机车车辆耐碰撞性能研究现状及标准解读课件.ppt

1、国内外机车车辆耐碰撞研究现状 机车车辆碰撞标准现状机车车辆碰撞研究方法 我国机车车辆碰撞研究存在的问题和不足 我国机车车辆碰撞研究发展方向 美国伊利诺斯州的机车碰撞美国伊利诺斯州的机车碰撞 意大利北部地区两列火车相撞意大利北部地区两列火车相撞美国南卡罗来纳州小镇格拉尼特维尔美国南卡罗来纳州小镇格拉尼特维尔 洛杉矶火车碰撞事故现场洛杉矶火车碰撞事故现场印度火车碰撞事故现场印度火车碰撞事故现场胶济胶济火车碰撞事故现场火车碰撞事故现场时间: 2009年6月29日地占：湖南郴州站事故：客运列车侧面冲突伤亡：3人死亡，60余人受伤7.23温甬碰撞事故温甬碰撞事故上海地铁上海地铁10号线碰撞事故号线碰撞事

2、故 20世纪80年代初期就有与减缓碰撞严重性和改善能量吸收的概念相关的文献报道。后来，英国学者的研究提出了耐碰撞性车体结构设计和以可控大变形方式吸收碰撞能量等概念，还进行了实物碰撞测试，在自制试验台上对车体端部进行准静态冲击试验和两列全尺寸列车的正面头对头碰撞试验等。英国铁路管理委员会于20世纪90年代成立从事列车碰撞问题的专门研究机构。通过理论和实验研究，英国研究人员总结出了耐撞性车辆结构的设计方法和原理，提出在车体的防撞性设计应采用多级能量吸收系统 近20年来，欧洲铁路系统一直不断地进行着列车被动安全防护技术的研究，西欧英、德、法、奥地利、比利时等国通过对列车碰撞事故的广泛调查和统计，并对

3、频繁出现的典型列车事故类型进行还原研究 。1990年至2007年，由欧盟资助的TRAINCOL、SAFETRAIN、SAFETRAM及SAFE INTERIORS等项目从耐撞的设计工具、干线铁路列车被动安全的设计方法、有轨电车的被动安全性设计方法和列车内部设备的被动安全性等多个方面进行了深入细致的研究 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”项

4、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本原理，详细研究了列车发生碰撞时的物理现象。 研究现状波兰日米格鲁德试验中心 实物碰撞试验 法国阿尔斯通拥有丰富的超高速列车耐碰撞结构设计和碰撞试验方面的经验。 2003年11月，法国阿尔斯通在波兰的日米格鲁德试验中心进行了实物碰撞试验,并在英国的汽车制造业研究协会(MIRA) 实验室进行了滑行试验。法国阿尔斯通AGV高速铁路的头车吸能装置英国的研究表明，符合耐撞性设计理念的铁路客车应在碰撞过程中保证司机室及乘客区的安全，并且加速度必须保持在允许的范围内，英国铁路公司（Briti

5、sh Rail）曾开发出耐撞性司机室结构 Page 15研究现状 德国针对耐撞击车体结构技术进行了深入的研究，并进行了吸能结构的试验。其中，较典型的是德国西门子公司与汉诺威大学合开展城市轻轨车辆的结构耐撞性研究。目前德国已经在城市轻轨车辆、ICE第三代列车上采用了耐冲击车技结构技术。2006年11月14日,进行了Brunel Railmotive 撞击试验。Brunel Railmotive 撞击试验 德国西门子高速列车头车吸能装置二级吸能一级吸能Page 16研究现状 试验能力：美国铁路联盟在位于科罗拉多州建有一条1.2公里长的专用冲击试验线，可以进行全尺寸车辆、机车的撞击试验，曾经对两辆客

6、车以41.8km/h速度撞击特制冲击墙的工况进行了实车试验。 TTC的冲击试验线图 实车碰撞试验 假人及安全带实车碰撞试验 标准研究：1999年，美国交通联邦铁路委员会(FRA)和美国公共交通协会发布“TierI铁路客车设备耐撞性” 新标准，涵盖包括设备强度、能量控制及成员座椅的动态冲击试验等诸多内容。 美国联邦铁路局（FRA）进行了大量列车碰撞研究，早在1997年美国就建立了有关列车碰撞的安全规范，从1999年11月开始，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

7、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。 Page 20p意大利研究现状 2006年意大利安萨尔多公司进行了吸能元件撞击试验和司机室结构的正面碰撞试验 两车正面线路撞击试验 吸能元件撞击试验撞击后变形 76.5 Km/h Page 21 川崎重工研制的纽约R142型地铁列车，车头底架端部吸能1.02MJ。在美国国家运输技术中心(TTCI)进行了单车（37吨）撞击试验，试验车沿坡度为千分之8.6的线路滑行而下撞击刚性墙，走行距离约为500米。吸能元件撞击试验吸能元件

8、撞击试验部分端部车体撞击试验p日本研究现状 近5年关于高速列车撞击学术论文50多篇，会议论文10篇，科技成果近8项，硕士论文达到46多篇，博士论文达到15篇左右，专利成果达到30项 一般采用计算、仿真等手段对吸能结构件、头车、车钩、车体等进行大变形碰撞仿真研究、结构设计及优化和二次碰撞伤害研究。其中专利在吸能、防爬、系统控制、结构设计等方面提出了见解。 由于实车实验费财费力，而且可重复性差，加上计算机仿真技术的不断发展。国内研究人员大多致力于对车辆碰撞大变形的模拟仿真工作，欠缺对机车车辆碰撞的实验研究。中南大学高速列车研究中心是我国较早开展列车耐撞性结构研究的单位之一。 Page 24研究现状

9、Page 24中南大学高速列车研究中心在1998年建立动模型碰撞试验台，在该试验台上，四方股份进行了天津地铁、北京四号线等城轨车辆碰撞吸能测试。 试验线长170 m、轨距0.9m,刚性墙5X4.55X5.8m 最大载重2250 Kg，最高试验速度120km/h， 撞击加速度量程500 g，撞击力量程60T24。吸能元件撞击试验西南交通大学，一直致力于列车被动安全技术的研究，先后完成了上海10号、13号线，深圳4号线，南京3号线，无锡地铁1号线，宁波地铁1号线，出口孟买地铁列车，突尼斯内燃动车组，符合欧标的高速动车组，出口沙特电力动车组等各型列车的耐撞性结构设计与分析。另外，在肖守讷研究员的带领

10、下，西南交通大学机车车辆研究所还对上海地铁10号线追尾事故及7.23甬温线特大交通事故等进行了事故还原 。上海地铁上海地铁10号线事故模拟号线事故模拟 同济大学李健、沈刚等在ADAMS中对某国外铁路车辆防碰撞装置进行了动力学计算，研究耐撞性车辆设计方法和吸能装置的力学特性。 赵洪伦等对城市轨道列车及高速列车开展过耐碰撞仿真分析研究，通过结合有限元和多体动力学，寻求一种既准确又快速的仿真方法。通过对基本吸能元件的仿真及试验分析，将其研究成果应用北京八通线等制造的城市轨道车辆的耐碰撞结构上，另外他们还对列车吸能防爬结构等进行了优化设计研究。 王文斌等还对轨道列车乘员的二次碰撞伤害进行了研究，研究车

11、内布置及座椅设计参数对乘员伤害的影响 大连交通大学的兆文忠、陈秉智、车全伟等应用PAM-CRASH软件对CRH3型动车组进行仿真研究，研究CRH3动车组的大变形模式以及车辆的吸能情况，撞击力、车辆速度。加速度等的时间历程，并在模型中加入假人模型研究乘客的二次碰撞情况；运用PAM-CRASH与ISIGHT等软件对上海地铁6-8号线车辆吸能结构进行了抗撞性优化；段书华、陈秉智;王悦东通过列车大变形碰撞仿真，对以碳钢车车体结构优化；与长春轨道客车股份有限公司合作对某出口沙特的城轨列车进行了耐撞性仿真，并验证其设计的合理性 中国铁道科学研究院机车车辆研究所利用PAM-CRASH进行列车碰撞仿真研究。刘

12、金朝、王成国等对薄壁金属圆管的轴向压溃以及列车铝合金材料进行了耐撞性数值模拟，还对我国25B型铁路客车和部分城市轨道列车开展过碰撞大变形数值仿真以及乘员二次碰撞研究；与天津滨海快速交通发展有限公司合作，对天津城市轨道车辆的头车多级吸能装置及其布置进行仿真研究，取得了一定的研究成果 中国铁道科学研究院机车车辆研究所利用PAM-CRASH进行列车碰撞仿真研究。刘金朝、王成国等对薄壁金属圆管的轴向压溃以及列车铝合金材料进行了耐撞性数值模拟，还对我国25B型铁路客车和部分城市轨道列车开展过碰撞大变形数值仿真以及乘员二次碰撞研究；与天津滨海快速交通发展有限公司合作，对天津城市轨道车辆的头车多级吸能装置及

13、其布置进行仿真研究，取得了一定的研究成果 中国科技大学参加的“十一五”国际科技支撑计划中国高速列车关键技术研究及装备验收项目，对高速列车的碰撞进行了仿真研究。Page 34技术分析标准研究n碰撞标准对比分析英国GM/RT2001美国RSAC报告草案Tier I CFR欧盟EN15227 英国的GM/RT2100：Structural Requirements for Railway Vehicle对耐碰撞车辆设计要求为：两列同类型的车辆发生碰撞时，车辆端部纵向变形量不允许大于1m，车辆前端吸收能量不小于1.0MJ；对于动车组和固定编组的列车，碰撞最大冲击力不超过3000kN，对于其它编组列车，

14、碰撞最大冲击力不超过4000kN；防爬器能承受100kN的垂直载荷。GM/RT2100由1994年第一个版本已发展为2010年的第四个版本。碰撞标准对比分析 美国的法规及相关标准由三部分组成：由政府主导颁布的强制性法规，货车企业的行业标准和客车企业的行业标准。其中，强制性法规由联邦铁路局（FRA）制定，货车行业标准由北美铁道协会（AAR）制定，客车行业标准由美国公共交通协会（APTA）制定。 FRA法规法规:对高速铁路的需求和一些通勤列车系统的建立，促使美国国会授权FRA颁布法规。1996年，FRA设立铁路安全咨询委员会（RSAC），汇集政府和企业的代表们一起研究制定新的法规。1999年，FR

15、A 新法规颁布，写入了美国联邦规章典集（CFR）中，涉及碰撞安全保护条款的CFR法规有： Tier I 用替代设计客运铁路设备防撞性和乘员保护性用替代设计客运铁路设备防撞性和乘员保护性能的评估技术标准和程序能的评估技术标准和程序 表表 1：标准和评估的指导摘要：标准和评估的指导摘要与传统设备的与传统设备的碰撞碰撞替代设计列车与传统车头牵引列车的碰替代设计列车与传统车头牵引列车的碰撞：撞： (a) 20 mph，驾驶室牵引；或者，驾驶室牵引；或者(b) 25 mph，传统车头牵引。，传统车头牵引。为乘员预留占用空间为乘员预留占用空间在操纵室预留生存空间在操纵室预留生存空间占用空间完整占用空间完整

16、性性在预期的碰撞负载路径上：在预期的碰撞负载路径上：(a) 800 kips.(b) 1000 kips.(c) 1200 kips.(a) 无永久形变，无永久形变，(b) 有限永久形变，有限永久形变，(c) 无断裂无断裂对撞设备跨覆对撞设备跨覆替代设计设备与传统车头的碰撞：替代设计设备与传统车头的碰撞：(a) 所有排列的设备。所有排列的设备。(b) 包括垂直方向和横向上的包括垂直方向和横向上的 3 英寸偏英寸偏移。移。无跨覆且车轮升力最小化。无跨覆且车轮升力最小化。连接设备跨覆连接设备跨覆替代设计设备与传统车头碰撞，第一次替代设计设备与传统车头碰撞，第一次车辆连接时发生车辆连接时发生 2 英

17、寸垂直英寸垂直/2 英寸横向英寸横向偏移偏移无跨覆且车轮升力最小化。无跨覆且车轮升力最小化。禁止液体进入禁止液体进入基于设计审核基于设计审核(a)等同于具有等同于具有 25,000 psi 屈服强度的屈服强度的 英寸钢板；英寸钢板；(b)禁止液体流入占据区；和禁止液体流入占据区；和(c) 附加在附加在结构构件上结构构件上驾驶室端的终驾驶室端的终端结构完整性端结构完整性(a) 纵向中心线冲击偏移纵向中心线冲击偏移 19 英寸时，吸英寸时，吸收最少收最少 135 ft-kip 的冲击能量。的冲击能量。(b) 侧壁对齐冲击时，吸收最少侧壁对齐冲击时，吸收最少 120 ft-kip 的冲击能量的冲击能

18、量纵向永久形变不超过纵向永久形变不超过 10 英寸英寸非驾驶室端的非驾驶室端的终端（角落）终端（角落）结构完整性结构完整性(a) 地板高度处地板高度处 150 kips。(b) 地板以上地板以上 18 英寸处英寸处 30 kips。(a) 室内净高处室内净高处 20 kips。(a) 无失败无失败(b) 无永久形变无永久形变(c) 无失败无失败车顶完整性车顶完整性设备倒转，由车顶支撑设备倒转，由车顶支撑(a)无占据空间的侵入；和无占据空间的侵入；和(b)不超过异屈曲力或屈服力的一半不超过异屈曲力或屈服力的一半侧面结构完整侧面结构完整性性侧壁刚性和材料特性的设计要求侧壁刚性和材料特性的设计要求垂

19、直模量垂直模量 (in3) 0.3 x L水平模量水平模量 (in3) 0.2 x L车辆附件车辆附件方案方案 2.1 及其他及其他(a) 垂直方面垂直方面 3g，横向，横向 1g，纵向，纵向 5g；或；或者者(b) 垂直垂直 3g，横向，横向 1g。静态分析：无屈曲；和静态分析：无屈曲；和(a) 方案方案 2.1：平均加速度：平均加速度 5g 且且最大加速度最大加速度 10g；或者；或者(b) 方案方案 2.1：车辆仍相联：车辆仍相联内部固定设备内部固定设备附件附件固定设备：固定设备：8/4/4 g 纵向纵向/横向横向/垂直方向垂直方向准静态负载；及准静态负载；及座位：座位：8g 纵向动态脉

20、冲纵向动态脉冲固定设备和座位仍然相联固定设备和座位仍然相联座位座位依依 APTA-SS-C&S-016-99 修订版修订版 2 进行进行 8g 台机测试，使用仪表化的台机测试，使用仪表化的 HIII ATD。座位必须符合座位必须符合 APTA-SS-C&S-016-99 修订版修订版 2 的要求，包括伤害标准的要求，包括伤害标准v碰撞能量管理碰撞能量管理v如果设备设计对压力压碎行为进行控制，可显著增加客运铁路设备的防撞性能。压碎区域可设计为车厢内为占据的位置，如制动和电力柜和自行车存放区域，以及没有乘员座位的轻微占据区域，如门廊和楼梯井等。这些区域设计要使压碎受到控制，初始压力要小，平均压力逐

21、渐增加。有了此类压碎区域，多辆车厢在碰撞时分担能量吸收，从而通过控制碰撞能量保持占据空间的完整性。设计压碎区域的方法被称为碰撞能量管理 (CEM)。 吸能区 吸能区 吸能区 吸能区 吸能区 吸能区 各种座位设置的代表性二次碰撞速度曲线 允许的最大加速度值为允许的最大加速度值为7.5g7.5g。车辆的平均减速度的。车辆的平均减速度的确定方法是碰撞列车上的净接触力超过零开始到再确定方法是碰撞列车上的净接触力超过零开始到再次下降到次下降到0 0为止的时间相对应。为止的时间相对应。 多体动力学分析w 列车碰撞性能的分析列车碰撞性能的分析w 需要吸收能量的要求需要吸收能量的要求 简单分析和简易数字工具w

22、 进行单个碰撞单元及装配的设计进行单个碰撞单元及装配的设计碰撞有限元分析对单个碰撞单元、装配、车体端部和全车进行详细地分析对单个碰撞单元、装配、车体端部和全车进行详细地分析 试验w 材料特性试验材料特性试验w 装配试验装配试验w 整车整车1:1试验试验作者：肖守讷。时间：作者：肖守讷。时间：2012年年9月月 于成都于成都作者：肖守讷。时间：作者：肖守讷。时间：2012年年9月月 于成都于成都fA(x)fA(x)M2,1fB(x)fA(x)fA(x)x2,3x2,2x2,1x1,3x1,2x1,1M2,2M2,3xM1,3M1,2M1,1crash zone intermediate end:

23、design length: 238 mmworking length (65%): 155 mmcrash zone cab end:design length: 450 mmworking length (65%): 293 mmvvv1D MBS model:semipermanent coupler:working length: 246 mm(one coupler)xautomatic coupler:working length: 200 mm(one coupler)Train 1car 1.1car 1.2car 1.3Train 2car 2.1car 2.2car 2.3

24、Crash zone intermediate endCoupler cab endCoupler intermediate endCrash zone cab end1D-simulation model作者：肖守讷。时间：作者：肖守讷。时间：2012年年9月月 于成都于成都KMRT / 6 car versus 6 car train / 22 km/h, mu=0.15-5000000500000100000015000002000000250000030000003500000-0.100.000.100.200.300.400.500.60Displacement mF NR1_ZU

25、G1_AF NR2_ZUG1_BF NR3_ZUG1_AF NR4_ZUG1_AF NR5_ZUG1_BF NR6_ZUG1_AF NR1_ZUG2_AF NR2_ZUG2_BF NR3_ZUG2_AF NR4_ZUG2_AF NR5_ZUG2_BResults 1D-MBS2D-MBS作者：肖守讷。时间：作者：肖守讷。时间：2012年年9月月 于成都于成都-20000200040006000800010000020406080100120140160Time msForce kNContact of the roof structure作者：肖守讷。时间：作者：肖守讷。时间：2012年年9月

26、月 于成都于成都ForceDeformationRegenerative and/ordissipativecoupler elementsCrash zone of thecarbody structurePassengercoach areaCoupler shear offCoupler activation -elastic coupler elements1、从文献、专利成果来看，对高速列车碰撞及被动性防护由单一元器件建模分析提升到了对系统、整机的分析层面，但系统性还有待提高；2、高速列车碰撞及被动性防护可分为二类：一碰撞防护类电子预警类专利；二是部分耐碰撞性结构。合理性和可应用性有

27、待进一步研究。3、对于高速列车碰撞及被动性防护研究方法，国内主要是基于仿真和计算的方法，与实际运行过程中，特别是基于已发事故的验证中获得经验性关键数据的对应还有待加强。4、缺乏实验验证平台，不能进行深层面碰撞特征的研究。5、从标准上来看，在实际设计及计算分析中一般采用目前欧洲标准EN 15227标准，适合我国高速列车耐碰撞安全性设计、验证、验收指标还有待建立。6、高速列车碰撞及被动性防护关键性元器件标准还有待建立。7、高速列车碰撞及被动性防护大系统整合计算与分析还需不断完善。 一、高速列车碰撞及被动性防护理论1.加强高速列车被动安全保障理论及方法的研究2.分析我国动车组线路运用条件并查找与国外

28、动车组线路运用条件的差异性3.高速列车防碰撞性轻量化结构与整车性能关键技术体系4.防碰撞的车体结构和部件(头车、车辆端部、车钩等)防撞关键性结构参数确定5.疲劳强度和防碰撞性对预定运用形式的列车组件和防碰撞车体和缓冲器分析计算方法；6.缓冲吸能装置等关键部件研究及模块化和标准化7.高速列车碰撞及被动性防护仿真验证体系一、高速列车碰撞及被动性防护理论8.动车组车辆碰撞性的通用性要求9.耐撞击车体的模块化设计10.高速列车防撞性能评估方法11.高速列车防止二次碰撞技术研究12.高速列车碰撞过程技术控制与预案13高速列车碰撞撞后评价 二、高速列车碰撞及被动性防护实验及平台1. 高速列车碰撞及被动性防

29、护实验理论和试验平台；2. 高速、重型动载设备碰撞特性测试设备；3. 弹射装置及系统；4. 可变刚度模拟体研制；5. 碰撞特性检测系统；6. 高速列车碰撞及被动性防护关键部件材料、结构研究；7. 高速列车碰撞用小比例模型研究。 三、高速列车碰撞及被动性防护标准1. 确定适合我国动车组碰撞安全标准的碰撞工况；2. 制定车辆碰撞能量耗散要求；3. 编写碰撞性安全通用性要求；4. 制定耐碰撞性结构验证的要求；5. 制定车辆碰撞数值仿真的基本要求；6. 制定碰撞试验的基本要求；7. 编制适合我国国情的高速动车组碰撞安全标准草案；8. 高速动车组防碰撞结构区的设计、制造和试验标准；9. 高速列车碰撞防护系统分析与评估办法；10.突发事件下高速列车碰撞后安全能力的评估方法；