列车撞击综述

0前言

近年来，随着轨道交通广泛采用诊断、监测、通信、失效保护制动、现代化的列车控制系统等主动安全防护系统，发生重大交通事故的可能性越来越小。许多国家对轨道车辆的结构进行抗撞击设计与分析，提高了列车的耐碰撞性。耐碰撞性列车结构设计是在车体的特定部位设置一定的变形区域，或安装能量吸收装置和防爬装置，尽可能多地吸收列车碰撞时的动能，从而降低碰撞作用力，防止列车交叠事故发生，从而最大限度地减少人员伤亡。对轨道车辆耐碰撞性的研究使列车产品的耐碰撞性能得以提高，新的研发思路突破既有设计、技术瓶颈，提高列车被动安全防护技术，使其在碰撞事故发生时损失降到最小，对提高列车运营安全性具有重要的现实意义。

国际上对机车车辆碰撞的深入研究始于２０世纪８０年代中后期，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。近２０年来，英、德、法、奥地利、比利时等国通过对列车碰撞事故的广泛调查、统计及对多次发生的典型列车事故类型进行的还原研究，率先出台了轨道车辆被动安全防护的技术规范和应用标准，如文献［１－２］及欧洲铁路互联互通技术规范中的有关标准［３］。美国也在联邦铁路局（ＦＲＡ）安全法规中建立了有关规范［４］。

我国在列车被动安全防护技术方面的研究起步较晚。上世纪９０年代开始，随着我国铁路事业的发展以及国际交流合作的常态化，我国铁路行业的各科研院所和机车车辆制造工厂开始着手这方面的研究。由于实车试验费财费力，且可重复性差，加上计算机仿真技术的不断发展，因此国内研究人员大多致力于对车辆碰撞大变形的仿真模拟，欠缺对机车车辆碰撞的试验研究。

1.列车碰撞研究的主要研究方法

列车碰撞研究的主要方法包括试验和仿真两大类。其中，试验方法借助先进的测试手段，既可得到几乎所有所需特征参数，又可在三维空间模拟列车碰撞时可能发生的各种姿态，是最为有效、最具说服力的研究手段。但是，由于碰撞试验破坏性大，试验过程出现不可控因素，需要尖端测试手段才有可能对试验全程进行监测。所以试验分析所需经费巨大，可重复性很差，且具有很大的危险性。

由于铁路列车的类型、碰撞障碍物以及列车碰撞事故的类型多种多样且不断更新，加上产品设计的周期越来越短，将设计初期的实物制造出来用于试验费时费力也不经济。所以，对我国这样经济基础相对薄弱的发展中国家来说，目前试验方法仅停留在对小部件的研究上，尚未有实车碰撞试验的报道。

计算机仿真是研究列车碰撞的另外一种方法，经济便捷、操作性强，可解决上述试验方法存在的诸如大耗费、重复性差、周期长等缺点，可在设计初期对列车模型进行有效评估，便于设计师及时修改方案，大大缩短设计周期，节省设计经费，又可对现有列车产品进行耐撞性评估。同时，借助现有成熟的商业软件，仿真方法无需其他外界系统的辅助就可得到试验方法可得到的所有数据。通过人为控制计算时间步长，所采集的具有时间历程的数据甚至比试验方法所得更加详细。随着计算机软硬件技术的发展和高度非线性有限元技术的逐渐成熟，计算机模拟仿真已基本能够应对列车大系统碰撞中的难题，目前可用于碰撞分析的非线性有限元软件有ＬＳ－ＤＹＮＡ、ＭＡＤＹＭＯ、ＲＡＤＩＯＳＳ、ＭＳＣ．ＤＹＴＲＡＮ、ＰＡＭ－ＣＲＡＳＨ等，可用于动力学分析的商业软件有ＡＭＡＭＳ、ＳＩＭＰＡＣＫ等。

目前，国内学者大多采用非线性有限元对列车碰撞进行模拟，由于列车结构复杂且尺寸巨大，对其进行网格离散后的有限元计算模型规模太大，计算耗时长且需占用非常多的计算机资源，难以满足企业在车辆概念设计和方案设计方面快速、有效的要求。多体动力学在列

车系统运动学和动力学分析上有较强的优势，但却无法精确地对弹性体碰撞接触部位的变形及其非线性刚度等参数进行计算。为了解决这个问题，部分学者建议采用有限元与动力学混合仿真的方法对列车碰撞进行模拟。这种方法的主要思想是首先通过有限元方法得到列车端部结构的非线性特性，再将此特性引入多刚体动力学中模拟列车的端部结构，列车的其余部分则用刚体模拟。这种方法可节省大量计算机资源，但是，即使列车碰撞中各位置车钩、各相邻车端配置及结构完全相同，其碰撞相对速度在同一碰撞事故中并不相等，甚至相差较大。这些结构在不同速度等级的碰撞中有着截然不同的力学特性，如气液车钩装置、应变率敏感材料的使用，都使得其力学特性具有速度敏感性，而各车端的相对碰撞速度在数值仿真之前是无从获得的。所以，用在某一速度等级下得到的车端结构的力学特性在动力学中赋予所有车端显然不够合理，况且碰撞速度的增加不能保证车体的其他部分保持刚体运动，用刚体来代替它们就无法考证这些结构自身可能发生的大变形。

综上所述，在耐碰撞车辆设计的不同阶段，可采用不同的研究方法。在进行车钩设计（包括缓冲器、压溃管）时，研究列车端部、中部能量吸收区域的载荷和吸能水平时，研究列车碰撞过程的动态响应、碰撞过程中的力、速度和加速度时，可采用多体动力学的研究方法；在进行能量吸收元件设计、列车端部和中部能量吸收区域设计以及研究列车碰撞过程中各车辆详细的变形特性、加速度等时，可采用非线性有限元分析的研究方法；对于能量吸收元件的验证、列车碰撞过程中的动态响应、各车辆的变形特性和加速度等的验证，可采用准静态或动态试验的研究方法。

5我国轨道车辆耐碰撞性研究的展望

在轨道车辆的耐碰撞性研究领域，我国与发达国家存在较大的技术差距。今后应在以下几方面进行深入研究：

（１）从多体系统动力学理论出发，研究列车中车辆之间、车体与走行部之间科学有效连接的多体动力学模型，利用碰撞力学理论和统计理论，研究列车多体模型在发生不同碰撞类型、不同速度等级、不同能量吸收比例、不同车体结构刚度等级所产生的碰撞响应类型，建立列车在各速度等级下每种碰撞类型所要求的车体结构纵向刚度和车体结构安全性指标体系，构建列车车体前端和中部能量吸收的比例关系。掌握列车碰撞过程的规律、碰撞动态响应、车体结构安全性的要求，为减少碰撞事故造成的损失提供科学依据。

（２）对于目前国内外采用的各种列车防碰撞措施，仅在相碰撞的列车仍位于轨道上且一列车未爬上另一列车的情况下才有效［９］。这就需要研究列车碰撞导致爬车和脱轨的机理。防爬装置已在我国的轨道车辆中得到应用，还需研制列车发生碰撞事故时限制车辆脱轨的装置。在对轨道车辆进行动力学性能研究时，通常采用Ｎａｄａｌ公式判断列车的脱轨安全性，将该公式直接用于碰撞过程中车辆脱轨的判断显然是不合理的。这就需要根据列车碰撞后发生脱轨的机理，研究相应的判断标准。

（３）我国轨道车辆行业目前缺少可用于整车碰撞试验的装备，列车碰撞试验标准和试验装备还处于空白，从客观上让机车车辆的被动安全性研究停留在计算机仿真等模拟层面。到目前为止，国外进行了大量的列车碰撞试验，但其试验大都在室外进行，且为临时性试验，未形成相关的试验装备专利和试验规范，一般是根据客户的要求进行。这种试验组织难度大，成本高，且缺乏系统性。

鉴于以上情况，我国迫切需要开展在试验室内可进行的车体结构碰撞安全性、乘员生命安全性、物品安全性的等效碰撞试验方法和试验设备的研究。其技术和装备可用于所有类型的轨道车辆整车结构碰撞特性测试，可研究不同碰撞物体以及空间位置的车体的碰撞特性。