不锈钢地铁车体结构耐撞性优化设计 王为辉

不锈钢地铁车体结构耐撞性优化设计王为辉
摘要:为研究不锈钢地铁车体结构的大变形碰撞问题，首先创建某不锈钢地铁车
车体结构有限元模型；基于EN15227-2008标准下，对该不锈钢点焊地铁车体在
不同工况下的碰撞计算结果进行研究；然后，对头车客室区发生塑性变形的问题
分析几大原因对压溃管吸能特性的影响规律并优化出最终方案；最后，基于头车
压溃管优化更新车体模型中的吸能结构，并进行撞击刚性墙的碰撞仿真分析，结
果表明：客室区皱褶变形得以消除。

关键词: 地铁车体；耐撞；吸能结构；优化
1 引言
不锈钢点焊车具有耐腐蚀性、重量轻、维修费用以及运营成本较低等优点而
逐渐受到国内外轨道交通轻量化车体的广泛应用[1]。

由于不锈钢车体为特殊薄板
点焊承载以及复合底架承载结构，使得点焊车体局部位置刚度不连续，产生应力
集中致使发生碰撞时易发生塑性变形[2]。

当今，不锈钢点焊车的分析主要集中在车体制造和点焊工艺等方面[3-4]。

国
内对不锈钢点焊车车体被动安全防护的研究起步较晚，伞军民等运用响应面法对
薄壁圆管进行抗碰性优化研究，将PAM CRASH和多学科优化软件iSIGHT有机地
结合，提出了一种优化设计方法[5]。

本文以某不锈钢点焊地铁车为研究对象，建立了用于碰撞仿真分析的有限元
模型。

依据EN15227-2008标准[6]，对车体及其头车进行大变形碰撞仿真分析。

基于薄壁结构吸能理论对其端部吸能结构进行优化设计，为提高不锈钢点焊车体
被动安全性奠定基础。

2 车体耐撞性设计思想
传统轨道车辆耐撞性结构的设计思想是以保证车体承载结构的完整性为主要
目的，即车体在发生碰撞时不允许有较大塑形变形出现。

EN12663:2010中关于车
体纵向设计载荷有如下规定：地铁、快速交通车辆和轻轨车等P-III类客运车辆缓
冲器与车钩附属设备处的最低压缩力为800KN，车体腰部高度处的最低压缩力为300KN，车顶边梁高度处的最低压缩力为150KN，来对车体结构进行设计和试验
验收。

车体吸能结构类型有两种：一种是整体承载式吸能结构，即将防撞吸能结构
与车体结构集成在一起，该结构可使车体在一定的撞击速度下较好的传递纵向力，并同时产生塑性变形来吸收大量动能。

为使碰撞时车体变形能够以可控有序的方
式进行，需合理设计变形吸能结构各部分的强度和刚度，尽可能减小车辆主体结
构的损伤。

另一种是模块式吸能结构，即将吸能元件与防爬器集成在一个模块化
部件中，通过螺栓等机械连接方式安装到车体底架前端。

此结构安装维修相对简便，但结构设计比较复杂，吸能容量一般，故承载式吸能结构在城轨地铁车辆上
得到了越来越广泛的应用。

3 不锈钢点焊车体结构耐撞性问题
由于不锈钢车体为特殊的薄板点焊承载以及复合底架承载结构，而非铝合金
车体类的整体式承载结构，车体在承受外部载荷后，载荷通过焊点将力传递到车
体各部位，由此产生车体各处的变形与应力。

因此有必要对不锈钢点焊车体碰撞
时发生这种变形方式的原因深入研究，找到解决问题的方案，提高车体的耐撞性。

经计算，地铁不锈钢点焊编组列车以15km/h的速度与另一辆静止的编组列
车面对面撞击时，头车前端吸能结构和客室区域的底架和侧墙均发生了塑性变形，说明头车客室区域底架部分刚度不足且端部吸能结构的吸能效果欠佳，同时也不
满足碰撞安全标准中有关逃生空间的要求。

碰撞过程中车体能量及其端部吸能随时间变化的曲线得知，整个过程中总能
量保持恒定，动能逐步减少，内能逐步增加。

初始时刻车体动能量为2409.92KJ，360ms时车体动能为1323.35KJ，端部吸能结构吸收255.33KJ能量，占车体总吸
能的20.12%，可见端部结构的吸能特性不是很好，这也是碰撞后期车体客室区域
发生塑性变形的主要原因。

4 压溃管吸能结构优化
压溃管初始方案以25km/h的速度撞击刚性墙的有限元模型，模型尺寸为长560mm宽72mm高148mm，管壁厚度为3mm，材料为SUS301DLT。

车体防撞结构压溃管的变形及吸能受到很多因素影响，现研究压溃管材质均
采用DLT级或MT级，壁厚3mm、4mm、5mm；预变形（改变诱导孔的形状，
增加诱导孔的数量）；压溃管结构形状（矩形方管和锥形管）等四种情况对其变
形方式、撞击力及吸能的影响，分别进行仿真分析得知撞击力随时间变化曲线和
吸能随时间变化曲线，总结对压溃管的触发力和吸能的影响规律，在压溃管的初
始方案的基础上，推导得出压溃管的最终优化方案。

经计算压溃管最终优化方案撞击刚性墙时的撞击力和所吸收的能量随时间变
化曲线，从图1中可以看出最终优化方案撞击力为562.33KN，较初始方案增加74%；但最终方案的压溃管在碰撞过程持续到70ms时所吸收的能量为139.58KJ，吸能增加了将近2.4倍。

因此最终优化方案对于解决中间车车体客室变形问题是
有效可行的。

（a）撞击力随时间变化曲线（b）吸能随时间变化曲线
图1 最终优化方案的压溃管撞击刚性墙
5 压溃管吸能结构优化的验证
确定了车体吸能结构的最终优化方案，需要对吸能结构改进后的整车进行撞
击刚性墙的仿真试验，以验证优化改进方案能否达到预期目标。

经计算，吸能结构改进后的车体在碰撞过程中全局能量及端部吸能随时间的
变化曲，可以看出吸能结构改进后的车体在碰撞初始时刻的动能为1064.28KJ，200ms时车体动能为30.16KJ，该过程中车体总吸能为1034.12KJ，其中前端吸能
结构吸能966.81KJ，占车体总吸能的93.7%，比原方案吸能提高了28.4%。

从吸能结构改进后的车体在碰撞过程中撞击力随时间的变化曲线，可以看出
吸能结构改进后的车体前端吸能结构的触发力为797.98KN，较原方案增加了
14.4%，但仍在标准允许的范围之内，而且在100ms左右时的撞击力峰值为1116.38KN，低于该处发生变形的触发力，反应出吸能结构方案是可行的。

6 结论
根据EN15227-2008标准，初始方案与改进后的车体碰撞仿真结果得知，碰
撞过程持续到200ms时车体前端吸能结构吸能966.81KJ，占车体总吸能的93.7%，较初始方案提高了28.4%；同时整个碰撞过程中撞击力的最大峰值为1116.38KN，低于原方案的1385.46KN。

优化后的车体前端吸能结构在整个碰撞过程中变形良好，且客室区无明显塑性变形，同时底架发生皱褶变形处的应力集中现象也得以
较大缓解，为此吸能结构改进后的车体解决了变形问题，达到了优化设计目的，
提高了车体被动安全性，更好的保护乘客人身安全。

参考文献:
[1] 王洪亮，王亭，徐国成．不锈钢城轨客车车体电阻点焊质量监控[J]．焊接技术，2010，39（10）：60-62.
[2] 黄志宏，许彦强．不锈钢车体结构设计及仿真分析要点[J]．铁道车辆，2012，50（6）：14-18.
[3] 王雪芳，蒋正光，袁立祥. 城轨车辆不锈钢车体制造技术研究[J].电力机车与城轨车辆，2012，35（3）：76-78.
[4] 彭章祝，吴志明．城轨不锈钢车体制造焊接工艺研究[J]．现代机械，2012（3）：1-3.
[5] 伞军民，陈秉智．列车吸能结构碰撞仿真与分析[D]．大连：大连交通大学，2009.
[6] BS EN 15227-1:2008 铁路车辆车体的结构要求（第一部分：机车和客运车辆）[S]，BSI，2008.。