列车碰撞安全试验用假人的研究

针对列车碰撞场景与汽车碰撞场景中乘员损伤情况的不同,文章在传统的汽车正面碰撞试验假人(HybridⅢ-50th假人)基础上,参考人体乘员约束测试装置(THOR)假人结构,研制了可调角度的腰椎和立姿臀部模块;并重点研究了上腹部和下腹部生物力学响应特性,制作出可坐可站的列车碰撞安全试验用假人(H3-RS假人),使其既具备HybridⅢ-50th假人生物力学特性,又增加了上腹部和下腹部生物力学特性,更加符合列车碰撞安全试验需求;最后通过台车试验进行了初步验证,结果表明H3-RS假人在结构、功能和强度上基本满足试验需求。

城市轨道交通列车碰撞动力学参数对爬车行为的影响

[目的]为了加强城市轨道交通列车在运行过程中的被动安全性设计能力,需要研究列车碰撞动力学参数对爬车行为的影响。[方法]基于车辆-轨道耦合碰撞动力学模型、Hertz接触理论及刚体非线性连接模型,搭建了列车碰撞三维动力学仿真平台。选取速度、加速度和轮对最大抬升量作为对比参数,采用列车碰撞有限元模型来验证列车碰撞三维动力学模型的精度。基于所建立的仿真平台,选取列车结构中的部分重要参数,研究其对轮对抬升量的影响。筛选出吸能防爬装置,头车和中间车的车钩等的安装点(以下简称“安装点”)至车体质心垂向距离、车体质量、车体质心高度、二系悬挂装置垂向刚度及一系悬挂装置垂向刚度共5个敏感度较强的参数,并对其进行列车碰撞动力学敏感度分析。[结果及结论]通过列车碰撞有限元模型,验证了列车碰撞三维动力学模型的精度满足要求。列车碰撞动力学敏感度分析表明:当参数比率在0.8~1.0范围内变化时,5个敏感性参数的排序依次为二系悬挂装置垂向刚度、车体质量、车体质心高度、安装点至车体质心垂向距离、一系悬挂装置垂向刚度;当参数比率在1.0~1.2范围内变化时,上述参数的排序依次为一系悬挂装置垂向刚度、安装点至车体质心垂向距离、车体质心高度、车体质量及二系悬挂装置垂向刚度。

列车碰撞事故下轮轨动态作用机理与脱轨抑制技术

随着铁路运营里程的不断增长,列车碰撞事故难以完全避免,且一旦发生将会造成严重的人员伤亡和财产损失。为尽可能减小列车碰撞事故中的脱轨风险,考虑车辆端部吸能装置和轮轨接触状态,建立三编组列车碰撞有限元模型,仿真模拟列车碰撞可移动障碍物和刚性墙引起的轮对动态响应;讨论不同运行速度和碰撞角度对列车脱轨行为的影响规律,提出一种安装在转向架上具备横垂向限位作用的脱轨抑制装置,分析对比安装脱轨抑制装置前后轮对的运动姿态、位移、侧滚角以及轮轨作用力。研究结果表明:列车碰撞后以横移/抬升耦合作用的形式脱轨;脱轨抑制装置可在一定程度上调整碰撞事故后轮对的运动姿态,限制轮对横移、抬升和侧滚运动,并承担部分轮轨作用力,导致轮轨迅速恢复正常接触状态,具备较好的脱轨抑制能力。

列车碰撞仿真中钩缓装置模拟方法

为了研究列车碰撞过程中的钩缓装置行为,提出了一种基于LS-DYNA离散梁单元模拟钩缓特性的仿真方法.以某6节编组的城市地铁列车36 km/h对撞工况为例,对钩缓装置的加载、卸载以及在极限载荷下的失效脱落等现象进行模拟,并计算钩缓装置对列车碰撞工况能量吸收的贡献程度.结果表明:该方法能够模拟碰撞时列车钩缓装置的力学特性以及车钩的失效和脱落现象,并且能得到连挂列车各位置钩缓装置的输出特性、能量吸收等指标;两列车对撞后,钩缓装置在碰撞过程中吸收能量占总能量的27%.

基于有限元和多刚体动力学联合仿真技术的列车碰撞爬车现象研究

提出非线性有限元和多刚体动力学联合仿真的方法对列车碰撞过程中的爬车现象进行研究,该方法可以大幅度的减少计算时间,并广泛适用于轨道车辆碰撞事故的重现模拟、车辆结构的被动安全设计以及后续性能优化。研究表明,列车碰撞过程中,各车辆在纵向碰撞力的作用下将难以避免地产生点头运动,并对爬车现象起到决定性的影响。此外,现实条件下碰撞列车之间的各种差异难以避免,例如不同的车辆质量、不同的车体质心高度以及点头频率都会造成相邻车辆点头运动的不同步,从而在碰撞界面形成一定的高度偏差。计算结果显示,随着碰撞列车之间的差异逐渐增大,列车间最大垂向位移明显增加,相邻车辆间的相互爬升趋势也逐渐加强。相比于碰撞质量的不同,爬车现象对车辆点头频率和质心高度的变化更加敏感。

列车碰撞被动安全性与司乘人员冲击生物损伤研究进展

尽管铁路客运列车具有系列的主动安全保障措施,但列车服役中的意外碰撞事故仍不能完全避免,并且一旦发生,将造成严重的人员伤亡和巨大的经济损失。随着列车运行速度的不断提高,列车碰撞安全与冲击防护问题愈发受到关注和重视,并已开展了大量的探索和研究。本文中综述了列车碰撞被动安全性与司乘人员冲击生物损伤的若干研究进展。首先,统计和梳理了近些年的列车碰撞事故,分析了典型列车碰撞事故中存活人员的生物损伤分布情况;其次,介绍了列车碰撞被动安全性的研究方法,总结了列车碰撞后的响应姿态与脱轨机理;然后,从车辆耐撞性设计与评价标准、基于多级能量耗散的吸能结构设计、基于碰撞能量管理的列车结构耐撞性设计三个方面,详细阐述了列车碰撞被动安全性的研究进展;最后,关注了司乘人员在列车碰撞过程中的冲击生物损伤,总结了相关减轻司机和乘客生物损伤的防护措施。

吸能装置对列车碰撞能量吸收的影响研究

为研究附加式吸能装置"载荷-位移"关系曲线的不同形式对轨道列车碰撞动能吸收效果的影响,建立了2列8编组列车一维碰撞多刚体动力学模型,并对其进行计算分析。结果表明,在具有相同设计吸能容量的前提下,将吸能装置的载荷-位移关系曲线设计成等梯度多段形式或具有一定正斜率的形式,比将其设计成单一定常型的形式吸收更多的碰撞动能;载荷-位移曲线斜率越大,吸收的能量越多。此外,研究了三节金属翻卷圆管在轴向压缩下的载荷-位移关系,发现在一定设计参数下,载荷-位移关系曲线近乎等梯度的两段形式;同时,圆管的冲程效率为76.5%,达到理论冲程效率(80%)的95%以上,证明三节金属翻卷圆管具有良好的可变形能力和吸能能力。

基于柔性单元的一维列车碰撞模型及参数校正

在传统弹簧质量模型的基础上,提出一种基于非线性杆元的列车碰撞过程中车体简化建模方法,并给出车体简化单元的参数校正方法,进行非线性杆元的刚度、阻尼参数识别,完成车体纵向力学特性表征。研究不同校正指标和不同算法对车体等效参数的影响,基于简化车体建立了用于纵向响应预测的一维四编组列车碰撞模型,并进行36 km/h四编组列车碰撞工况下一维模型和三维列车模型结果的对比验证。结果表明:校正指标中考虑车体自身响应可以得到较好的参数校正结果,在简化的一维列车碰撞模型中增加柔性杆元表征车体在受到冲击时的纵向力学行为,大幅降低求解机时,同时显著提高一维模型在编组列车碰撞响应预测准确度,可用于列车能量配置与管理的参数化研究。

列车碰撞条件下内装修材料的变形特性研究

介绍了在考虑列车遭遇碰撞情况下,假定乘客与内装修材料发生碰撞所进行的试验情况和相应的FEM分析情况。

地铁列车碰撞吸能元件简述

随着轨道客车制造业的高速发展,地铁在城市中的应用也越来越广泛.地铁是城市中的重要运输工具,它不仅可以有效缓解城市中的交通压力,同时具有运载客流量大、经济、环保等特点,已经成为城市中的首选交通工具.地铁列车碰撞事故发生时,不但对车辆结构造成破坏,也对乘客生命安全构成威胁,同时给社会带来巨大的负面影响.本文拟对地铁列车碰撞的四级吸能进行概述,并详细介绍了各吸能元件的特点及应用,为列车碰撞吸能研究提供参考依据.

地铁车辆列车碰撞吸能方案研究

随着城市化脚步的不断加快,一些中特大人口城市逐渐形成,为解决人口增加带来的交通压力,地铁车辆由于其快速性、准时性、安全性被广泛应用到城市交通运输中,与此同时,车辆运行安全也被广泛关注,被动安全设计成为地铁设计的首要设计要求,车辆通过增加吸能装置来吸收车辆碰撞过程中产生的能量,文章根据某B型车被动安全设计要求为例,根据一维能量分配软件配置车辆吸能装置参数,并根据三维碰撞分析验证设计的可行性.

正面斜碰撞下列车脱轨行为与机理研究

随着列车提速和高速化发展,列车运行安全性和可靠性保障要求愈发受到关注和重视。尽管列车具有一系列主动安全保障措施,但如果发生意外碰撞脱轨事故,将造成灾难性后果和巨大经济损失。为进一步揭示列车碰撞脱轨机理、提升列车碰撞被动安全性能,建立包含车体、转向架、悬挂系统及缓冲吸能装置的三编组列车碰撞有限元模型,考虑材料、几何和接触等典型的碰撞动力学非线性特征,仿真模拟正面斜碰刚性墙引起的车体结构动态响应与列车脱轨行为,讨论列车碰撞速度(36,50和72 km/h)、碰撞角度(30°~65°)和轮轨摩擦因数(0.1,0.2,0.3,0.4)等关键参量对列车碰撞脱轨行为的影响规律与机理。研究结果表明,车体头部界面碰撞力通过悬挂系统传递至轮对,引起轮轨纵向、横向和垂向接触力剧烈振荡,导致头车前、后转向架轮对均以爬轨/侧滚组合的形式脱离轨道,且轮轨横向力随着列车碰撞速度的增大显著增加;头车碰撞界面横向力随着碰撞角度的增大呈现先增大后减小的趋势,而纵向及垂向界面碰撞力均随着碰撞角度的增大而增大;较高的轮轨摩擦因数容易引起列车碰撞过程中车轮跳轨,但会抑制车轮爬轨行为。研究结果可为列车碰撞被动安全设计与脱轨防护提供理论和技术支持。

城轨列车在曲线上的碰撞仿真分析

根据EN 15227:2020《轨道交通轨道车辆耐撞性要求》,一般在直线线路上对城轨列车碰撞进行仿真分析,在曲线线路上开展的碰撞研究相对较少。城轨列车在曲线线路上运行时同样会发生碰撞,这就提出了在曲线线路上的碰撞分析需求。为此,研究城轨列车在曲线上运动的碰撞仿真建模方法,开展仿真分析,并对比分析曲线碰撞与直线碰撞结果,为列车在曲线上的碰撞分析提供参考。

高速列车乘员碰撞安全性研究

基于欧洲列车耐撞性评价标准EN15227,分析某8辆编组高速列车3种典型的碰撞工况。借鉴汽车领域乘员安全评价方法,评估高速列车乘员在3种碰撞工况下的安全性,结果表明在3种典型碰撞工况下乘员是安全的。借鉴美国通勤列车座椅标准和美国校车座椅设置及碰撞保护标准,研究座椅间距、椅背刚度、安全带等对高速列车乘员碰撞安全性的影响,研究结果表明:座椅间距太大或太小对乘员安全性均不利;而较小的椅背刚度对乘员二次碰撞有一定保护作用;安全带可大幅降低乘员二次碰撞危险性,建议在高速列车座椅上使用安全带。

列车防碰撞装置及动力学仿真

阐述了防碰撞列车采用能量吸收装置和在车体端部设置变形区域降低碰撞作用力的设计原理。针对国外某防碰撞列车建立了碰撞模型 ,进行了碰撞动力学仿真计算。计算结果表明 ,列车防碰撞装置能够较好地减缓冲击 。

轨道车辆碰撞试验台CO_(2)相变驱动过程仿真研究

由于现有设备条件下空气炮驱动的轨道列车碰撞试验台无法满足更高试验速度的要求,提出使用CO_(2)相变动力驱动试验车辆加速。基于质量守恒定律、能量守恒定律和CO_(2)真实气体模型,建立驱动系统做功过程数值模型;对模型求解后,通过试验验证模型计算精度;通过数值模型,对比研究空气与CO_(2)的做功性能,并分析储液缸初始压力、初始温度和驱动缸初始容积对CO_(2)做功特性的影响规律。结果表明:模型能够有效模拟CO_(2)液气相变驱动试验车做功过程;在结构条件相同且驱动工质的质量为170 kg、初始压力为20 MPa时,以CO_(2)作为驱动工质时驱动时间较空气缩短10.5%,试验车获得的末速度较空气增大21.2%;储液缸初始压力由8MPa增至20 MPa时,试验车末速度增大58.3%,加速时间减少32.2%;初始温度对驱动缸内CO_(2)相态影响较大,温度越低时,其相态越容易接近气液饱和线;驱动缸初始容积对加速时间、试验车过载和活塞所受冲击影响较大,初始容积为0.20 m3时较0.01 m3时最大过载减小23.07%,但所用时间增加20.9%。

列车端部吸能装置稳态阻抗力优化设计

为了对列车端部吸能装置的稳态阻抗力进行优化,对列车纵向碰撞模型加以改进,以此为基础,研究吸能装置实际吸能量与其稳态阻抗力的关系。发现吸能量随着阻抗力增大呈现先增大后减小的趋势,且吸能装置在碰撞结束时恰好用尽全行程的情况下其实际吸能量达到最大值。为了确定此时的阻抗力,通过动力学分析推导其理论最优阻抗力。以某列车在不同场景下对撞为例,计算发现各场景下吸能装置采用理论最优解时的吸能量均为各自对照组中的最大值,并对数值设计的可靠性进行验证。

列车碰撞安全性研究

介绍日本铁道综合技术研究所进行的列车碰撞安全性研究。碰撞分为两种形式:"一次碰撞"与"二次碰撞"。一次碰撞发生于障碍物与车体之间;二次碰撞发生在车内设施与旅客和司机之间。对于一次碰撞,作者提出一种分析方法,用于评价变形吸收量,并分析了几次重大事故。对于"二次碰撞",对司机受伤进行了定量评价,提出了适当的车体结构设计原理,用于改进防撞性。还提出了一种方法,该方法利用有限元法,用于对乘客受伤进行精确评估。

弹性波传播对列车撞击动力学特性影响研究

在列车撞击动力学中,简化的刚体模型被广泛应用于研究列车耐撞性,以及进一步优化列车在冲击载荷下的能量分布。然而忽略弹性波传播对列车耐撞性能的影响尚不清楚。为了解决这一问题,本文建立了简化的一维弹性车体模型,并研究了弹性波传播对列车能量耗散以及动力学特性的影响。基于经典的弹性波传播理论,提出了一种密度及弹性模量缩比准则,使一维弹性车体的运动特性与其横截面积无关。讨论了弹性波传播速度对不同冲击速度下三节编组列车在冲击工况下的能量吸收、弹性能储存以及车体最终的等效平衡速度的影响。研究发现,当弹性波的传播速度约为3500 m/s时,一维弹性车体与实际列车模型的一致性最好。在初始冲击速度为10、15和20 m/s时,简化的一维弹性模型吸能量与实际列车模型相比误差仅为2.56%、1.84%和1.45%,而简化的刚性模型能量吸收量比实际列车模型高10.7%、12.4%和14.8%,刚性模型显著高估了列车的能量吸收量。我们的研究结果可以促进列车在碰撞条件下的耐撞性设计和优化。

多场景下的列车线路碰撞试验台线路设计方法

研建专业的列车线路碰撞试验台对于科学再现列车碰撞冲击响应、真实评估列车碰撞安全性能具有重要意义。为满足标准规定的多种碰撞场景下的试验需求,针对列车线路碰撞试验台的线路开展方案设计,实现有限的设计空间内机车驱动加速、碰撞试验以及碰撞后制动等试验过程的合理分配。基于MotionView动力学仿真软件,构建3种碰撞场景下列车的三维多刚体动力学仿真模型,该模型包含驱动、制动和碰撞3种载荷工况。基于MoltionSolve动力学求解器,分别针对3种碰撞场景开展动力学仿真分析,研究不同碰撞场景下各节车辆的运行距离和运行速度随时间变化规律,得到了各个试验过程所需线路的最小长度。研究结果表明:综合考虑3种碰撞场景,最终确定线路设计方案为机车驱动段线路长度为830 m,碰撞试验段线路长度为120 m,试验后制动段线路长度为550 m。并通过与一次5编组列车线路对撞试验的对比,验证了提出的线路设计方案的合理性。该线路设计方案完全可以满足碰撞场景1和场景2的所有碰撞试验过程,碰撞场景3的机车驱动加速工况和试验后制动工况可以利用外围环线进行。