列車碰撞研究綜述

1、列車碰撞研究綜述124212044 交通運輸工程運輸方向 田智1、緒論我國地域廣闊，人口眾多，鐵路運輸以其運載量大、運行速度較高、運輸本錢較低的特點承當著國家的主要客、貨運輸任務。我國現(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)實現(xiàn)了五次大提速二干線旅客列一車時速己到達 160km/h，隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)高速開展，鐵路運輸也必將快速開展。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，列車的平安防御系統(tǒng)也開展到了一個前所未有的高度，發(fā)生列車碰撞事故的概率也越來越小。然而，鐵路系統(tǒng)是極其復雜的，需要多方面的協(xié)調(diào)合作才能保證其正常運轉(zhuǎn)，技術缺陷、設備故障、網(wǎng)絡故障、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，不但會給人民群眾帶來生命和財產(chǎn)的巨大損失，而且會打擊人們對鐵路平安性的信心從而為鐵路建設蒙上陰影。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，僅2021年1月2021年3月的兩年多時間里，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、中國等開展中國家，還是日木、德國、阿根廷等興旺國家都未能幸免，其中不乏重特大碰撞事故1。因此，在積極主動地采取合理手段盡最大可能防止列車碰撞事故的同時，研究在碰撞事故發(fā)生時列車自身結(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)生時車體結(jié)構(gòu)耐碰撞且可以給司乘人員提供保護的鐵路車體結(jié)構(gòu)也顯得尤為重要。2、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2.1、國外研究現(xiàn)狀國際上，為了減少汽車碰撞事故造成的生命和財產(chǎn)損失，被動平安技術最早應用于汽車行業(yè)，20世紀60年代才被引入到軌道交通領域。不過，對機車車輛碰撞的真正深入研究始于20世紀80年代中后期2，從此，英、法、德、美等興旺國家相繼對列車碰撞進行了大規(guī)模、長時間的研究。英國在 19 世紀 80 年代就開展了列車車體耐撞性研究。英國鐵路管理委員會3提出了車輛端部吸能結(jié)構(gòu)的碰撞評價標準。英國鐵路公司(British Rail)曾開發(fā)出耐撞性司機室結(jié)構(gòu)3-4。歐洲鐵路研究組織于1983年成立一個技術委

4、員會，對司機室的動態(tài)載荷進行研究，對一臺英國鐵路機車進行耐撞性改良，通過計算機模擬和試驗相結(jié)合，取得了耐撞性設計相關參數(shù)和合理結(jié)構(gòu)形式3-4。法國的鐵路研究機構(gòu)使用非線性有限元軟件Pam-crash對車輛碰撞進行模擬，參考車輛耐碰撞性結(jié)構(gòu)設計理念，將非動力車兩端結(jié)構(gòu)設計為弱剛度的可大變形的吸能區(qū)，并采用高性能計算機對某TGV列車車輛結(jié)構(gòu)進行了耐撞性優(yōu)化。1993年，法國的阿爾斯通鐵路集團把列車耐碰撞性設計思想應用于“歐洲某夜間列車5工程,提供了高于英國鐵道組織標準要求的列車，法國國有鐵路對被動平安性曾進行過大量研究工作，探究了被動碰撞平安性設計的基木原理，詳細研究了列車發(fā)生碰撞時的物理現(xiàn)象。德

5、國漢諾威大學與西門子公司合作對城市輕軌車輛結(jié)構(gòu)的耐碰撞性能進行過研究。龐巴迪公司運輸部下屬德國機車車輛制造企業(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，并在列車控制臺上添加軟墊，以到達在碰撞發(fā)生時保護駕駛員的目的。為了滿足北美國家對乘客、司機進行被動平安性保護的強制要求，位于美國Missouri的西門子科研中心對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。西門子交通技術集團已成功研發(fā)了多種鐵道車輛的被動平安技術解決方案，并對碰撞能量吸收區(qū)與車體結(jié)構(gòu)分別制造進行集成，采用易于更換的能量吸收模塊化設計等不同方案進行論述6-9德國已在城市輕軌車

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。20世紀90年代，美國聯(lián)邦鐵路局(FRA)進行了大量列車碰撞研究10-14，早在1997年美國就建立了有關列車碰撞的平安標準，從1999年開始，在科羅拉多的美國交通運輸技術中心開展了屢次整車碰撞試驗，重點研究了單節(jié)車輛與剛性墻、機車與機車、機車與車輛、車輛與車輛、列車對列車的碰撞，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乘客與車內(nèi)設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、列車碰撞三維動力學模型，將模擬結(jié)果與 2006 年 3 月進行的兩列車碰撞試驗進行比照，兩者根本一致17。1991 到 2004 年，歐盟和國際鐵路聯(lián)盟發(fā)起了 TRAINCOL、SAFETRAIN、SAFETRAM 等工程，對鐵路列車和有軌電車的耐撞性設計方法，列車內(nèi)部設備的被動平安性等方面進行了深入的研究與試驗驗證18。2001 年完成的 SAFETRAIN工程，通過以往對歐洲列車結(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計的力學參數(shù)?；诹W參數(shù)建立了滿足碰撞特征的一維動力學模型，運用優(yōu)化設計方法，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。通過計算機仿真技術，對頭車

8、端部結(jié)構(gòu)及中間車吸能結(jié)構(gòu)進行有限元模擬，確定了列車吸能結(jié)構(gòu)的最終設計方案。另外還采用二維模型研究了在碰撞時列車防爬裝置出現(xiàn)的垂直角運動和載荷。為驗證研究結(jié)果的可靠性19。2001 年 7 月開始的 SAFETRAM 工程針對地鐵車輛及有軌電車進行的耐撞性進行研究，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沖擊持續(xù)時間，以減輕碰撞對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，采用了多體動力學的方法對列車的防撞性進行模擬仿真。依據(jù)研究的結(jié)果，對鋁合金和鋼結(jié)構(gòu)司機室模塊進行了耐撞性設計。為了驗證仿真計算結(jié)果，2003 年在波蘭的日米格魯?shù)耑mig

9、rod試驗中心對軌道列車吸能模塊進行了實物碰撞實驗。Safetram 工程審查了各種車內(nèi)布局，并將在其最終報告中提出一套平安改良建議，這些改良將通過建立動力學模型和滑行試驗來評估規(guī)定碰撞情景下出現(xiàn)的損傷 20。2.2、國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)對列車耐撞性的研究起步比擬晚。20 世紀 90 年代，國內(nèi)還只有一些對西方國家列車被動平安技術的介紹文獻。進入 21 世紀，隨著國內(nèi)鐵路交通建設迎來跨越式開展，軌道客車研究院所與相關院校相繼開展了列車碰撞平安技術的研究。目前，國內(nèi)列車被動平安技術的研究根本使用計算機仿真的方式，研究成果尚需實車碰撞試驗的驗證。2001 年，中南大學的田紅旗教授提出了列車車體耐撞結(jié)構(gòu)

10、的新設計方法，將結(jié)構(gòu)按前、中、后三種不同縱向剛度設置，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，中南大學列車平安實驗室的田紅旗，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，耐撞性車體的設計與仿真以及整列輕軌列車的等效簡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，大連鐵道學院現(xiàn)在的大連交通大學謝素明教授應用著名的非線性有限元軟件 LS-DYNA，對 CRH3 型高速列車的車體進行了碰撞模擬，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和多學科

11、優(yōu)化軟件 ISIGHT 結(jié)合起來方法，實現(xiàn)了車輛吸能部件的優(yōu)化設計25。2001 年，同濟大學的李健、沈剛對對某國外鐵路車輛防碰撞裝置進行了動力學計算，研究耐撞性車輛設計方法和吸能裝置的力學特性，利用ADAMS軟件，進行了碰撞動力學仿真計算，對計算結(jié)果進行了分析與評價26。中國鐵道科學研究院機車車輛研究所利用PAM-CRASH進行列車碰撞仿真研究。劉金朝、王成國等對薄壁金屬圓管的軸向壓潰以及列車鋁合金材料進行了耐撞性數(shù)值模擬還對我國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；與天津濱海快速交通開展合作，對天津城市軌道車輛的頭車多級吸能裝置及其布置進行仿真研究

12、，取得了一定的研究成果27-31。2003 年，同濟大學的趙洪倫教授與王文斌博士采用最新的耐撞性設計思路對軌道車輛進行了車體端部吸能結(jié)構(gòu)的改良設計以及碰撞模擬仿真，驗證了通過車鉤、防爬器和車端壓潰管三級吸能裝置進行車體結(jié)構(gòu)設計的有效性32。2005年，進一步對軌道車輛乘員二次碰撞傷害進行了研究，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力學技術進行列車耐碰撞系統(tǒng)設計的聯(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的力與位移關系曲線，以該曲線模擬車輛連掛之間的非線性彈簧特性，運用多體動力學技術進

13、行了兩列車的碰撞動力學仿真，實現(xiàn)對新設計列車碰撞被動平安系統(tǒng)總體性能的評估34。2021 年，中南大學的謝卓君，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態(tài)響應35。 2004 年，鐵道科學研究院的劉金朝、王成國研究員通過 PAM-CRASH 軟件開展了鐵道客車大變形碰撞仿真研究，提出了列車車輛設計的改良意見36。在此根底上，中國農(nóng)業(yè)大學的房加志博士對牽引梁的吸能特性運用響應面的方法進行了優(yōu)化，對提高列車被動平安性具有重要的意義37-38。西南交通大學的肖守訥教授等人對地鐵列車和高速動車組碰撞及其壓潰裝置進行了仿真研究，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)論軌道交通是國家綜合運輸體系中不可或缺的運輸形式之一，對社會經(jīng)濟的開展起著十分重要的作用。隨著軌道交通技術的開展以及人們平安意識的提高，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的關注和重視。因此，在積極主動地采取合理手段盡最大可能防止列車碰撞事故的同時，研究在碰撞事故發(fā)生時列車自身結(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)生時車體結(jié)構(gòu)耐碰撞且可以給司乘人員提供保護的鐵路車體結(jié)構(gòu)也顯得尤為重要。參考文獻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,20212 Alexander Scholes(英).歐洲鐵路碰撞技術的開發(fā)

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