 评 价 舟津 浩二，等（日） 摘 要：介绍了评价中间车端部结构防侧面碰撞性的方法。通过对电动车组轻量化不锈钢车体结构及接 合部位实型体的冲击试验，评价了端部结构的变形和防撞性，并采用有限元 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 进行验证。结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，这些方 法是有效的。 关键词：铁道车辆；侧面碰撞；冲击试验；数值计算 中图分类号：U270. 1 + 2 文献标识码：B Evaluation of the Deformation of Carbody Structure against Side Collision 舟津 浩二，et al.（Japan） Abstract：The methods to evaluate the crashworthiness of the end structure of intermediate vehicles against side collision is described. We tested a lightweight stainless steel carbody structure of EMU and partial real size body structures to evaluate the deformation and crashworthiness of the end structure，and applied FE analysis to verify the crash tests. As a result，it was confirmed that these methods were effective for the evaluationof the crashworthiness of intermediate end structure against side collision. Key word word文档格式规范word作业纸小票打印word模板word简历模板免费word简历 s：rolling stock；side collision；impact test；numerical calculation 1 概述 防止铁道车辆的碰撞事故发生是非常重要的，一 旦发生了列车碰撞事故，必须要有将伤害（损失）抑制 在最低限度的措施。为研究其措施，评价车辆的冲击 破坏程度成为重要的工作。车辆的侧面碰撞事故件数 虽然极少，但是，像 2000 年 3 月发生的营团地铁日比 谷线中目黑站内的列车脱轨、碰撞事故，对乘客造成了 重大伤害。 侧面碰撞事故的典型实例见图 1。如图 1 所示的 情况下，由于冲击力集中作用在限定的部位，即使在较 低速度下的碰撞，车体也会遭受损坏，由于已破损的结 构构件陷入车内，有可能引起乘客伤亡。在编组列车 中，由于中部车辆之间的碰撞，车辆破损引起乘客伤亡 的趋势显著，特别是车辆碰撞后，一侧车辆的底架爬上 另一侧车辆车体时，乘客蒙受的伤害程度会增大。根 据以上分析，针对中间车端部的角部底架构架、侧墙及 端墙所组成的接合部，评价车辆在侧面碰撞时的冲击 破坏程度，研究提高其安全性对策。 以近年来正在增加的轻量化不锈钢车体结构为对 象，试制了上述接合部的实物大小的部分车体结构，假 定上下偏置的侧面碰撞，实施了冲击试验。同时，建立 部分车体结构的详细数值分析模型，在冲击试验及与 实车相当的碰撞条件下，运用有限元法进行数值计算， 收稿日期：2005-11-16 比较并验证了上述两种结果。利用该方法，评价侧面 碰撞时的车体变形程度，研究了关于提高碰撞安全性 的努力方向。 图 1 车辆侧面碰撞概况 2 冲击试验 2. 1 试件 作为冲击试验用试件，以 20 世纪 80 年代以后大 批量化生产的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 型轻量化不锈钢车辆的车体结构为 对象，模拟了中间车端角部的角柱与底架的装配部分， 制作了实物车辆的部分车体结构，试件外形见图 2。 试件的大小为，车体纵向（轨向）长 300 mm、横向（枕 木方向）长 290 mm、高 465 mm，质量约 16 kg。 2. 2 冲击试验方法 2. 2. 1 试验方法 部分车体结构的冲击试验方法见图 3（ a）。在模 拟配对车辆的底架上，假定边长 100 mm 的立方体形 状的刚体座，使试件上、下方向偏置，进而碰撞到刚体 座上，测定其冲击特性。 92 车辆侧面碰撞时车体变形评价 舟津 浩二，等（日） 图 2 试件外形 图 3（D）表示冲击试验装置的概况，在质量 120 kg 的碰撞转向架的前面安装试件，将 8 个橡胶弹簧拉伸 到 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 的长度（借助油压），利用橡胶弹簧的拉伸力， 使碰撞转向架朝固定的刚体墙壁推出，在刚体墙壁前 面安装了刚体座，于是，试件朝刚体座碰撞。试件通过 安装用配件，用螺栓将侧梁加强筋及端梁下垫板的 2 个部位安装到碰撞转向架上。测定压缩载荷时，采用 4 个 25 t的压电型测力传感器（载荷检测器，响应频率 为 40 k~z）。传感器安装在刚体壁与刚体座之间。采 用激光传感器（光纤传感器）检测安装在碰撞转向架 侧面的宽 1 mm 的黑白相间条形码，根据传感器读取 条形码得到的脉冲时间间隔来求出冲击速度。此外， 根据一定时间内的脉冲数，求出至该时间的变形量 （碰撞转向架移动距离即压缩距离）。 图 3 试验方法概况 2. 2. 2 试验条件 试件与刚体座的横向偏置量（接触量）设定为 90 mm。 上、下偏置的设定方法见图 4。将试件底架下边 与刚体座下边的高低差作为偏置量，设定了刚体座爬 上试件底架上、不爬上试件底架，以及只相互碰撞的 3 种试验条件（表 1）。 碰撞转向架的推出速度要达到 6. 9 m / S（ 25 km / 1），设定了冲击试验装置的橡胶弹簧的拉伸力。 图 4 上、下偏置的设定简略图 表 1 上、下偏置的设定 情形 偏置量 / mm 试验条件 1 150 2 165 刚体座爬上试件底架 3 115 试件底架与刚体座的碰撞 2. 3 冲击试验结果 冲击试验后的试件外形见图 5，图 6 表示压缩载 荷、吸收能量与变形量的关系。碰撞时的速度约为 6. 7 m / S（24 km / 1）。 偏置量为 150 mm及 165 mm的试验中，底架几乎 没有变形，端墙外板及角柱因剪切而断裂，侧墙外板变 形，刚体座爬到了试件底架上。 刚体座与试件底架碰撞的偏置量为 115 mm 的试 验中，端墙外板、 侧墙外板、长基 座及角柱未产生 大的变形，试件 内侧的角柱支承 件陷入侧梁加强 筋中，端墙面的 底架上边发生变 形。 在偏置量为 115 mm的试验中，最大压缩载荷约为 280 kN，成为 3 个试验条件中的最大值。偏置量为 150 mm 及 165 mm的试验中，由于端墙外板及角柱的断裂，最大压缩 载荷较低，约为 120 kN，约为偏置量 115 mm试验结果 的 40%左右。断裂后的压缩载荷急剧降低，在 30 kN ~ 50 kN左右大体上稳定了。 03 国外铁道车辆 第 44 卷第 1 期 2007 年 1 月 图 5 试件冲击试验后的外形 图 6 经冲击试验后的压缩载荷、吸收能量与变形量的关系 如比较变形量达到 20 mm 的吸收能量，偏置量为 115 mm的试验中约为 4. 2 kJ，成为 3 个试验条件中的 最大值；偏置量为 150 mm 的试验中，吸收能量约 1. 0 kJ，为 115 mm偏置量试验的 24%左右；偏置量为 165 mm的试验中，吸收能量约为 1. 5 kJ，为 115 mm 偏置 量试验的 36%。 3 FEM分析 为了验证部分车体结构的冲击试验结果，确认与 实车的侧面碰撞时的情况的对应关系，进行了 FEM分 析。 3. 1 与试件等效的计算模型 以部分车体结构的试件为基础，制作了如图 7 所 示的数值模型。以单元间距 5 mm 为基准，主要采用 了壳单元进行有限元分割。数值模型的概况列于表 2。计算中，采用了有限元分析程序 PAMCRASH，采用 的各种材料特性见表 3。 图 7 FEM分析的试件模型 表 2 数值计算的概要 单元数 /个 约 29 000 节点数 /个 约 30 000 数值计算质量 / kg 15. 5 表 3 材料特性 材料 初始弹性系数 /（ X 1011 Pa） 塑性 变形 拉伸强度 /（ X 108 Pa） 断裂 变形 SUS301L-LT 1. 78 0. 001 6. 72 0. 45 SUS301L-ST 1. 78 0. 001 9. 24 0. 35 SUS301L-HT 1. 78 0. 001 11. 4 0. 2 SUS301L-DLT 1. 78 0. 001 8. 56 0. 40 SUS304 1. 78 0. 0013 6. 50 — SPA 2. 06 0. 002 5. 60 — 点焊的强度，根据焊点压接的圆形部分的面积与 母材的拉伸强度及剪切强度的乘积，推荐出最大拉伸 力及最大剪切力，采用如超过该值则断裂的一元要素， 进行模型化。 关于塞焊及角焊接部的材料特性，设定初始弹性 系数与母材部相同，使断裂强度比母材强度高。 3. 2 与冲击试验等效的计算 3. 2. 1 计算条件 图 8 给出了与冲击试验等效的计算条件。在与碰 撞转向架等效的刚体壁面上，和试件等效的计算模型 的侧梁及侧梁加强件的各部端面与刚体壁面刚性固结 在一起，给予初速度，向模拟刚体座的 100 mm 方形反 作用力侧墙壁面移动。 与碰撞转向架等效的墙壁面上，定义和试验装置 同等的质量，约束了走行方向以外的平移运动及旋转 运动的自由度。此外，在反作用力侧 100 mm 方形的 墙壁面处，与试件等效的计算模型设定为碰撞时不变 形，只是移动物体，给予了相当大的刚度与质量。 13 车辆侧面碰撞时车体变形评价 舟津 浩二，等（日） 图 8 冲击试验的 FEM计算条件 试件模型与刚体座等效壁面的上、下偏置量，与冲 击试验相同，设定为 150 mm、165 mm 及 115 mm 的 3 种条件，横向的偏置量为 90 mm，碰撞速度为 6. 6 m / S （约为 24 km / 1）。 3. 2. 2 计算结果 根据 FEM计算结果得到的试件模型的最终变形 形状见图 9；压缩载荷与变形量的关系见图 10。最终 变形形状、压缩载荷的变化，显示了与冲击试验结果基 本相同的趋势。图 10 中，偏置量为 150 mm及 165 mm 的压缩载荷峰值的形状与冲击试验结果不同，但可以 认为是由于各构件的接合强度、材料特性等设定条件 产生的误差。 图 9 FEM计算结果的变形状况（与冲击试验等效） 图 10 与冲击试验等效的 FEM计算结果 3. 3 与实车等效的计算 冲击试验的结果对于调查研究局部的车体结构的 冲击断裂现象是有效的，但是受碰撞车体的假定部位 小，碰撞能也小。因此，必须确认与实车碰撞事故的冲 击断裂程度的对应关系，假定碰撞能大的实车的侧面 碰撞，进行了部分车体结构的 FEM计算。 3. 3. 1 计算条件 图 11 为与实车等效的 FEM 计算条件。图 11 的 右侧相当于冲击试验的试件，将质量 10 I 附加在试件 后方，加大了碰撞能。为了仿真平移运动、旋转等车体 的刚体运动，设定钢轨方向、横向、高度方向的各轴回 转惯性矩为 1. 0 > 105 kg·m，对试件模型不加约束条 件，使一侧的试件模型与另一侧的试件模型发生碰撞。 上、下偏置量与冲击试验相同，为 150 mm、165 mm及 115 mm，横向的偏置量为 90 mm，碰撞速度取 6. 6 m / S。 图 11 与实车等效的 FEM计算条件 3. 3. 2 计算结果 FEM计算后得到的试件模型的变形状况见图 12； 图 13 表示压缩载荷与变形量的关系。与冲击试验的 试件等效的下侧车体的变形状况及最大压缩载荷的变 化，3 种试验条件都可见到与冲击试验等效的计算结 23 国外铁道车辆 第 44 卷第 1 期 2007 年 1 月 果的对应关系。 如图 12 所示，包括 3 个条件在内，端墙及侧墙的 破损程度都比与冲击试验等效的计算结果扩大了。爬 上的车体端墙面下部也破损了。 偏置量为 150 mm时，随着时间的延续，爬上量增 加，与偏置量 165 mm 时的变形状况大体上一致。偏 置量为 150 mm时，底架上边产生了变形。 此外，偏置量 115 mm的底架之间碰撞时，确认了 底架有大的变形，以上部为中心发生了破损。 图 12 FEM计算后的变形状况（等效于实车） 图 13 与实车等效的 FEM计算结果 4 考察 部分车体结构的冲击试验结果及与之等效的计算 结果，整体上显示了基本相同的趋势。而且，与冲击试 验等效的计算结果，以及利用同样试件模型的与实车 等效的计算结果，可见到在各种试验条件下的对应关 系。由于碰撞能量的增大导致与冲击试验等效的计算 结果即破损状况出现了扩展趋势。根据上述分析可认 为，利用部分车体结构的冲击试验结果与 FEM计算结 果进行侧面碰撞时的冲击破坏程度评价是有效的。根 据这些研究结果，得出本次试验的轻量化不锈钢车体 结构的冲击破坏程度。 （1）冲击导致外板焊接部断裂的可能性小； （2）底架产生爬上车体情形，对于端墙外板及角 柱施加大的冲击剪切力，端墙外板及角柱断裂。碰撞 能量加大了，这种破损状况扩大，侧墙外板也断裂； （3）如果底架之间碰撞，则底架上部有大的破损， 按照碰撞条件，双方的车体有陷入的可能性。 车辆侧面碰撞，冲击力集中作用在限定的部位，车 体损坏，破损的结构构件有可能陷入车内。此外，双方 车辆碰撞后，一侧保持某一速度，一侧反方向运行，将 发生碰撞能量较大的事故。根据这些分析，作为针对 侧面碰撞事故，提高安全性的对策，在车体发生破损， 以至于破损的构件出现陷入车内那样的状 况前，理想的办法是双方的车辆能采用偏 离、回避的措施。 如考虑本次研究结果，必须按以下思 路研究车体结构上的安全对策。 （1）底架不发生爬上车体情况； （2）底架不破损、构件不陷入。 第（1）条的防止爬上车体对策的研究 中，与之对应的端墙及侧墙的结构成为重 要的问题。另外，也与第（2）条的防止破 损的构件陷入车体的对策有关，但是，关于 防止爬上车体的对策，值得注意的是，必须重新评价底 架的结构。 5 结论 本研究针对轻量化不锈钢中间车车端之间侧面碰 撞事故，进行了实物车辆接合部车体结构的冲击试验。 同时，建立了部分车体结构的详细数值计算模型，进行 了冲击试验及与实车等效的 FEM 计算，通过比较、验 证这些试验与计算结果，评价了侧面碰撞时的车体变 形程度，根据其结果可以得出以下几条结论： （1）侧面碰撞时，如果发生车体底架爬上车体时， 由于外板及角柱的断裂导致爬上的车体情况发展下 去，车体的破损程度扩大。 （2）底架之间碰撞时，由于底架之间的破损与构 件的陷入，有可能导致车体破损的发展、扩大。 （3）根据以上分析，研究提高侧面碰撞时的安全 性对策时，防止车体的爬上及底架的陷入是一个需要 解决的课题，与之对应的端墙及侧墙的结构成为关注 的焦点。 参考文献： ［1］ 国土交通省事故調查"討会. 帝都高速度交通#$日比谷綦中 目%馬尺構内，列車脱綦 突事故に&すゐ調查報告書，2000. 刘阳春 译自《!道 研報告》2005，N4，11 ~ 16 王凤洲 校 33 车辆侧面碰撞时车体变形评价 舟津 浩二，等（日） 车辆侧面碰撞时车体变形评价 作者： 舟津 浩二， 刘阳春 作者单位： 刊名： 国外铁道车辆 英文刊名： FOREIGN ROLLING STOCK 年，卷(期)： 2007,44(1) 被引用次数： 2次 参考文献(1条) 1.帝都高速度交通営団日比谷(線)中目黒(馬尺)構内,列車脱(線)衝突事故に関すゐ調查報告書 2000 引证文献(2条) 1.柳占宇 HXN3型大功率交流传动内燃机车车体[期刊论文]-内燃机车 2009(10) 2.丛茂野 DF10DDA型调车机车的车体设计[期刊论文]-铁道机车车辆 2008(z1) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_gwtdcl200701007.aspx