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含假人模型的跨坐式單軌車輛碰撞安全仿真分析

文檔作者：杜子學(xué) 徐道雷張曉旭文檔來源：重慶交通大學(xué)軌道交通研究院		點擊數(shù)：	更新時間： 2020年12月04日
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含假／、飪型的跨生式萆紈 輛碰 舍夠真分衍
杜子學(xué)徐道雷 張曉旭
(重慶交通大學(xué)軌道交通研究院，40()074，重慶∥第一作者，教授)
摘要 以跨坐式單軌車輛為例，開展了含假人模型的跨坐
式單軌車輛碰撞仿真有限元建模；并對其在一定初速度下與
固定剛性墻的正面碰撞過程進行計算機仿真分析，驗證了車
體的耐撞性能。同時，得出了碰撞過程中乘員的響應(yīng)程度與
傷害程度，即：假人頭部HIC值為562 mm，胸部壓縮量為38
mm，人體損傷低于損傷標準，車輛結(jié)構(gòu)安全性也符合要求。
關(guān)鍵詞 跨坐式單軌車輛；正面碰撞；假人模型
中圖分類號U 270．1 4：U 232
Analysis of the Straddled-type M onorail Vehicles Collision
Simulation with Dummy M odel
Du Zixue，Xu Daolei，Zhang Xiaoxu
Abstract Taking the straddled—type monorail vehicle body
as the major object，a FE model iS established which iS a—
bout collision simulation of the straddled--type monorail ve-·
hicle with a dummy model on board．The frontal crash sim—
ulation of the straddle··type monorail vehicle is implemen--
ted，the crash characteristic of the vehicle body iS verified：
the injury degree of the dummy model in crash process
could meet the demands of vehicle structure．
Key words straddled—type monorail vehicle；frontal crash；
dummy model
First-author’S address Chongqing Jiaotong University，
400074，Chongqing，China
近年來，跨坐式單軌交通以其線路占地小、噪聲
低、建設(shè)投資費用較低以及完成的運量在公共交通
中的比例也越來越大等優(yōu)越性，在國內(nèi)多個城市先
后建成。其車輛安全的重要性就越來越不容忽視。
因此車體的碰撞安全性研究已成為軌道交通車輛設(shè)
計的重要研究課題。國外已經(jīng)開展了城軌車輛碰撞
仿真技術(shù)以及列車的被動防護性的研究，并進行了
單車和兩車的碰撞試驗。隨著顯式有限元技術(shù)的發(fā)
展以及高性能計算機軟、硬件資源的出現(xiàn)，應(yīng)用計算
機數(shù)值方法進行車體的碰撞模擬，也成為國內(nèi)研究
城市軌道車輛安全性能的主要手段，但是含假人模
型的城市軌道車輛碰撞安全仿真還處于起步階段。
· ·
本文將探索模擬含有假人模型的跨坐式單軌車輛在
一定初速度下與固定剛性墻的正面碰撞過程。
1 顯式有限元算法
機車車輛碰撞接觸過程包含了接觸體系在運動
和變形中所表現(xiàn)的幾何非線性、材料非線性和接觸
摩擦的邊界非線性，其物理本質(zhì)又決定了其仿真只
能采用小的時間步長，否則就會帶來收斂性問題或
過大的計算誤差。因此城市軌道車輛碰撞采用顯式
仿真算法，即采用中心差分法I1]。
將碰撞過程時問域[o，71]劃分成時間步
△t ( =1，2，? ，nTS)。 為時間步的數(shù)量。設(shè)
t 和d =d (t )分別表示第時間步的時間和位
移。定義時間增量為：
△t(H+1)／2 = t n+1一t n
t( +1)／2= (t +1+t )／2
△t = t(n+1)／2一t(n 1]／2 (1)
速度的中心差分公式為：
V(n+1)／2=d Ⅲ：= =
_△— 一 (d +1一 d ) (2)
t(n+1)／2、“ 一 _
重新安排式(2)中各項，可以將差分公式轉(zhuǎn)化為積分
公式：
d n+1= d n+△t(n+1)／2 (H+1)／2 (3)
加速度和相應(yīng)的積分公式為：
n
= a ( ) c4
v(n+1)／2= (n 1)／2+ △t Ha (5)
將式(1)和式(2)代人式(4)，得到直接由位移的
形式表示的加速度
a =a =
，At( 一1)／2(d +1一d )一At( +1)／2(d 一d 一1)
I———— —～
碰撞運動方程的時間積分公式可表示為：
霉潮 蠹 霉謄 零 棗謄 驀 謄鍪 曩曩 套謄曩 謄 ≥ 霞；嘏嬙
Ma =f =f (d ，t )一l廠i (d ，t ) (7)
式中：
M— — 質(zhì)量矩陣；
廠exI，廠in ——分別是外部節(jié)點力和內(nèi)部節(jié)點力
(內(nèi)、外部節(jié)點力都是節(jié)點位移和時間的函數(shù))。
將式(7)代入(5)，得到：
(n+1)／2 v(n一1)／2+△t nM 廠n (8)
設(shè)碰撞過程已知的邊界條件為：
gl(d )= 0 (9)
在已知的邊界條件下，位移d 已知，順序地運
算應(yīng)變一位移方程、本構(gòu)方程和節(jié)點力方程，可以確
定節(jié)點力．廠 。這樣式(8)中的右側(cè)項全部已知，可
以得到 川l／2，然后由式(3)可確定位移d + 。依
次類推，可以達到碰撞過程整個時間域的位移，從而
得到應(yīng)變和應(yīng)力。
2 含假人模型的跨坐式單軌車輛車體碰撞
仿真有限元建模
2．1 有限元模型建立
跨坐式單軌車輛采用鋁合金剛體材料，如
A6N01S—T5、A7N01S—T5、A5083P一0和A5083S—
H112等鋁型材。在有限元前處理軟件Hypermesh
中，車體各板梁采用板殼單元進行模擬。車體的兩端
是能量吸收結(jié)構(gòu)，在劃分網(wǎng)格時，車體兩端的單元劃
分一般較密。單元以四節(jié)點四邊形板殼單元為主，輔
以三角形單元劃分有限元網(wǎng)格。車體上的設(shè)備、管
線、門窗等采用質(zhì)量單元模擬，質(zhì)量單元位置與實際
結(jié)構(gòu)中設(shè)備位置相同。
考慮到車輪與軌道的摩擦及后面車輛對頭車的
影響，模型中又添加了簡化的轉(zhuǎn)向架及中車模型。
所采用的人體模型為完全基于試驗的Hybrid 11I
50th型假人嘲。模擬試驗時假人模型佩帶三點式
安全帶，同時限制駕駛員的腰部和上半身。建立的
車體有限元模型(含假人模型)如圖1所示。
圖1 含假人模型的跨坐式單軌車輛
前兩節(jié)車體有限元模型
2．2 焊接及接觸模擬
綜合考慮軟硬件條件，對零件焊接的處理采用
剛性連接spotweld為主，頭車與中車的連接處采用
springs來模擬。在本模型中并沒有考慮碰撞過程
中焊點的斷裂失效和螺栓受剪切力斷開的情況。
跨坐式單軌車輛車體正面碰撞有限元模型定義
了3個接觸對。首先定義的是車體總體單面的自接
觸，用于所有車輛部件可能發(fā)生的接觸檢測。第二
個接觸為車體前端與剛性墻的接觸，并考慮摩擦，摩
擦系數(shù)取0．25，其中所用的算法是主從面法。第三
個接觸是輪對與軌道的面接觸。另外，假人模型接
觸算法采用了自動單面滑移接觸算法，這種算法是
罰函數(shù)接觸算法中的一種_3]。
3 初速度42．43 mn／h下的跨坐式單軌車體
正面碰撞仿真分析
跨坐式單軌車輛運行最高速度一般為6()～8()
km／h。根據(jù)英國標準GM／RT 21()()，選擇60 km／h
作為可能的目標速度_4]。由于計算模型中剛性墻固
定，由動量定理和能量守恒定律可知，在機車車體塑
性變形吸收同樣能量的情況下，機車與同質(zhì)量靜止
機車碰撞速度，與機車與固定剛性墻碰撞速度存在
√2倍的關(guān)系_5]。即跨坐式單軌車輛與固定剛性墻
正面碰撞速度取為 =60／45 km／h=42．43 km／h。
通過LS—DYNA求解器計算正面碰撞前150 ms
的過程。
3．1 跨坐式單軌車體正面碰撞仿真分析
3．1．1 車體骨架的變形分析
以初速度為42．43 km／h的跨坐式單軌車輛車
體與固定剛性墻發(fā)生正面碰撞，車體的變形歷程如
圖2所示。
從圖2中可以看出：從開始到碰撞3 ms內(nèi)，車
體和剛性墻并未發(fā)生碰撞，從3 ms開始，車頭收到
剛性墻的撞擊，變形逐漸增加，直至65 ms，此時變
形最大值為232．7 mm，其后的時間里，車頭的變形
保持不變，剩余能量經(jīng)由地板、車體骨架等傳至車體
后部以及中車車廂，實現(xiàn)了能量的分散。如圖3所
示，整車骨架的碰撞變形區(qū)主要集中在頭車前部，跨
坐式單軌車體的司機室、左右側(cè)墻、車頂及底架的前
端在碰撞過程中產(chǎn)生了明顯的塑性變形。車體后端
由于第二節(jié)車的撞擊發(fā)生的變形，此時車鉤吸能達
到最大，車鉤完全實現(xiàn)了塑性變形。第二節(jié)車輛前
端發(fā)生很小的塑性變形，這說明以這種速度與其它
車輛撞擊，對第二節(jié)車輛車也會產(chǎn)生影響。
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