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含假人模型的跨坐式单轨车辆碰撞安全仿真分析

文档作者：杜子学徐道雷张晓旭文档来源：重庆交通大学轨道交通研究院		点击数：	更新时间： 2020年12月04日
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含假／、饪型的跨生式萆纨 辆碰 舍够真分衍
杜子学徐道雷 张晓旭
(重庆交通大学轨道交通研究院，40()074，重庆∥第一作者，教授)
摘要 以跨坐式单轨车辆为例，开展了含假人模型的跨坐
式单轨车辆碰撞仿真有限元建模；并对其在一定初速度下与
固定刚性墙的正面碰撞过程进行计算机仿真分析，验证了车
体的耐撞性能。同时，得出了碰撞过程中乘员的响应程度与
伤害程度，即：假人头部HIC值为562 mm，胸部压缩量为38
mm，人体损伤低于损伤标准，车辆结构安全性也符合要求。
关键词 跨坐式单轨车辆；正面碰撞；假人模型
中图分类号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
近年来，跨坐式单轨交通以其线路占地小、噪声
低、建设投资费用较低以及完成的运量在公共交通
中的比例也越来越大等优越性，在国内多个城市先
后建成。其车辆安全的重要性就越来越不容忽视。
因此车体的碰撞安全性研究已成为轨道交通车辆设
计的重要研究课题。国外已经开展了城轨车辆碰撞
仿真技术以及列车的被动防护性的研究，并进行了
单车和两车的碰撞试验。随着显式有限元技术的发
展以及高性能计算机软、硬件资源的出现，应用计算
机数值方法进行车体的碰撞模拟，也成为国内研究
城市轨道车辆安全性能的主要手段，但是含假人模
型的城市轨道车辆碰撞安全仿真还处于起步阶段。
· ·
本文将探索模拟含有假人模型的跨坐式单轨车辆在
一定初速度下与固定刚性墙的正面碰撞过程。
1 显式有限元算法
机车车辆碰撞接触过程包含了接触体系在运动
和变形中所表现的几何非线性、材料非线性和接触
摩擦的边界非线性，其物理本质又决定了其仿真只
能采用小的时间步长，否则就会带来收敛性问题或
过大的计算误差。因此城市轨道车辆碰撞采用显式
仿真算法，即采用中心差分法I1]。
将碰撞过程时问域[o，71]划分成时间步
△t ( =1，2，⋯ ，nTS)。 为时间步的数量。设
t 和d =d (t )分别表示第时间步的时间和位
移。定义时间增量为：
△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为：
V(n+1)／2=d Ⅲ：= =
_△— 一 (d +1一 d ) (2)
t(n+1)／2、“ 一 _
重新安排式(2)中各项，可以将差分公式转化为积分
公式：
d n+1= d n+△t(n+1)／2 (H+1)／2 (3)
加速度和相应的积分公式为：
n
= a ( ) c4
v(n+1)／2= (n 1)／2+ △t Ha (5)
将式(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———— —～
碰撞运动方程的时间积分公式可表示为：
霉潮 蠹 霉誊 零 枣誊 蓦 誊鍪 曩曩 套誊曩 誊 ≥ 霞；嘏嫱
Ma =f =f (d ，t )一l厂i (d ，t ) (7)
式中：
M— — 质量矩阵；
厂exI，厂in ——分别是外部节点力和内部节点力
(内、外部节点力都是节点位移和时间的函数)。
将式(7)代入(5)，得到：
(n+1)／2 v(n一1)／2+△t nM 厂n (8)
设碰撞过程已知的边界条件为：
gl(d )= 0 (9)
在已知的边界条件下，位移d 已知，顺序地运
算应变一位移方程、本构方程和节点力方程，可以确
定节点力．厂 。这样式(8)中的右侧项全部已知，可
以得到 川l／2，然后由式(3)可确定位移d + 。依
次类推，可以达到碰撞过程整个时间域的位移，从而
得到应变和应力。
2 含假人模型的跨坐式单轨车辆车体碰撞
仿真有限元建模
2．1 有限元模型建立
跨坐式单轨车辆采用铝合金刚体材料，如
A6N01S—T5、A7N01S—T5、A5083P一0和A5083S—
H112等铝型材。在有限元前处理软件Hypermesh
中，车体各板梁采用板壳单元进行模拟。车体的两端
是能量吸收结构，在划分网格时，车体两端的单元划
分一般较密。单元以四节点四边形板壳单元为主，辅
以三角形单元划分有限元网格。车体上的设备、管
线、门窗等采用质量单元模拟，质量单元位置与实际
结构中设备位置相同。
考虑到车轮与轨道的摩擦及后面车辆对头车的
影响，模型中又添加了简化的转向架及中车模型。
所采用的人体模型为完全基于试验的Hybrid 11I
50th型假人嘲。模拟试验时假人模型佩带三点式
安全带，同时限制驾驶员的腰部和上半身。建立的
车体有限元模型(含假人模型)如图1所示。
图1 含假人模型的跨坐式单轨车辆
前两节车体有限元模型
2．2 焊接及接触模拟
综合考虑软硬件条件，对零件焊接的处理采用
刚性连接spotweld为主，头车与中车的连接处采用
springs来模拟。在本模型中并没有考虑碰撞过程
中焊点的断裂失效和螺栓受剪切力断开的情况。
跨坐式单轨车辆车体正面碰撞有限元模型定义
了3个接触对。首先定义的是车体总体单面的自接
触，用于所有车辆部件可能发生的接触检测。第二
个接触为车体前端与刚性墙的接触，并考虑摩擦，摩
擦系数取0．25，其中所用的算法是主从面法。第三
个接触是轮对与轨道的面接触。另外，假人模型接
触算法采用了自动单面滑移接触算法，这种算法是
罚函数接触算法中的一种_3]。
3 初速度42．43 mn／h下的跨坐式单轨车体
正面碰撞仿真分析
跨坐式单轨车辆运行最高速度一般为6()～8()
km／h。根据英国标准GM／RT 21()()，选择60 km／h
作为可能的目标速度_4]。由于计算模型中刚性墙固
定，由动量定理和能量守恒定律可知，在机车车体塑
性变形吸收同样能量的情况下，机车与同质量静止
机车碰撞速度，与机车与固定刚性墙碰撞速度存在
√2倍的关系_5]。即跨坐式单轨车辆与固定刚性墙
正面碰撞速度取为 =60／45 km／h=42．43 km／h。
通过LS—DYNA求解器计算正面碰撞前150 ms
的过程。
3．1 跨坐式单轨车体正面碰撞仿真分析
3．1．1 车体骨架的变形分析
以初速度为42．43 km／h的跨坐式单轨车辆车
体与固定刚性墙发生正面碰撞，车体的变形历程如
图2所示。
从图2中可以看出：从开始到碰撞3 ms内，车
体和刚性墙并未发生碰撞，从3 ms开始，车头收到
刚性墙的撞击，变形逐渐增加，直至65 ms，此时变
形最大值为232．7 mm，其后的时间里，车头的变形
保持不变，剩余能量经由地板、车体骨架等传至车体
后部以及中车车厢，实现了能量的分散。如图3所
示，整车骨架的碰撞变形区主要集中在头车前部，跨
坐式单轨车体的司机室、左右侧墙、车顶及底架的前
端在碰撞过程中产生了明显的塑性变形。车体后端
由于第二节车的撞击发生的变形，此时车钩吸能达
到最大，车钩完全实现了塑性变形。第二节车辆前
端发生很小的塑性变形，这说明以这种速度与其它
车辆撞击，对第二节车辆车也会产生影响。
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