轴向冲击下地铁防撞压溃管的动态特性分析

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地铁列车的碰撞事故，不仅会造成车辆的直接损坏，而且会威胁到列车上乘客的生命安全为实现列车乘员安全保护，减少事故损失，对地铁端部吸能装置的要求也越来越高，所以分析研究地铁车辆端部吸能装置已经成为现阶段研究的热点问题。理想的车辆吸能结构应当位于车体的前后部分，在可控制的变形区域内发生塑性变形，吸收撞击动能，同时保障乘客区域不发生严重破坏，并且在碰撞过程中不会产生过大的撞击力峰值，使撞击减速度在人体的承受范围内。

防撞压溃管安装于地铁列车的车钩上，具有较大的能量吸收能力，是一种不可恢复变形的能量吸收装置。对于地铁压溃管来说，一般采用薄壁管吸能构件。在正常使用中，车钩在受到牵引工况时，牵引载荷会通过压溃管内部的刚性连接来传递，变形元件不受到影响；车钩在受到压缩工况时，车钩的压载荷远低于压溃管的设定力值，变形元件不发生动作，压缩能量由车钩缓冲器来吸收。当列车碰撞速度大于10km/h时，车钩受到的纵向压载荷大于压溃管设定值，压溃管就发生作用产生塑性变形，最大限度吸收冲击能量，以达到保证车上人身安全和保护车辆设备目的。

1 模型建立

1.1 几何模型

以国产某型号地铁前端防撞压溃管为研究对象，整个吸能薄壁管的壁厚为t为6mm，长和宽为 130mm×80mm，高 H为 700mm 的薄壁管，在压溃管上端进行挖槽，槽的长宽深为110mm×8mm×4mm。并经其将其安装在固定刚性墙上，固定刚性墙长和宽为190mm×140mm，厚度为1mm，其几何模型如图 1 所示。

                                                            

1.2 有限元模型

1）网格划分

为了研究防撞压溃管的耐撞性，本文使用非线性有限元软件 LS-DYNA 对其进行数值仿真分析。利用 Hypermesh 前处理软件对吸能结构的几何模型进行网格划分，得到如图 2 所示的有限元模型，包括压溃管、固定刚性墙以及压缩墙三个部分。为了准确模拟吸能结构的变形，采用 4mm×4mm 的四边形壳单元，单元厚度方向采用3点积分，面内采用单点积分。在模拟碰撞时，吸能结构的自接触采用“AUTOMATIC_SINGLE_SUＲFACE”接触算法。接触的静摩擦因数设为0.3，动摩擦因数设为0.1。

1.3 材料模型

防撞压溃管材料为铝合金，为了获得材料的力学性能，查阅相关文献得到材料的参数，如表 1 所示。使用 LS-DYNA 材料库中的 Mat 024 材料模型定义防撞压溃管的材料属性。

表1 压溃管材料参数

属性	参数
密度/(kg.m-3)	2650
杨氏模量/MPa	70000
泊松比	0.33
屈服应力/MPa	200
极限应力/MPa	250

1.4边界条件及计算

约束防撞压溃管圆柱壳下端节点在 X、Y、Z 方向上的转动和 X、Y 、Z方向上的平动自由度。施加如图 3 所示的一个压缩速度25Km/h，定义沙漏粘性属性为5，最后提交LS-DYNA 计算。

2 结果分析

完成求解设置后提交 LS-DYNA 进行计算，仿真的撞击持续时间为75ms，图 4 为防撞压溃管分别在 0ms、15ms、30ms、45ms、60ms、75ms 时刻的变形以及应力分布。

图 5 为防撞压溃管压缩过程的能量关系曲线图，主要包括动能、沙漏能、总能以及内能。从图中的能量曲线图中可以看出沙漏能远小于总的能量，说明模型的精确度很高，一般为保证求解精度，沙漏能要小于总能量的 10%。

3 结论

本文建立了防撞压溃管的有限元模型，基于 LS-DYNA 进行数值仿真。该有限元模型能有效提高分析效率。结果显示，在下防撞压溃管在轴向冲击25km/h下发生轴对称屈曲，即在可控制的变形区域内发生塑性变形，吸收撞击动能，具有较好的吸能效果。