摘要：A型铝合金地铁车辆车体底架前端结构在发生碰撞时需满足一定的碰撞吸能特征。本文介绍了一种适应于八节编组的A型铝合金地铁车辆车体前端吸能结构，通过优化设计及计算得到了满足A型铝合金地铁车辆碰撞吸能要求的前端吸能结构。
关键词：吸能；开孔诱导；仿真分析
1、前言
城市轨道车辆在发生意外碰撞时，前端吸能结构对于保护乘客安全及车上设备不受损坏具有重要意义。设计中利用“碰撞响应的结构拓扑优化方法”，对头车车体前端吸能区的结构布局完善，并重点对其主要吸能部件压溃吸能梁的开孔诱导结构进行了优化设计计算，通过仿真计算得到了能够满足吸能要求的车体前端吸能区的合理布局。
2、前端吸能结构设计
2.1 概述
城市轨道车辆前端吸能结构位于头车车体底架前端部位，在头车车体前端结构中，前端吸能结构的设计空间有限，设计重点则是利用有限的空间得到满足车体以25km/h的速度碰撞的安全结构。
2.2 前端吸能结构的构成及材料选用
前端吸能结构主要分两大部分：一为承载部分，由边梁、横梁及上盖板等组成；二为吸能部分压溃吸能梁，吸能梁也起到一定的支撑作用。
2.3前端吸能结构组焊
前端吸能结构的焊缝质量等级按EN15085-3中的CPC2执行；焊缝认证等级按EN15085-2中的CL1执行；焊缝检验等级按EN15085-5中的CT3执行。
由于前端吸能结构的特殊性，其吸能梁与各横梁之间采用满焊，而骨架与上盖板之间尽可能的采用段焊。前端吸能结构与车体底架组焊时，将后端挡板与铝地板组成前端焊接在一起，吸能梁尾部与牵引梁下盖板下平面焊在一起，这样既可以在碰撞发生时保护铝地板及后部结构，又可以保证各部件之间的连接强度。
3、前端吸能区的优化设计计算
在优化设计中，设定头车车体以25km/h的速度碰撞刚性墙为计算求解工况进行仿真优化，重点关注优化设计变量变化到何种条件下时，能够满足设计对于车体底架前端吸能结构的要求。
3.1优化后底架前端吸能区结构的碰撞响应
在整个碰撞仿真过程中，由于底架前端吸能区结构产生了塑性变形，使结构的动能转化成了塑性内能，由图1可见，结构的动能曲线随着压缩的进行减小，内能随着压缩的进行增大。
图1 优化后整个碰撞仿真系统的能量变化曲线
由仿真得到，当车体以25km/h的初速度撞击固定的平面刚性墙体时，前端的吸能区结构在碰撞中被压溃，其在压溃过程中随压缩变形量L同步的塑性变形显示如图2。
图2 优化后的底架吸能区结构在压溃过程中的仿真变形
在仿真显示中，在头车车体底架前端吸能区结构被压缩的过程里，压溃吸能梁被渐进有序的压缩；在头车车体底架前端吸能区结构被压缩过程中，防爬板、防爬后横梁等结构只产生了弹性变形，没有发生塑性变形，压溃吸能梁处于绝对性的完全压溃状态。
3.2 结构吸能的分析
当车体以25km/h的初速度撞击固定的平面刚性墙体时， 头车车体底架前端吸能结构被压缩，其中的防爬板、防爬后横梁等结构只产生了弹性变形，没有发生塑性变形，压溃吸能梁、侧梁、支撑梁发生了塑性变形，而压溃吸能梁于绝对性的完全压溃状态，吸收了绝大多数内能。
经整理计算结果，可以得到优化后的底架前端吸能结构所吸收的内能与压缩距离的同步曲线，如图3中实线所示，优化后全部四根吸能梁结构所吸收的内能与压缩距离的同步曲线，如图3。
图3优化后底架相关结构所吸收的内能与压缩距离关系曲线
4、结论
综上所述，车体底架前端吸能结构能够满足八节编组的A型铝合金地铁车辆车体以25km/h的初速度撞击固定的平面刚性墙体时，头车车体前端吸能结构的碰撞吸能设计要求。
参考文献
[1]《EN 12663-2010铁路设备 铁路车辆车身的结构要求》
[2]《EN 15227-2011铁路车辆车体的防撞性要求》
[3]王勖成，邵敏.有限单元法基本原理与数值方法.北京：清华大学出版社，1988.
论文作者:郝世恒 张家隆 姚明磊 葛永才 杜晓杰
论文发表刊物:《知识-力量》2019年10月42期
论文发表时间:2019/9/27
标签：结构论文; 车体论文; 底架论文; 塑性论文; 车辆论文; 初速论文; 铝合金论文; 《知识-力量》2019年10月42期论文;