高速列车耐撞性结构及安全性研究

摘要

我国幅员辽阔人口众多，发展高速铁路可大大缩短各地区及省市间的旅行时间，是我国铁路可持续发展的必然。然而，高速列车一旦发生碰撞事故，将可能给旅客的生命财产带来极大的破坏，时而发生的列车碰撞事故向人们昭示着开展列车被动安全防护技术研究的必要性。本文在总结研究国内外研究现状的基础上，讨论了耐撞性车辆设计及仿真中的关键技术，研究了高速列车的耐撞性结构及乘员安全。
　　论文首先对列车碰撞仿真中所涉及到的材料本构关系、单元类型、接触方式、非线性大变形算法等理论知识进行了介绍，讨论并总结了列车耐撞性结构设计和仿真分析中的若干关键问题；研究了材料参数对吸能元件碰撞仿真的影响。根据目前在列车在碰撞仿真中对钩缓装置过度简化的现状，采用LS-DYNA中的离散梁单元模拟钩缓装置的加载、卸载、过载脱落等力学特性，能够较好地反映实际情况。
　　其次针对高速列车速度高、能量大的特点，研究开发了高速列车车体端部吸能结构。司机室端吸能结构采用由泡沫铝和金属圆管填充的两级吸能结构，非司机室端除原有吸能防爬装置外，通过减弱侧门区的边梁以减小门区的纵向刚度，将此区域设计为吸能结构。端部吸能结构的设计旨在碰撞事故中保护司机室和客室结构的安全，文中对其进行了充分验证。
　　然后将端部吸能结构应用于8节编组的某高速列车的所有车辆，根据欧洲标准EN15227，对该列车进行三种典型工况的安全性评估，重点考察碰撞过程中各车辆速度、加速度时间历程等动力学响应以及各碰撞界面的撞击力、能量分配等内容。为了保证计算的可信度，列车编组内的所有车辆均采用其实际结构。
　　最后借鉴汽车领域成熟的乘员安全评价方法，对高速列车在典型工况下乘员的二次碰撞安全性进行研究性评估。研究座椅间距、椅背刚度及安全带对高速列车乘员二次碰撞的影响，并对座椅布置及座椅结构等给出合理化建议，研究表明合理的列车客室布置及座椅结构可在碰撞事故中有效保护乘客的安全。