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摘要:針對排障吸能器的真實(shí)工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并進(jìn)行了多方案對比優(yōu)選。對最終方案進(jìn)行了細(xì)化設(shè)計，并對吸能元件進(jìn)行設(shè)計選型。基于LS－DYNA有限元仿真分析軟件對排障吸能器進(jìn)行仿真分析，研究觸發(fā)力和吸收能量，驗證其排障性能和緩沖吸能性能。

關(guān)鍵詞:排障吸能器;吸能性能;結(jié)構(gòu)設(shè)計;仿真分析;LS－DYNA

0引言

開放式的城際高速鐵路，可能有大型動物出沒，比如野豬等，這將會導(dǎo)致脫軌等運(yùn)行事故，影響行車安全。因此，需要在頭車車體前端的下部安裝排障器，提高行車安全。排障器是高速列車非常重要的組成部分，是軌道列車排除線路上可能存在的障礙物以避免發(fā)生脫軌等運(yùn)行事故的安全防護(hù)裝置。隨著人們對列車乘員碰撞安全的高度關(guān)注和車輛被動安全技術(shù)的進(jìn)展，基于碰撞安全需要采取分層次多階段的吸能措施的思想，排障器有必要作為現(xiàn)代軌道列車尤其是高速列車被動安全的一個組成部分予以設(shè)計。因而，用于高速列車的排障器在設(shè)計時除了考慮結(jié)構(gòu)外形與高度等基本條件及排障結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度要求以外，還需要注重其吸能性能，從而達(dá)到緩和沖擊的安全防護(hù)要求。

簡而言之，排障吸能器應(yīng)兼具排障和緩沖吸能兩種功能。在國內(nèi)，南車株洲電力機(jī)車有限公司技術(shù)中心的胡坤鏡，基于ANSYS軟件對200km/h客運(yùn)機(jī)車排障器進(jìn)行強(qiáng)度分析，得出排障器原結(jié)構(gòu)的薄弱位置并提出了設(shè)計改進(jìn)方案。同濟(jì)大學(xué)的丁晨對耐撞管結(jié)構(gòu)方案及其吸能緩沖特性進(jìn)行了設(shè)計和有限元仿真分析。中車唐山公司研發(fā)的排障吸能裝置及動車組頭車專利順利通過歐洲專利局審查。四川江山鐵路配件有限公司的張春林，基于Pro/E軟件對電機(jī)車排障器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，分析指出其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并通過ANSYS軟件對其結(jié)構(gòu)的兩種受載情況做受力分析計算，證明結(jié)構(gòu)合理性。筆者針對排障吸能器的真實(shí)工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并設(shè)計了多種方案，進(jìn)行多方案對比優(yōu)選。對最終方案進(jìn)行了細(xì)化設(shè)計，并對吸能元件進(jìn)行設(shè)計選型。通過模擬真實(shí)工作情況，對其排障性能和緩沖吸能性能進(jìn)行研究，包括觸發(fā)力和吸收能量。根據(jù)設(shè)計要求，建立動物模型和排障吸能器模型，并對排障吸能器的緩沖吸能性能進(jìn)行仿真分析驗證。

1排障吸能器結(jié)構(gòu)設(shè)計

1．1多方案對比

優(yōu)選為了實(shí)現(xiàn)排障吸能器排障和緩沖吸能的功能，設(shè)計了導(dǎo)向管式、壓潰管式、預(yù)埋件式和預(yù)埋件+外包覆式的結(jié)構(gòu)方案。從蜂窩結(jié)構(gòu)形狀、加工工藝和抗老化耐用性等方面進(jìn)行了對比分析，典型結(jié)構(gòu)方案對比。對排障吸能器方案進(jìn)行優(yōu)選設(shè)計，最終定型方案為預(yù)埋件+外包覆式。

1．2吸能蜂窩的選型

碰撞過程中吸能單元所需吸收能量為20kJ，車體失效的臨界碰撞力為165kN。為了滿足以上的性能要求，需要對吸能元件進(jìn)行設(shè)計選型。計算得吸能形變行程約120mm，再考慮鋁蜂窩壓縮后剩余尺寸，按80%壓縮比例，設(shè)計鋁蜂窩實(shí)際軸向尺寸為150mm。設(shè)計蜂窩強(qiáng)度時考慮排障吸能器單側(cè)吸能單元參與撞擊就可以吸收全部撞擊能量，考慮原排障板的單側(cè)有效面積0．35m2，估計鋁蜂窩的強(qiáng)度在0．47MPa左右，通過理論計算，在現(xiàn)有規(guī)格中選取兩種進(jìn)行試驗測試，經(jīng)驗公式如式(1)所示。采購成品蜂窩，鋁蜂窩材料采用3003－H18。通過試驗測得7．5×0．06鋁蜂窩準(zhǔn)靜態(tài)壓縮強(qiáng)度0．39MPa，5×0．05鋁蜂窩壓縮強(qiáng)度準(zhǔn)靜態(tài)壓縮強(qiáng)度0．45MPa，更加接近要求值，且外觀質(zhì)量優(yōu)于7．5×0．06鋁蜂窩，因此，決定采用5×0．05鋁蜂窩。Pm=6．6(tl)53σ0．2(1)式中:Pm為平均壓潰強(qiáng)度;t為蜂窩鋁箔壁厚;l為蜂窩孔邊長;σ0．2為鋁蜂窩材料的屈服極限。

2仿真分析

設(shè)計的新型排障吸能器為預(yù)埋件+外包覆式結(jié)構(gòu)方案，針對其真實(shí)工況，通過有限元仿真的方式對其排障和吸能效果進(jìn)行驗證。建立了動物模型，并對排障吸能器的觸發(fā)力和吸收能量進(jìn)行了仿真計算。

2．1動物模型的建立

為了更加真實(shí)地模擬實(shí)際工況，建立障礙物—野豬等比例仿真模型。為使模型更符合真實(shí)情況，模型中包含了動物的皮膚、軟組織及骨骼，并賦予真實(shí)的組織屬性。

2．2仿真驗證

在沖擊載荷作用下，排障吸能結(jié)構(gòu)的能量吸收過程是一個復(fù)雜的包括幾何大變形、材料非線性、接觸等高度非線性特征的物理過程。ANSYS/LS－DYNA采用了非線性顯式有限元算法，能夠很好地處理以上問題。ANSYS/LS－DYNA采用變步長的中心差分法進(jìn)行時間積分來求解。碰撞過程中，結(jié)構(gòu)之間作用力的相互關(guān)系通過定義接觸算法來計算。在仿真中采用Automatic類型的接觸方式:用一個總體的單面接觸來定義各個部件之間或自身可能發(fā)生的接觸行為，然后對某些特殊區(qū)域設(shè)置必要的局部接觸類型以保證分析的可靠性。碰撞接觸中必然會有摩擦，摩擦力的存在會使材料硬度產(chǎn)生變化，直接影響到碰撞性能。接觸算法中摩擦力的計算基于庫倫公式，摩擦因數(shù)一般通過采用指數(shù)差值函數(shù)法對動摩擦因數(shù)和靜摩擦因數(shù)平滑過渡而得。

仿真模型中，排障吸能器由吸能單元及后支撐架兩部分組成，吸能單元的材料為3003H18，后支撐架的材料為5083－O。5083－O的動態(tài)力學(xué)性能參數(shù)和不同應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線。實(shí)際運(yùn)行過程中，存在車體與障礙物正面撞擊與側(cè)面撞擊兩種情況。針對兩種情況分別進(jìn)行接觸力和吸收能量的仿真計算。排障吸能器正向撞擊仿真的示意圖、接觸力和吸收能量。通過仿真得出結(jié)論:側(cè)向撞擊時，由于蜂窩變形區(qū)域大，可吸收能量接近20kJ，吸能單元與障礙物接觸時，接觸力較大，達(dá)到800kN，但從車體連接位置受力來看，并沒有明顯的增大，說明排障吸能器確實(shí)起到了保護(hù)車體的作用。

3結(jié)論

(1)從被動安全碰撞吸能與緩沖性能出發(fā)，提出了多種結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行對比優(yōu)選，最終確定了預(yù)埋件+外包覆式的設(shè)計方案。

(2)列車排障吸能器對于緩和碰撞時產(chǎn)生的沖擊具有良好的效果。

(3)側(cè)面碰撞仿真結(jié)果表明，列車排障吸能器能夠吸收20kJ以上的能量，可以對車體起到保護(hù)作用。

參考文獻(xiàn):

［1］嚴(yán)雋耄．車輛工程［M］．北京:中國鐵道出版社，1999．

［2］胡坤鏡．200km/h客運(yùn)機(jī)車排障器強(qiáng)度分析及設(shè)計改進(jìn)［J］．電力機(jī)車與城軌車輛，2012(1):56－58．

［3］丁晨，趙洪倫．高速列車頭車吸能排障器設(shè)計與仿真研究［J］．鐵道車輛，2011，49(1):1－4．

［4］張春林．電機(jī)車排障器設(shè)計及分析［J］．中國機(jī)械，2014(18):179－180．

作者：張云峰 單位：中車長春軌道客車股份有限公司