列车碰撞分析综述

列车碰撞研究综述 124212044 交通运输工程（运输方向） 田智 1、绪论 我国地域广阔，人口众多，铁路运输以其运载量大、运行速度较高、运输成本较低的特点承担着国家的主要客、货运输任务。我国现有铁路7万多公里，在过去的八年中主要铁路干线连续实现了五次大提速二干线旅客列一车时速己达到 160km/h，随着国民经济的持续高速发展，铁路运输也必将快速发展。 随着列车速度的不断提高，在提高列车舒适性、便捷性的同时，列车的安全防御系统也发展到了一个前所未有的高度，发生列车碰撞事故的概率也越来越小。然而，铁路系统是极其复杂的，需要多方面的协调合作才能保证其正常运转，技术缺陷、设备故障、网络故障、操作失误以及自然环境的突然变化等等不可抗因素都可以导致列车碰撞事故的发生，因此列车的碰撞事故又是不可完全杜绝的。 旅客列车载客量大，一旦发生碰撞事故，不但会给人民群众带来生命和财产的巨大损失，而且会打击人们对铁路安全性的信心从而为铁路建设蒙上阴影。近年来不断发生的铁路碰撞事故给人们留下了惨痛的教训，仅2010年1月2012年3月的两年多时间里，世界范围内就发生数十起列车碰撞事故，无论是印度、中国等发展中国家，还是日木、德国、阿根廷等发达国家都未能幸免，其中不乏重特大碰撞事故[1]。因此，在积极主动地采取合理手段尽最大可能避免列车碰撞事故的同时，研究在碰撞事故发生时列车自身结构特性及司乘人员的安全性，开发一种在碰撞事故发生时车体结构耐碰撞且可以给司乘人员提供保护的铁路车体结构也显得尤为重要。 2、国内外研究现状 2.1、国外研究现状 国际上，为了减少汽车碰撞事故造成的生命和财产损失，被动安全技术最早应用于汽车行业，20世纪60年代才被引入到轨道交通领域。不过，对机车车辆碰撞的真正深入研究始于20世纪80年代中后期[2]，从此，英、法、德、美等发达国家相继对列车碰撞进行了大规模、长时间的研究。 英国在 19 世纪 80 年代就开展了列车车体耐撞性研究。英国铁路管理委员会[3]提出了车辆端部吸能结构的碰撞评价标准。英国铁路公司(British Rail)曾开发出耐撞性司机室结构[3-4]。欧洲铁路研究组织于1983年成立一个技术委员会，对司机室的动态载荷进行研究，对一台英国铁路机车进行耐撞性改进，通过计算机模拟和试验相结合，取得了耐撞性设计相关参数和合理结构形式[3-4]。 法国的铁路研究机构使用非线性有限元软件Pam-crash对车辆碰撞进行模拟，参考车辆耐碰撞性结构设计理念，将非动力车两端结构设计为弱刚度的可大变形的吸能区，并采用高性能计算机对某TGV列车车辆结构进行了耐撞性优化。1993年，法国的阿尔斯通铁路集团把列车耐碰撞性设计思想应用于“欧洲某夜间列车[5]”项目,提供了高于英国铁道组织标准要求的列车，法国国有铁路对被动安全性曾进行过大量研究工作，探究了被动碰撞安全性设计的基木原理，详细研究了列车发生碰撞时的物理现象。 德国汉诺威大学与西门子公司合作对城市轻轨车辆结构的耐碰撞性能进行过研究。庞巴迪公司运输部下属德国机车车辆制造企业制造的防碰撞城市轻轨列车中，装备了与汽车类似的安全气囊装置，并在列车控制台上添加软垫，以达到在碰撞发生时保护驾驶员的目的。为了满足北美国家对乘客、司机进行被动安全性保护的强制要求，位于美国Missouri的西门子科研中心对Portland某列车车辆以35km/h撞击刚性墙的方式开展非线性有限元数值仿真。西门子交通技术集团已成功研发了多种铁道车辆的被动安全技术解决方案，并对碰撞能量吸收区与车体结构分别制造进行集成，采用易于更换的能量吸收模块化设计等不同方案进行论述[6-9]德国已在城市轻轨车辆、ICE第三代列车上全面采用了耐冲击车体结构技术。 20世纪90年代，美国联邦铁路局(FRA)进行了大量列车碰撞研究[10-14]，早在1997年美国就建立了有关列车碰撞的安全规范，从1999年开始，在科罗拉多的美国交通运输技术中心开展了多次整车碰撞试验，重点研究了单节车辆与刚性墙、机车与机车、机车与车辆、车辆与车辆、列车对列车的碰撞，以及列车发生碰撞后乘客的二次碰撞特性，他们对比分析了无安全带和有安全带时乘客与车内设备二次碰撞损伤情况，研究表明有腰部和肩部安全带束缚的情况下，乘客的安全系数会明显提高，所以他们建议在列车座椅上加装安全带[15-16]。 J.M.Karina 通过 Adams 软件建立了列车碰撞三维动力学模型，将模拟结果与 2006 年 3 月进行的两列车碰撞试验进行对比，两者基本一致[17]。 1991 到 2004 年，欧盟和国际铁路联盟发起了 TRAINCOL、SAFETRAIN、SAFETRAM 等项目，对铁路列车和有轨电车的耐撞性设计方法，列车内部设备的被动安全性等方面进行了深入的研究与试验验证[18]。 2001 年完成的 SAFETRAIN项目，通过以往对欧洲列车结构的碰撞特性的分析，确定各节车辆端部防碰撞性设计的力学参数。基于力学参数建立了满足碰撞特征的一维动力学模型，运用优化设计方法，确定了列车前端高能端与中间部分低能端吸能结构的理论特性曲线。通过计算机仿真技术，对头车端部结构及中间车吸能结构进行有限元模拟，确定了列车吸能结构的最终设计方案。另外还采用二维模型研究了在碰撞时列车防爬装置出现的垂直角运动和载荷。为验证研究结果的可靠性[19]。 2001 年 7 月开始的 SAFETRAM 项目针对地铁车辆及有轨电车进行的耐撞性进行研究，通过车体之间添加抗碰撞的吸能结构，来减小冲击力并延长冲击持续时间，以减轻碰撞对乘客和列车车体造成的伤害。为了获得不同情形下的列车碰撞性能以及吸能结构优化后的压溃特性，采用了多体动力学的方法对列车的防撞性进行模拟仿真。依据研究的结果，对铝合金和钢结构司机室模块进行了耐撞性设计。为了验证仿真计算结果，2003 年在波兰的日米格鲁德（Zmigrod）试验中心对轨道列车吸能模块进行了实物碰撞实验。Safetram 项目审查了各种车内布局，并将在其最终报告中提出一套安全改进建议，这些改进将通过建立动力学模型和滑行试验来评估规定碰撞情景下出现的损伤 [20]。 2.2、国内研究现状 国内对列车耐撞性的研究起步比较晚。20 世纪 90 年代，国内还只有一些对西方国家列车被动安全技术的介绍文献。进入 21 世纪，随着国内铁路交通建设迎来跨越式发展，轨道客车研究院所与相关院校相继开展了列车碰撞安全技术的研究。目前，国内列车被动安全技术的研究基本使用计算机仿真的方式，研究成果尚需实车碰撞试验的验证。 2001 年，中南大学的田红旗教授提出了列车车体耐撞结构的新设计方法，将结构按前、中、后三种不同纵向刚度设置，前后两部分为刚度较弱的压溃吸能结构，中间部分具有较强的刚度，以确保乘客区域必要的生存空间[21]。随后的几年里，中南大学列车安全实验室的田红旗，高广军，姚松等人，陆续发表了在列车吸能元件的数值仿真，耐撞性车体的设计与仿真以及整列轻轨列车的等效简化模型的吸能部件碰撞仿真分析等方面的研究成果[22-23]。 2001 年，大连铁道学院（现在的大连交通大学）谢素明教授应用著名的非线性有限元软件 LS-DYNA，对 CRH3 型高速列车的车体进行了碰撞模拟，并提出了具体的改进措施[24]。2007 年，谢素明，陈秉智等人通过将 ANSYS /LS -DYNA和多学科优化软件 ISIGHT 结合起来方法，实现了车辆吸能部件的优化设计[25]。 2001 年，同济大学的李健、沈刚对对某国外铁路车辆防碰撞装置进行了动力学计算，研究耐撞性车辆设计方法和吸能装置的力学特性，利用ADAMS软件，进行了碰撞动力学仿真计算，对计算结果进行了分析与评价[26]。 中国铁道科学研究院机车车辆研究所利用PAM-CRASH进行列车碰撞仿真研究。刘金朝、王成国等对薄壁金属圆管的轴向压溃以及列车铝合金材料进行了耐撞性数值模拟还对我国25B型铁路客车和部分城市轨道列车开展过碰撞大变形数值仿真以及乘员二次碰撞研究；与天津滨海快速交通发展有限公司合作，对天津城市轨道车辆的头车多级吸能装置及其布置进行仿真研究，取得了一定的研究成果[27-31]。 2003 年，同济大学的赵洪伦教授与王文斌博士采用最新的耐撞性设计思路对轨道车辆进行了车体端部吸能结构的改进设计以及碰撞模拟仿真，验证了通过车钩、防爬器和车端压溃管三级吸能装置进行车体结构设计的有效性[32]。2005年，进一步对轨道车辆乘员二次碰撞伤害进行了研究，显示同向布置、合适的座椅间距以及较小的冲击加速度，能减小碰撞对列车乘员造成的伤害[33]。2011年，王文斌博士提出了基于有限元和多体动力学技术进行列车耐碰撞系统设计的联合仿真策略。通过非线性有限元分析获得车辆吸能部件在碰撞时的力与位移关系曲线，以该曲线模拟车辆连挂之间的非线性弹簧特性，运用多体动力学技术进行了两列车的碰撞动力学仿真，实现对新设计列车碰撞被动安全系统总体性能的评估[34]。 2011 年，中南大学的谢卓君，基于列车车钩及前端压溃区域的研究，建立了列车多体碰撞的模型，模拟了列车碰撞过程的动态响应[35]。 2004 年，铁道科学研究院的刘金朝、王成国研究员通过 PAM-CRASH 软件开展了铁道客车大变形碰撞仿真研究，提出了列车车辆设计的改进意见[36]。在此基础上，中国农业大学的房加志博士对牵引梁的吸能特性运用响应面的方法进行了优化，对提高列车被动安全性具有重要的意义[37-38]。 西南交通大学的肖守讷教授等人对地铁列车和高速动车组碰撞及其压溃装置进行了仿真研究，在吸能装置的优化及乘客二次碰撞安全性上取得了大量的成果[39-40]。

3、结论 轨道交通是国家综合运输体系中不可或缺的运输形式之一，对社会经济的发展起着十分重要的作用。随着轨道交通技术的发展以及人们安全意识的提高，轨