列车吸能器结构设计及仿真分析范文

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摘要:针对排障吸能器的真实工况进行结构设计，并进行了多方案对比优选。对最终方案进行了细化设计，并对吸能元件进行设计选型。基于LS－DYNA有限元仿真分析软件对排障吸能器进行仿真分析，研究触发力和吸收能量，验证其排障性能和缓冲吸能性能。

关键词:排障吸能器;吸能性能;结构设计;仿真分析;LS－DYNA

0引言

开放式的城际高速铁路，可能有大型动物出没，比如野猪等，这将会导致脱轨等运行事故，影响行车安全。因此，需要在头车车体前端的下部安装排障器，提高行车安全。排障器是高速列车非常重要的组成部分，是轨道列车排除线路上可能存在的障碍物以避免发生脱轨等运行事故的安全防护装置。随着人们对列车乘员碰撞安全的高度关注和车辆被动安全技术的进展，基于碰撞安全需要采取分层次多阶段的吸能措施的思想，排障器有必要作为现代轨道列车尤其是高速列车被动安全的一个组成部分予以设计。因而，用于高速列车的排障器在设计时除了考虑结构外形与高度等基本条件及排障结构的静强度要求以外，还需要注重其吸能性能，从而达到缓和冲击的安全防护要求。

简而言之，排障吸能器应兼具排障和缓冲吸能两种功能。在国内，南车株洲电力机车有限公司技术中心的胡坤镜，基于ANSYS软件对200km/h客运机车排障器进行强度分析，得出排障器原结构的薄弱位置并提出了设计改进方案。同济大学的丁晨对耐撞管结构方案及其吸能缓冲特性进行了设计和有限元仿真分析。中车唐山公司研发的排障吸能装置及动车组头车专利顺利通过欧洲专利局审查。四川江山铁路配件有限公司的张春林，基于Pro/E软件对电机车排障器进行了结构设计，分析指出其结构特点，并通过ANSYS软件对其结构的两种受载情况做受力分析计算，证明结构合理性。笔者针对排障吸能器的真实工况进行结构设计，并设计了多种方案，进行多方案对比优选。对最终方案进行了细化设计，并对吸能元件进行设计选型。通过模拟真实工作情况，对其排障性能和缓冲吸能性能进行研究，包括触发力和吸收能量。根据设计要求，建立动物模型和排障吸能器模型，并对排障吸能器的缓冲吸能性能进行仿真分析验证。

1排障吸能器结构设计

1．1多方案对比

优选为了实现排障吸能器排障和缓冲吸能的功能，设计了导向管式、压溃管式、预埋件式和预埋件+外包覆式的结构方案。从蜂窝结构形状、加工工艺和抗老化耐用性等方面进行了对比分析，典型结构方案对比。对排障吸能器方案进行优选设计，最终定型方案为预埋件+外包覆式。

1．2吸能蜂窝的选型

碰撞过程中吸能单元所需吸收能量为20kJ，车体失效的临界碰撞力为165kN。为了满足以上的性能要求，需要对吸能元件进行设计选型。计算得吸能形变行程约120mm，再考虑铝蜂窝压缩后剩余尺寸，按80%压缩比例，设计铝蜂窝实际轴向尺寸为150mm。设计蜂窝强度时考虑排障吸能器单侧吸能单元参与撞击就可以吸收全部撞击能量，考虑原排障板的单侧有效面积0．35m2，估计铝蜂窝的强度在0．47MPa左右，通过理论计算，在现有规格中选取两种进行试验测试，经验公式如式(1)所示。采购成品蜂窝，铝蜂窝材料采用3003－H18。通过试验测得7．5×0．06铝蜂窝准静态压缩强度0．39MPa，5×0．05铝蜂窝压缩强度准静态压缩强度0．45MPa，更加接近要求值，且外观质量优于7．5×0．06铝蜂窝，因此，决定采用5×0．05铝蜂窝。Pm=6．6(tl)53σ0．2(1)式中:Pm为平均压溃强度;t为蜂窝铝箔壁厚;l为蜂窝孔边长;σ0．2为铝蜂窝材料的屈服极限。

2仿真分析

设计的新型排障吸能器为预埋件+外包覆式结构方案，针对其真实工况，通过有限元仿真的方式对其排障和吸能效果进行验证。建立了动物模型，并对排障吸能器的触发力和吸收能量进行了仿真计算。

2．1动物模型的建立

为了更加真实地模拟实际工况，建立障碍物—野猪等比例仿真模型。为使模型更符合真实情况，模型中包含了动物的皮肤、软组织及骨骼，并赋予真实的组织属性。

2．2仿真验证

在冲击载荷作用下，排障吸能结构的能量吸收过程是一个复杂的包括几何大变形、材料非线性、接触等高度非线性特征的物理过程。ANSYS/LS－DYNA采用了非线性显式有限元算法，能够很好地处理以上问题。ANSYS/LS－DYNA采用变步长的中心差分法进行时间积分来求解。碰撞过程中，结构之间作用力的相互关系通过定义接触算法来计算。在仿真中采用Automatic类型的接触方式:用一个总体的单面接触来定义各个部件之间或自身可能发生的接触行为，然后对某些特殊区域设置必要的局部接触类型以保证分析的可靠性。碰撞接触中必然会有摩擦，摩擦力的存在会使材料硬度产生变化，直接影响到碰撞性能。接触算法中摩擦力的计算基于库伦公式，摩擦因数一般通过采用指数差值函数法对动摩擦因数和静摩擦因数平滑过渡而得。

仿真模型中，排障吸能器由吸能单元及后支撑架两部分组成，吸能单元的材料为3003H18，后支撑架的材料为5083－O。5083－O的动态力学性能参数和不同应变率下的应力应变曲线。实际运行过程中，存在车体与障碍物正面撞击与侧面撞击两种情况。针对两种情况分别进行接触力和吸收能量的仿真计算。排障吸能器正向撞击仿真的示意图、接触力和吸收能量。通过仿真得出结论:侧向撞击时，由于蜂窝变形区域大，可吸收能量接近20kJ，吸能单元与障碍物接触时，接触力较大，达到800kN，但从车体连接位置受力来看，并没有明显的增大，说明排障吸能器确实起到了保护车体的作用。

3结论

(1)从被动安全碰撞吸能与缓冲性能出发，提出了多种结构方案进行对比优选，最终确定了预埋件+外包覆式的设计方案。

(2)列车排障吸能器对于缓和碰撞时产生的冲击具有良好的效果。

(3)侧面碰撞仿真结果表明，列车排障吸能器能够吸收20kJ以上的能量，可以对车体起到保护作用。

参考文献:

［1］严隽耄．车辆工程［M］．北京:中国铁道出版社，1999．

［2］胡坤镜．200km/h客运机车排障器强度分析及设计改进［J］．电力机车与城轨车辆，2012(1):56－58．

［3］丁晨，赵洪伦．高速列车头车吸能排障器设计与仿真研究［J］．铁道车辆，2011，49(1):1－4．

［4］张春林．电机车排障器设计及分析［J］．中国机械，2014(18):179－180．

作者：张云峰 单位：中车长春轨道客车股份有限公司