基于RADIOSS和HyperCrash的电动车组碰撞仿真

项目介绍 

      随着列车的全面提速，列车碰撞安全性成为现代列车研究的最关键内容之一。车体的耐撞性包括车体结构的承载能力、变形模式和自身吸收撞击能量的能力等多方面的综合特性。满足列车车体结构的耐撞性，也就是在一定的撞击速度下，列车车体的各个部位能有序的发生碰撞变形，在尽可能多的吸收撞击能量的同时，最大限度的降低撞击减速度，为司机和乘客保留足够的逃生空间，从而降低碰撞事故带来的伤害。 

      青岛四方庞巴迪铁路运输设备有限公司（简称BST）是由中国四方机车车辆有限责任公司与庞巴迪公司出资组建的中外合资企业。从事设计、生产高档客车、普通客车车体、电动车组、豪华双层客车、高速客车和城市轨道车辆等，销售合营公司自产产品，提供相关售后服务。 

      青岛四方庞巴迪以某铝合金电动车组车体结构为载体，利用HyperMesh软件强大的网格划分功能建立网格，并在HyperCrash 中建立8 节编组动车组有限元模型，采用RADIOSS软件显式求解器，基于计算机数值仿真技术对车体进行大变形碰撞仿真，得到该车体发生大变形碰撞时的车体塑性变形、撞击力、车体减速度等参数与时间的变化情况，并根据EN15227 标准中的评价准则对该动车组车体的碰撞安全性进行评估。

                

挑战 

      由于，目前该碰撞工况很难进行真实的试验，如何在设计阶段对车体的安全性进行准确评估，从而满足安全性需求。

                    

解决方案 

      该车体是采用大型铝型材焊接而成，采用8节编组，头车前端带有吸能车钩和碰撞吸能器，两节车辆之间带有中间吸能车钩，可以很好的吸收碰撞能量，头车结构如图1所示。

       

      根据EN15227：2008标准，对于在平交路口上，一辆列车单元以65km/h 的速度和一个大而重的可变形障碍物之间发生撞击，如图2所示。可变形障碍物的详细参数及模型建立要求可以参照EN15227：2008标准中C.3部分。

        

      在碰撞过程中，列车的碰撞能量主要集中在车体前端结构部分，而前端结构也同样具有载客能力，需要同时考虑司机和乘客的安全，所以耐撞性对于头车车体尤为重要。为提高计算效率，建立头车车体前面部分模型，后面部分及其他7辆车体用质点模拟。有限元模型建立如下：

              

      根据上述工况及有限元模型，采用RADIOSS 显式求解器进行求解，并用HyperView 查看碰撞结果。碰撞过程中，车体与可变形障碍物随时间变化的变形图如图4所示。

       

       整个碰撞过程中，前端缓冲器仅仅压缩8mm，吸收能量很小，前端车钩与障碍物不发生接触，不吸收能量，由于车体刚度较大，大部分碰撞能量被可变形障碍物吸收。头车的塑性应变云图如图5所示，红色为塑性应变大于10%的区域，从图中可以看到，车体前端发生很小的塑性变形，对车体整体结构几乎没有影响。因此，司机及乘客的生存区没有受到影响。图6为头车的位移云图。

                   

结论 

      根据EN15227：2008标准中规定的碰撞工况，以某铝合金电动车组车体结构为载体，应用Altair公司碰撞仿真软件HyperCrash和RADIOSS进行大变形碰撞仿真，并以碰撞过程中车体结构的塑性变形、司机和乘客的生存空间和平均加速度等情况为基准，评估了该列车的安全性。可以较准确高效的实现动车碰撞仿真，很好地评估并保障列车的碰撞安全性。因此，该仿真方法可以在轨道车辆的碰撞仿真中得到广泛的应用。