列车碰撞研究综述

5/7列车碰撞研究综述124212044交通运输工程（运输方向）田智1、绪论我国地域广阔，人口众多，铁路运输以其运载量大、运行速度较高、运输成本较低的特点承担着国家的主要客、货运输任务。我国现有铁路7万多公里，在过去的八年中主要铁路干线连续实现了五次大提速二干线旅客列一车时速己达到160km/h，随着国民经济的持续高速发展，铁路运输也必将快速发展。随着列车速度的不断提高，在提高列车舒适性、便捷性的同时，列车的安全防御系统也发展到了一个前所未有的高度，发生列车碰撞事故的概率也越来越小。然而，铁路系统是极其复杂的，需要多方面的协调合作才能保证其正常运转，技术缺陷、设备故障、网络故障、操作失误以及自然环境的突然变化等等不可抗因素都可以导致列车碰撞事故的发生，因此列车的碰撞事故又是不可完全杜绝的。旅客列车载客量大，一旦发生碰撞事故，不但会给人民群众带来生命和财产的巨大损失，而且会打击人们对铁路安全性的信心从而为铁路建设蒙上阴影。近年来不断发生的铁路碰撞事故给人们留下了惨痛的教训，仅2010年1月2012年3月的两年多时间里，世界范围内就发生数十起列车碰撞事故，无论是印度、中国等发展中国家，还是日木、德国、阿根廷等发达国家都未能幸免，其中不乏重特大碰撞事故[1]。因此，在积极主动地采取合理手段尽最大可能避免列车碰撞事故的同时，研究在碰撞事故发生时列车自身结构特性及司乘人员的安全性，开发一种在碰撞事故发生时车体结构耐碰撞且可以给司乘人员提供保护的铁路车体结构也显得尤为重要。2、国内外研究现状2.1、国外研究现状国际上，为了减少汽车碰撞事故造成的生命和财产损失，被动安全技术最早应用于汽车行业，20世纪60年代才被引入到轨道交通领域。不过，对机车车辆碰撞的真正深入研究始于20世纪80年代中后期[2]，从此，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。英国在19世纪80年代就开展了列车车体耐撞性研究。英国铁路管理委员会[3]提出了车辆端部吸能结构的碰撞评价标准。英国铁路公司(BritishRail)曾开发出耐撞性司机室结构[3-4]。欧洲铁路研究组织于1983年成立一个技术委员会，对司机室的动态载荷进行研究，对一台英国铁路机车进行耐撞性改进，通过计算机模拟和试验相结合，取得了耐撞性设计相关参数和合理结构形式[3-4]。法国的铁路研究机构使用非线性有限元软件Pam-crash对车辆碰撞进行模拟，参考车辆耐碰撞性结构设计理念，将非动力车两端结构设计为弱刚度的可大变形的吸能区，并采用高性能计算机对某TGV列车车辆结构进行了耐撞性优化。1993年，法国的阿尔斯通铁路集团把列车耐碰撞性设计思想应用于“欧洲某夜间列车[5]”项目,提供了高于英国铁道组织标准要求的列车，法国国有铁路对被动安全性曾进行过大量研究工作，探究了被动碰撞安全性设计的基木原理，详细研究了列车发生碰撞时的物理现象。德国汉诺威大学与西门子公司合作对城市轻轨车辆结构的耐碰撞性能进行过研究。庞巴迪公司运输部下属德国机车车辆制造企业制造的防碰撞城市轻轨列车中，装备了与汽车类似的安全气囊装置，并在列车控制台上添加软垫，以达到在碰撞发生时保护驾驶员的目的。为了满足北美国家对乘客、司机进行被动安全性保护的强制要求，位于美国Missouri的西门子科研中心对Portland某列车车辆以35km/h撞击刚性墙的方式开展非线性有限元数值仿真。西门子交通技术集团已成功研发了多种铁道车辆的被动安全技术解决方案，并对碰撞能量吸收区与车体结构分别制造进行集成，采用易于更换的能量吸收模块化设计等不同方案进行论述[6-9]德国已在城市轻轨车辆、ICE第三代列车上全面采用了耐冲击车体结构技术。20世纪90年代，美国联邦铁路局(FRA)进行了大量列车碰撞研究[10-14]，早在1997年美国就建立了有关列车碰撞的安全规范，从1999年开始，在科罗拉多的美国交通运输技术中心开展了多次整车碰撞试验，重点研究了单节车辆与刚性墙、机车与机车、机车与车辆、车辆与车辆、列车对列车的碰撞，以及列车发生碰撞后乘客的二次碰撞特性，他们对比分析了无安全带和有安全带时乘客与车内设备二次碰撞损伤情况，研究表明有腰部和肩部安全带束缚的情况下，乘客的安全系数会明显提高，所以他们建议在列车座椅上加装安全带[15-16]。J.M.Karina通过Adams软件建立了列车碰撞三维动力学模型，将模拟结果与2006年3月进行的两列车碰撞试验进行对比，两者基本一致[17]。1991到2004年，欧盟和国际铁路联盟发起了TRAINCOL、SAFETRAIN、SAFETRAM等项目，对铁路列车和有轨电车的耐撞性设计方法，列车内部设备的被动安全性等方面进行了深入的研究与试验验证[18]。2001年完成的SAFETRAIN项目，通过以往对欧洲列车结构的碰撞特性的分析，确定各节车辆端部防碰撞性设计的力学参数。基于力学参数建立了满足碰撞特征的一维动力学模型，运用优化设计方法，确定了列车前端高能端与中间部[18]MarkusHecht.有轨电车和轻轨车辆的防碰撞性[J].国外铁道车辆,2005,42(5):39-41[19]JohnRoberts.SAFEINTERIORS:TrainInteriorPassiveSafetyForEurope,November,2006[20HechtMarkus.TheCrashworthinessofTramcarandLRV[J].国外铁道车辆,2005(5):39-41[21]田红旗.客运列车耐冲击吸能车体设计方法[J].交通运输工程学报,2001,1(1):110-114[22]高广军,田红旗,姚松.耐冲击吸能车体[J].交通运输工程学报,2003,3(3):50-53[23]高广军,田红旗,姚松,许平.列车多体耦合撞击分析[J].中国铁道科学,2005,26(4):93-97[24]谢素明,兆文忠,闫雪冬.高速车辆大变形碰撞仿真基本原理及应用研究[J].铁道车辆,2001,39(8):1-4[25]谢素明,王庆艳,陈秉智,兆文忠.客车车体碰撞吸能结构优化设计方法研究[J].现代制造工程．2007（5）:113-115[26]李健,沈钢.列车防碰撞装置及动力学仿真[J].铁道车辆,2001,39(1)[27]刘金朝,房加志,王成国.薄壁圆柱在轴向冲击力作用下的动力学响应[J].中国铁道科学,2004(4):18-23[28]刘金朝,房加志,王成国.高速列车用铝合金材料的耐撞性性数值分析[J].铁道机车午-辆.2004增刊(20):40-43[29]刘金朝,房加志,干.成国3.铁道客车火变形碰撞仿真研究[J].中国农业大学学报.2004,9(4):76-78[30]刘金朝,干.成国.城市高速列车防碰撞性研究[J].现代城市轨道交通.2005(2):36-40[31]李兰,刘金朝,王成国,范忠胜.城轨车辆耐碰撞结构的数字设计研究[J].铁道机车车辆,2008(02):28-32[32]王文斌,赵洪伦.高速客车轻量化车体耐碰撞结构的优化设计[J].同济大学学报自然科学版.2004,32(11):1499-1503[33]王文斌,赵洪伦,刘学军.轨道车辆乘员二次碰撞伤害的研究[J].城市轨道交通研究,2007(09):23-27[34]王文斌,康康,赵洪伦.列车耐碰撞系统有限元和多体动力学联合仿真[J].同济大学学报,2011,39(10):1552-1556[35]谢卓君.地铁列车多体碰撞的动态仿真方法及应用[M].硕士学位论文,长沙:中南大学,2011[36]刘金朝,房加志,王成国等.铁路客车大变形碰撞仿真研究[J].中国铁道科学,2004,25(6):1-8[37]房加志,刘金朝,焦群英,王成国.铁路客车结构大变形碰撞特性的仿真研究[J].中国农业大