轨道交通车辆吸能装置耐撞性研究

地铁车辆列车碰撞吸能方案研究随着城市化脚步的不断加快，一些中特大人口城市逐渐形成，为解决人口增加带来的交通压力，地铁车辆由于其快速性、准时性、安全性被广泛应用到城市交通运输中，与此同时，车辆运行安全也被广泛关注，被动安全设计成为地铁设计的首要设计要求，车辆通过增加吸能装置来吸收车辆碰撞过程中产生的能量，文章根据某B型车被动安全设计要求为例，根据一维能量分配软件配置车辆吸能装置参数，并根据三维碰撞分析验证设计的可行性。

标签：地铁车辆；列车碰撞；吸能方案一、引言目前地铁车辆广泛采用车钩缓冲装置、防爬吸能装置、车体结构吸能等吸能装置吸收车体碰撞过程中产生的能量，采用逐级吸能的方式以适应不同碰撞速度下的吸能要求。

以某6编组B型被动安全设计要求为例，车辆要求25km/h碰撞下，车体客室不得有损坏，根據设计要求，列车在各车辆间配置有EFG3型车钩缓冲装置并增加膨胀式压溃管以满足15km/h下的碰撞要求，通过配置在车体前端的防爬吸能装置共同吸收25km/h下的碰撞能量。

二、车辆建模（一）工况介绍一列6编组整备列车以25km/h的速度撞击另一列6编组车辆，两车均处于无制动状态，列车碰撞示意图如图1所示，其中1-5为运动车各车辆间碰撞界面，7-11为静止车各车辆间碰撞界面，6为两列车碰撞界面。

（二）吸能装置参数设置各车辆间均配有带EFG3型缓冲器的车钩，并配有膨胀式压溃管，在车辆首尾两端配置有防爬吸能装置，根据列车碰撞经验，碰撞界面车钩力最大，并在向后传递的过程中逐渐减弱，为了让压溃管更多地参与吸能，在各车辆间配置有不同触发力的压溃管，其中半永久车钩采用阶梯式压溃管，根据一维能量分配软件模拟，所有吸能装置的配置参数如表1所示。

（三）车辆建模利用HYPERMESH进行网格划分，有限元模型主要采用壳单元进行划分，焊缝通过梁单元来模拟，利用LS-DYNA进行碰撞分析。

三、结果分析一列25km/h的列车碰撞一列静止的列车，当碰撞界面头车半自动车钩接触时，认为碰撞开始，当两列车共速时，认为碰撞吸能结束，头车半自动车钩压溃管触发，通过力的传递使后界面车钩压溃管逐级触发，当头车半自动车钩走完全部行程后，剪切螺栓发生剪切，头车半自动车钩回退，防爬吸能装置接触，继续吸收剩余的能量。

科技成果——轨道车辆车体结构耐撞性分析和可靠性优化关键技术成果简介该项目以轨道车辆车体结构为研究对象，通过研究列车车体模块化吸能结构的设计与能量分配、基于近似模型的车体可靠性优化设计研究、基于光纤光栅传感器技术的焊接结构疲劳损伤动态评估技术与基于多级目标代理的轻量化方法的结合，开展了以轨道车辆车体静强度、刚度、模态以及疲劳等性能为约束的车体被动安全及轻量化设计与优化评估系统。

相关方法及技术应用于主机厂的车辆端部能量设计及动态安全监测评估中，其中包括了高速列车、不锈钢地铁、铝合金地铁、特种车、市域动车组。

优化参数显著改善了列车在碰撞过程中的动态响应指标及轻量化设计问题。

本项目的研究成果用于改善列车的被动安全设计，在整车碰撞仿真中，列车能量耗散有序稳定，耐撞性指标显著改善，增加国内列车在国际市场上的竞争力，为相关企业带来2.228亿元的经济效益。

项目获授权国家发明专利1项，软件著作权9项，发表论文56篇。

技术特点（1）进行轨道车辆车体结构精细化有限元建模技术研究。

（2）考虑车体被动安全，以轨道车辆车体静强度、刚度及模态等性能为约束，进行疲劳可靠性分析及预测。

（3）针对随机因素波动易造成车辆结构失效的问题，以车体轻量化为目标，进行车辆结构的6σ疲劳可靠性优化设计研究。

（4）考虑刚度、强度、焊缝疲劳、屈曲、模态等情况，研究轨道车辆车体结构可靠性优化设计和高效求解算法。

（5）研究轨道车辆车体模块化吸能结构的优化设计与能量分配。

（6）基于光纤光栅传感器技术的车体焊接结构疲劳损伤动态安全监测技术研究（7）基于多平台、多学科约束的轨道车辆车体轻量化稳健可靠性设计。

（8）建立车体被动安全及轻量化设计与优化评估系统。

应用领域轨道车辆：城轨、地铁、高铁等。

市场前景该研究提出的可靠性优化设计、车辆车体结构疲劳寿命预测方法、列车能量稳健优化设计及多平台多约束下的结构优化设计方面取得的研究成果用于车体结构前期研发，显著降低了车辆研发时间成本，设计制造成本，而且车辆相关指标得到客户的认可，产品附加值提升，进而提升了产品利润，保守估算单辆地铁车利润提升为5-15万元，机车单台利润提升10-20万元左右。

地铁车辆吸能结构撞击试验研究摘要：为验证地铁车辆头车前端吸能结构实际效果，本文进行吸能结构的台车碰撞试验，测量吸能结构大变形模式、吸能量及撞击力特性曲线。

试验证明，采用车钩缓冲器、压溃管及在头车前端设置吸能结构，在冲击时能产生较大塑性变形，有效地吸收冲击动能，确保司机与乘客安全。

关键词：地铁车体吸能结构碰撞试验1 前言在地铁车辆头车前端底架上安装有防爬器和吸能结构，当碰撞事故发生时，吸能结构按照设定的过程发生塑性大变形，吸收冲击能量。

为验证吸能结构的实际效果，进行车体吸能结构碰撞试验，测量吸能结构大变形模式、吸能量及撞击力特性曲线。

本试验研究主要进行吸能结构台车碰撞试验，测试吸能结构吸收冲击动能的能力及其塑性大变形模式。

2 试验方法在头车底架端部设计两组吸能结构，分别安装在头车底架两侧，每一组吸能结构由四根薄壁方管组合而成，在靠近冲击端一侧开有碰撞引导槽，沿长度方向布置有十字形加强筋，总质量约为25Kg。

车体吸能结构碰撞试验的基本试验方法如下：将撞击试件固定在运动台车前端，采用牵引电机沿轨道加速台车至预定速度，在距离刚性墙前端200mm处安装有测速系统及同步触发系统，当台车运行至刚性墙前端200mm位置时，速度测试系统测试台车的瞬时速度，此时同步触发系统被触发，高速摄像系统和撞击力测试系统开始同步工作，安装在侧面及上部的两台高速摄像系统以每秒2000帧的速度记录吸能结构的大变形过程，瞬态撞击力采集系统实时采集各个传感器的力。

3 车体吸能结构撞击试验结构撞击试验是一种瞬态破坏试验，易受各种因素的干扰，为保证试验结果的有效性和可靠性，试件的安装采用统一的方式进行，并需要进行多次重复性试验。

下面列出所进行的两次试验工况的结果。

3.1试验工况一通过速度测试系统测得撞击前瞬时速度为15.72 m/s，回弹速度为0.8 m/s，试件的宏观压缩变形为170mm。

台车质量加吸能部件合计为1236kg，根据能量守恒原理，撞击过程中结构所吸收的总冲击动能为152.3kJ。

城市轨道交通车辆车体结构耐撞性设计要求及验证征求意见稿目次前言 (II)1 范围 (1)2 规范性引用文件 (1)3 术语和定义 (1)4 城市轨道交通车辆的耐碰撞设计类别 (2)5 防撞设计情况 (2)6 结构被动安全性 (3)7 耐撞性的验证 (7)附录A（规范性附录）可变形障碍物 (10)附录B（规范性附录） 3 t刚性障碍物 (12)附录C（规范性附录） 7.5 t可变形障碍物 (12)参考文献 (13)前言本文件按照GB/T 1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。

请注意本文件的某些内容可能涉及专利。

本文件的发布机构不承担识别专利的责任。

本文件由中华人民共和国住房和城乡建设部提出。

本文件由全国城市轨道交通标准化技术委员会归口。

本文件起草单位：本文件主要起草人：城市轨道交通车辆车体结构耐撞性设计要求及验证1 范围本文件规定了城市轨道交通车辆的耐撞性设计类别、碰撞场景、被动安全设计要求和耐撞性验证。

本文件适用于运行速度160km/h以下的城市轨道交通车辆，包括地铁、市域快轨列车、有轨电车、轻轨车辆。

其他城市轨道交通车辆可参照执行。

2 规范性引用文件TB/T 3500—2018 动车组车体耐撞性要求与验证规范。

3 术语和定义TB/T 3500—2018界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

3.1被动安全passive safety采用相关系统或措施减轻碰撞事故产生的影响。

[来源：TB/T 3500—2018，2.1]3.2耐撞性crashworthiness车体以可控制的方式吸收冲击能量、减轻撞击后果和降低乘客受伤风险的能力。

[来源：TB/T 3500—2018，2.2，有修改]3.3碰撞场景collision scenario为评估城市轨道交通车辆的耐撞性能而规定的工况。

[来源：TB/T 3500—2018，2.3]3.4爬车climbing碰撞发生时，一节车辆爬上另一节车辆的现象。

轨道车辆吸能装置碰撞试验与数字仿真研究
刘亚妮;陈晶晶;袁文辉
【期刊名称】《电力机车与城轨车辆》
【年(卷),期】2017(40)6
【摘要】以某城市轨道车辆的防爬器为研究对象,重点进行了与防爬器铝合金材料率相关的应力应变曲线测试、防爬器碰撞试验及相关的数字模拟计算。

研究表明Johnson-Cook本构模型能够很好地模拟该防爬器材料在大应变变形或材料失效
时的物理力学特性,且数字模拟计算的塑性变形过程与碰撞试验结果保持了合理的
一致性;防爬器加速度、纵向位移的仿真结果和碰撞试验数据相对误差均小于10%,满足EN15227-2008的防撞性验证要求。

因此通过试验数据对有限元分析模型进行校正,可以提高有限元模型的精确度,为以后改进和优化车体结构提供参考和帮助。

【总页数】6页(P46-51)
【作者】刘亚妮;陈晶晶;袁文辉
【作者单位】大功率交流传动电力机车系统集成国家重点实验室;中车株洲电力机
车有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】U260.32
【相关文献】
1.轨道车辆新型组合结构吸能装置耐碰撞性分析
2.轨道车辆吸能防爬器碰撞仿真试验对标技术研究
3.轨道车辆吸能结构碰撞变形沉浸式虚拟仿真方法
4.轨道车辆整
车碰撞仿真试验对标方法研究5.适用于TSI认证的轨道车辆吸能装置碰撞试验设计
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地铁车辆耐撞性分析及多级能量吸收系统的验证作者：牛超邵微陈秉智来源：《计算机辅助工程》2014年第02期摘要：为研究地铁头车的耐撞性及其多级能量吸收系统设计的合理性，建立能够反映真实情况的头车用半自动车钩及其剪切装置模型.利用PAMCRASH软件，参考EN 15227标准，设定模拟运营工况，计算头车与刚性墙撞击工况，得到该车吸能结构的变形模式和最大吸能量；然后计算两头车对撞工况，从逃生空间、撞击力和加速度等方面评价车体的耐撞击性.计算结果表明该地铁头车耐撞击性能良好，多级能量吸收系统设计合理.关键词：地铁；多级能量吸收系统；车钩；剪切装置；碰撞仿真；变形模式中图分类号： U270.2； TB115.1文献标志码：B0 引言随着城市化进程的加快和人口的急剧增加，交通拥堵已经成为各大城市亟待解决的问题.修建地铁是减轻地面交通压力、缓解拥堵的好方法之一，因此许多城市都在大力发展地铁.尽管地铁有许多的优点，但由于其运量大、运行速度快，一旦发生碰撞和追尾等事故，将会造成大量的人员伤亡和经济损失，后果非常严重，因此其安全性显得尤为重要.[1]地铁车辆主要依靠主动控制的方式避免行车事故的发生，但是仅依靠主动控制并不能完全避免碰撞事故的发生，因此需要对车身进行防撞设计，使其结构以可控的方式发生变形，吸收碰撞中的能量，以保护司机和乘客的安全.目前，计算机仿真已经成为研究大变形碰撞的主要方法，这给本文研究提供思想和平台，即：通过计算机仿真分析，评价车辆的耐撞击性能.以某地铁车为研究对象，参考欧洲标准委员会颁布的EN 15227标准，对其进行碰撞仿真分析，评价其碰撞安全性是否符合标准的要求，并验证其多级能量吸收系统设计的合理性.4 结论通过以上分析，可以得出如下结论：（1）基于建立的头车用半自动车钩及剪切装置模型进行碰撞分析，结果表明，其撞击性能与工厂提供的数据符合得很好，验证模拟的精确性.此模型可以在今后研究头车碰撞问题时广泛应用.（2）对车体的多级能量吸收系统进行验证，其变形顺序和能量吸收都能满足要求，可见该车多级能量吸收系统设计合理.（3）对车体的碰撞安全性进行评价，逃生空间没有发生变形，吸能结构逐级吸收撞击能量，最大撞击力只有1 400 kN，逃生空间平均纵向加速度满足标准要求.因此，该车耐撞击性能良好，能够保证司机和乘客的安全，也为工厂设计人员提供参考.参考文献：[1] 杨慧芳. CRH3动车组被动安全性和耐撞性优化研究[D]. 大连：大连交通大学， 2009.[2] 李兰，刘金朝，王成国，等. 城轨车辆耐碰撞结构的数字设计研究[J]. 铁道机车车辆， 2008， 28（2）： 28-32.LI Lan， LIU Jinzhao， WANG Chengguo， et al. Numerical study on crashworthy structure for urban rail vehicle[J]. Railway Locomotive & Car， 2008， 28（2）： 28-32.[3] LU G. 耐碰撞车辆的能量吸收要求[J]. 国外铁道车辆， 2006， 43（3）： 8-13.LU G. Energy absorption requirement for crashworthy vehicles[J]. Foreign Rolling Stock，2006， 43（3）： 8-13.[4] 张乐乐，张啸雨，崔进，等. 地铁头车车体耐撞性仿真分析[J]. 铁道学报， 2012， 34（3）： 22-27.ZHANG Lele， ZHANG Xiaoyu， CUI Jin， et al. Numerical analysis on crashworthiness of subway head car body[J]. J China Railway Soc， 2012， 34（3）： 22-27.[5] LU G. 耐碰撞车辆的撞击性能[J]. 国外铁道车辆， 2005， 42（5）： 26-34.LU G. Collision behaviour of crashworthy vehicles[J]. Foreign Rolling Stock， 2005， 42（5）： 26-34.（编辑于杰）。

轨道交通车辆碰撞吸能安全性研究□吕元颖上海轨道交通设备发展有限公司上海2002451研究背景随着我国经济的快速发展,轨道交通在许多城市从无到有，从有到多，不断发展，我国的轨道交通运营总里程不断增加，轨道交通车辆运营安全问题也随之增多。

轨道交通车辆碰撞事故发生概率虽然远小于汽车碰撞事故，但是由于轨道交通运行密度大，载客量大，一旦出现碰撞事故，将会带来严重的人员伤害和经济损失。

因此,对轨道交通车辆碰撞吸能安全性进行研究具有重要意义［1］（美国Volpe研究中心将试验与有限元仿真相结合，开展轨道交通车辆耐撞性、乘员损伤与内饰的关系研究。

欧洲标准委员会（CEN）于2007年审核通过标准EN15227《铁路应用铁路车辆车体的防撞性要求》，在标准EN12663《铁路应用铁路车辆车体的结构要求》规定的基本强度要求基础上增加了结构的被动安全性要求。

我国在轨道交通车辆被动安全方面的研究虽然起步较晚，但是也取得了一些成果。

王文斌、赵洪伦等⑶运用多体动力学技术进行两列轨道交通车辆的碰撞动力学仿真，实现了对新设计轨道交通车辆收稿日期:2020年6月作者简介：吕元颖！1984-），男，硕士，高级工程师，主要从事轨道交通车辆研发设计工作装备机械2020No.4—23—碰撞被动安全系统的总体性能评估。

丁晨、赵洪 伦⑷使用吸能模块与不同吸能材料,研究轨道交通车辆的清障器，显示新的清障器能够实现良好的收集能量与缓冲碰撞功能。

笔者应用LS-DYNA 软件对轨道交通车辆碰撞工况进行安全分析，根据EN 15227标准模拟不同速度下的轨道交通车辆对撞工况，确保轨道交通车辆主体结构不受损伤。

笔者同时研究分析了不同速度下轨道交通车辆的吸能特性，并对轨道交通车辆的 安全性能进行初步评估)54*。

2碰撞非线性理论在描述轨道交通车辆碰撞非线性大变形时,通常使用拉格朗日描述，即使用运动中的质点描述物体的运动和变形。

选取物质坐标和时间构建独立坐 标系，运动方程表征的是物体的单值连续映射，由原 始构型B 变化为现有构型B 7*(除运动方程外，质量守恒定律、能量守恒定律和 动量守恒定律也是轨道交通车辆发生碰撞时必须遵 守的三大定律〔8*。

技术装备姜 杉1，李 茁2（1. 北京市地铁运营有限公司，北京 100044；2. 北京市轨道技术交通装备集团有限公司，北京 100071）第一作者：姜杉, 男, 高级工程师；通信作者：李茁, 男, 本科引用格式：姜杉, 李茁. A 型地铁列车碰撞吸能及配置研究[J]. 现代城市轨道交通, 2024(05): 71-76. JIANG Shan, LI Zhuo. Research on collision energy absorption and configuration of A-type metro[J]. Modern Urban Transit, 2024(05):71-76.DOI:10.20151/ki.1672-7533.2024.05.0121 引言根据GB 50157-2013 《地铁设计规范》，地铁列车根据车体尺寸、轴重等的不同可分为A 、B 2种车型。

A 型地铁列车载重量和自身重量更大、在同速度等级碰撞过程中需要缓冲吸收的撞击能量更多。

地铁列车车体按EN 12663-1-2014《轨道交通 铁路车辆车身的结构要求》摘 要：A 型车是地铁列车型号中宽度最大、载客量最大的车型，尤其适合人口密度高、客流量大的城市使用，因此A 型地铁列车的安全性对于大中型城市地铁安全运营至关重要，其中列车的碰撞吸能是列车安全性能指标之一。

文章首先基于用户对车钩的吸能需求及EN 15227-2020要求，提出钩缓装置与防爬器组合使用的A 型地铁列车碰撞吸能方案。

其次，对该吸能方案的设计思路、验证方法、吸能装置关键部件及其主要技术参数进行逐一介绍。

最后，确认该方案通过高弹性可恢复EFG 缓冲器、压溃单元、可拆卸式防爬器作为吸能组合，能在A 型地铁列车连挂、碰撞、救援等多工况中起到缓冲吸能的作用，不仅可以保护乘客安全和车体主结构不受损坏，还具有方便维护和替换的优点。

该研究可为后期地铁列车吸能方案的设计提供一定的参考与借鉴。

· 183 ·理论探讨地铁车辆列车碰撞吸能方案研究高　雨（中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130062）【摘要】随着城市化脚步的不断加快，一些中特大人口城市逐渐形成，为解决人口增加带来的交通压力，地铁车辆由于其快速性、准时性、安全性被广泛应用到城市交通运输中，与此同时，车辆运行安全也被广泛关注，被动安全设计成为地铁设计的首要设计要求，车辆通过增加吸能装置来吸收车辆碰撞过程中产生的能量，文章根据某B 型车被动安全设计要求为例，根据一维能量分配软件配置车辆吸能装置参数，并根据三维碰撞分析验证设计的可行性。

【关键词】地铁车辆；列车碰撞；吸能方案一、引言目前地铁车辆广泛采用车钩缓冲装置、防爬吸能装置、车体结构吸能等吸能装置吸收车体碰撞过程中产生的能量，采用逐级吸能的方式以适应不同碰撞速度下的吸能要求。

以某6编组B 型被动安全设计要求为例，车辆要求25km/h 碰撞下，车体客室不得有损坏，根据设计要求，列车在各车辆间配置有EFG3型车钩缓冲装置并增加膨胀式压溃管以满足15km/h 下的碰撞要求，通过配置在车体前端的防爬吸能装置共同吸收25km/h 下的碰撞能量。

二、车辆建模（一）工况介绍一列6编组整备列车以25km/h 的速度撞击另一列6编组车辆，两车均处于无制动状态，列车碰撞示意图如图1所示，其中1-5为运动车各车辆间碰撞界面，7-11为静止车各车辆间碰撞界面，6为两列车碰撞界面。

图1 列车碰撞工况示意图（二）吸能装置参数设置各车辆间均配有带EFG3型缓冲器的车钩，并配有膨胀式压溃管，在车辆首尾两端配置有防爬吸能装置，根据列车碰撞经验，碰撞界面车钩力最大，并在向后传递的过程中逐渐减弱，为了让压溃管更多地参与吸能，在各车辆间配置有不同触发力的压溃管，其中半永久车钩采用阶梯式压溃管，根据一维能量分配软件模拟，所有吸能装置的配置参数如表1所示。

表1 吸能结构参数类型许用行程/mm 触发力/kN 缓冲器压溃管压溃管头车半自动车钩55300950中间半自动车钩55150800中间半永久车钩55250750-1100剪切螺栓51100防爬吸能装置350520（三）车辆建模利用HYPERMESH 进行网格划分，有限元模型主要采用壳单元进行划分，焊缝通过梁单元来模拟，利用LS-DYNA 进行碰撞分析。