列車碰撞研究綜述

5/7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)輸成本較低的特點(diǎn)承擔(dān)著國家的主要客、貨運(yùn)輸任務(wù)。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(shí)現(xiàn)了五次大提速二干線旅客列一車時(shí)速己達(dá)到160km/h，隨著國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展，鐵路運(yùn)輸也必將快速發(fā)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)，列車的安全防御系統(tǒng)也發(fā)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)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)鐵路安全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2010年1月2012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、中國等發(fā)展中國家，還是日木、德國、阿根廷等發(fā)達(dá)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(dòng)地采取合理手段盡最大可能避免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)特性及司乘人員的安全性，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。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(cái)產(chǎn)損失，被動(dòng)安全技術(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、美等發(fā)達(dá)國家相繼對(duì)列車碰撞進(jìn)行了大規(guī)模、長(zhǎng)時(shí)間的研究。英國在19世紀(jì)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(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)。英國鐵路公司(BritishRail)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)英國鐵路機(jī)車進(jìn)行耐撞性改進(jìn)，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]”項(xiàng)目,提供了高于英國鐵道組織標(biāo)準(zhǔn)要求的列車，法國國有鐵路對(duì)被動(dòng)安全性曾進(jìn)行過大量研究工作，探究了被動(dòng)碰撞安全性設(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。德國漢諾威大學(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安全氣囊裝置，并在列車控制臺(tái)上添加軟墊，以達(dá)到在碰撞發(fā)生時(shí)保護(hù)駕駛員的目的。為了滿足北美國家對(duì)乘客、司機(jī)進(jìn)行被動(dòng)安全性保護(hù)的強(qiáng)制要求，位于美國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)安全技術(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]德國已在城市輕軌車輛、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年美國就建立了有關(guān)列車碰撞的安全規(guī)范，從1999年開始，在科羅拉多的美國交通運(yùn)輸技術(shù)中心開展了多次整車碰撞試驗(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，他們對(duì)比分析了無安全帶和有安全帶時(shí)乘客與車內(nèi)設(shè)備二次碰撞損傷情況，研究表明有腰部和肩部安全帶束縛的情況下，乘客的安全系數(shù)會(huì)明顯提高，所以他們建議在列車座椅上加裝安全帶[15-16]。J.M.Karina通過Adams軟件建立了列車碰撞三維動(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)行對(duì)比，兩者基本一致[17]。1991到2004年，歐盟和國際鐵路聯(lián)盟發(fā)起了TRAINCOL、SAFETRAIN、SAFETRAM等項(xiàng)目，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)安全性等方面進(jìn)行了深入的研究與試驗(yàn)驗(yàn)證[18]。2001年完成的SAFETRAIN項(xiàng)目，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部[18]MarkusHecht.有軌電車和輕軌車輛的防碰撞性[J].國外鐵道車輛,2005,42(5):39-41[19]JohnRoberts.SAFEINTERIORS:TrainInteriorPassiveSafetyForEurope,November,2006[20HechtMarkus.TheCrashworthinessofTramcarandLRV[J].國外鐵道車輛,2005(5):39-41[21]田紅旗.客運(yùn)列車耐沖擊吸能車體設(shè)計(jì)方法[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2001,1(1):110-114[22]高廣軍,田紅旗,姚松.耐沖擊吸能車體[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2003,3(3):50-53[23]高廣軍,田紅旗,姚松,許平.列車多體耦合撞擊分析[J].中國鐵道科學(xué),2005,26(4):93-97[24]謝素明,兆文忠,閆雪冬.高速車輛大變形碰撞仿真基本原理及應(yīng)用研究[J].鐵道車輛,2001,39(8):1-4[25]謝素明,王慶艷,陳秉智,兆文忠.客車車體碰撞吸能結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究[J].現(xiàn)代制造工程．2007（5）:113-115[26]李健,沈鋼.列車防碰撞裝置及動(dòng)力學(xué)仿真[J].鐵道車輛,2001,39(1)[27]劉金朝,房加志,王成國.薄壁圓柱在軸向沖擊力作用下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)[J].中國鐵道科學(xué),2004(4):18-23[28]劉金朝,房加志,王成國.高速列車用鋁合金材料的耐撞性性數(shù)值分析[J].鐵道機(jī)車午-輛.2004增刊(20):40-43[29]劉金朝,房加志,干.成國3.鐵道客車火變形碰撞仿真研究[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2004,9(4):76-78[30]劉金朝,干.成國.城市高速列車防碰撞性研究[J].現(xiàn)代城市軌道交通.2005(2):36-40[31]李蘭,劉金朝,王成國,范忠勝.城軌車輛耐碰撞結(jié)構(gòu)的數(shù)字設(shè)計(jì)研究[J].鐵道機(jī)車車輛,2008(02):28-32[32]王文斌,趙洪倫.高速客車輕量化車體耐碰撞結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版.2004,32(11):1499-1503[33]王文斌,趙洪倫,劉學(xué)軍.軌道車輛乘員二次碰撞傷害的研究[J].城市軌道交通研究,2007(09):23-27[34]王文斌,康康,趙洪倫.列車耐碰撞系統(tǒng)有限元和多體動(dòng)力學(xué)聯(lián)合仿真[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),2011,39(10):1552-1556[35]謝卓君.地鐵列車多體碰撞的動(dòng)態(tài)仿真方法及應(yīng)用[M].碩士學(xué)位論文,長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2011[36]劉金朝,房加志,王成國等.鐵路客車大變形碰撞仿真研究[J].中國鐵道科學(xué),2004,25(6):1-8[37]房加志,劉金朝,焦群英,王成國.鐵路客車結(jié)構(gòu)大變形碰撞特性的仿真研究[J].中國農(nóng)業(yè)大