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1、第!卷，第#期中国铁道科学$%&!(%#!)*年!月+,-(./.-0 1.23+-4(+45 6 7 8 9:8;，!)*文章编号：#)#!（!)*）)#)#)?韩国高速列车防撞设计与评估 6%A B 3 6%C%，D:6 3%C E%A，,;9 A F G+H%（C%8 6:A/:F&8%:I/6 J 6:8 J H-A J K F K 9 K 6，L F E:A B M F K;，C;%A B B F?)G OHP#的列车相撞作为严重撞击的事故场景，两列行驶速度为QG OHP#的列车相撞作为轻度撞击的事故场景。用有限元方法对C,3 D的防撞性进行了数学评估。一维和二维的仿真分析表明该车整
2、体上具有良好的耐撞性。同时，对动车的前端部分做了三维壳体单元的仿真分析。使用安全带的旅客伤亡试验的结果说明C,3 D的良好性能足以在设置的事故场景中保护旅客的安全。最后，用实比例的撞击试验对仿真方法进行了验证。关键词：高速列车；防撞性能；有限元法；铁路安全；试验评估中图分类号：L!?R 文献标识码：.收稿日期：!)Q )#作者简介：6%A B）中日韩三国铁道技术研讨会”上宣读。#前言同其它交通工具相比，高速列车在方便、快捷、准时和运输效率方面具有非常明显的优势。然而一旦发生意外事故，则会带来严重的人员伤亡和财产损失。#R R Q年=月*日在德国的埃舍德发生一起火车事故。这次事故是由-+4脱轨造
3、成的，导致了R Q人死亡，!)多人受伤的严重后果。鉴于此，许多铁路科技发达的国家为了使事故造成的损失达到最小，在设计车辆时都充分考虑到了车辆的防撞性#，!。美国从#R R R年起开始要求高速列车D-4/!（商业速度为!)G OHP#!*)G OHP#）上必须有防撞性的设计与评估。在不久的将来，欧洲也会把列车防撞性纳入L-+规则中。首先选用合适的事故场景来进行韩国高速列车（C,3 D）的防撞设计。为了提高C,3 D的安全性，在列车前部设计了能量吸收结构。利用S.T，*。利用C,3 D的 N壳模型?对列车前部能量吸收能力、乘客与司机的安全以及车钩强度利用进行分析评估。评估的结果可用于改进列车防撞设
4、计。除此之外，将C,3 D的关于防撞性的分析结果同法国阿尔斯通公司开发的C D U的有关数据进行了比较。最后，通过一个两辆地铁动车组的撞击试验来验证仿真分析的可靠性。!提高C,3 D防撞性的概念设计C,3 D防撞设计事故场景如下。事故场景#：行驶速度为#)G OHP#的列车与#K重的刚性障碍物相撞（3(+5事故场景），存活空间无异物侵入，无爬车现象，乘客减速度低于!。事故场景!：两列行驶速度为)G OHP#（相对速度为=)G OHP#）的列车之间的相撞，存活空间无异物侵入，无爬车现象，乘客减速度低于!。事故场景$：两列行驶速度为QG OHP#（相对速度为#=G OHP#）的列车之间的相撞，存活
5、空间无异物侵入，无爬车现象，乘客减速度低于!。事故场景#主要用于法国D V$高速列车的跨级安全设计。事故场景!用于在严重撞击事故中尽力减少乘客的伤亡，该指导方针已经应用在C D U万方数据上。事故场景!用于最大限度降低站场轻度撞击所导致的对列车车体和电力设备的损害。经过评估和比较多种列车前端结构的概念设计，我们认为列车前端结构所吸收的能量必须超过!#才会满足上述方针的要求。基于一些试验分析结论所设计出来的列车前端结构特点如图$，图%所示。在图%中，区域，#，!，和$分别代表车钩、缓冲梁、主轴箱和铝制蜂窝结构所吸收的能量。图$列车前端结构设计示意图图%列车前端结构能量吸收示意图&防撞性分析与评估
6、!#动车的防撞性（$）列车前端结构设计及其能量吸收特性我们对图$所示的结构设计做了许多改进，最终形成了如图&所示的详图设计。在做详图设计过程中，对每个结构部分都做了撞击分析，例如能量吸收管，主轴箱和铝制蜂窝几部分，从而找到了各部分的撞击特性。图&折线所示就是每个部分平均意义上的能量吸收情况。同样，我们也将()各个部分的结构撞击分析与*+(的结构分析做了比较，图,所示为()前端结构的撞击特性。图&*+(的前端结构图,()的前端结构（%）列车前端结构撞击分析用事故场景做撞击分析以评估列车前端结构在撞击时能量吸收情况。仿真分析结果显示，在撞击试验中*+(前端结构撞击情况都在预先控制之中，如图!和图-
7、所示。与()相比，*+(可以提供一个更好的存活空间。图.所示为其前端结构的初始撞击负荷以及能量吸收特性。虽然()的初始撞击负荷高达$-/0 1，然而其平均撞击负荷最高为%/,0 1。在撞击过程中，()前端可以吸收,2-#冲击力。*+(平均撞击负荷高达&/$-0 1，然而它的初 始撞击负荷较低，仅有./0 1，除此之外，图!*+(撞击后的前端结构变形图图-()撞击后的前端结构变形图%中国铁道科学第%!卷万方数据!#$前端可以吸收%&()冲击力。从上述数据对比中我们可以发现!#$前端结构的冲击力吸能性能要优于!$*的前端结构。因此，在事故场景!撞击条件下，!#$前端设计的防撞性能要优于!$*。很自
8、然在事故场景条件下会得出相同的结论，因为事故场景的条件在设计上要比场景!更为苛刻。图+列车前端结构的撞击反应（,-./01,）（2）驾驶员安全分析为评估在平行道口事故中驾驶员的安全状况，我们在事故场景!中（设置了一个佩戴安全带的%-3混合#型假人来做模拟试验。图与表,分别显示了在撞击试验中驾驶员的行为和受伤指数。模拟结果显示!#$的前端结构有良好的防撞性。图撞击后驾驶员的行为（!#$）表!在#$%场景中的受伤指数（!&()*!）4 5胸部 6腿部.7标准标准汽车,-8-&-,-&-安全守则机车%-2-&-%&-推荐!#$,-,&%9 9&-:&-满足建立（:）动车防撞性我们用一个真实条件下的试
9、验：以,-./01,的速度运行的列车与,%;重的自动倾卸卡车相撞来评估!#$的动车在平交路口事故中的防撞性。为了更接近于真实情况，我们模拟了列车与卡车撞击的两种情况：正面撞击和侧面撞击。图所示为正面撞击结果，图,-所示为侧面撞击结果。图中所示列车前端撞击后的形状与其初始设计类似，司机室并无毁损。图时速为,-./的列车与,%;重卡车正面撞击后的列车形变图图,-时速为,-./的列车与,%;重卡车侧面撞击后的列车形变图!#车钩处的防撞性通过模拟试验可以证明，位于前端结构的能量吸收管、铝制蜂窝结构以及缓冲梁都以一个控制良好的顺序逐渐崩溃，这与预期设计相符。同时，这些前端结构的防撞设计应有助于预防车钩处
10、发生故障。为了评估车钩处接头受到的损伤，使用了动力机车、带电机的拖车和旅客车辆的耦合模型进行连续撞击的数值分析。严重撞击场景比如场景!和场景是作为用于这些分析的撞击条件。上面情景的连接模型的分析结果表明塑性应变2第,期韩国高速列车防撞设计与评估万方数据图!#$%中带电机的拖车和中间拖车的车钩处的塑性应变（!&()*!）图!+#$%中带电机的拖车和中间拖车的车钩处的塑性应变（,&()*!）低于,-，车钩处接头无损伤。图!和图!+为连接模型的分析结果，用来评估连续撞击。!整列列车蹬防撞性评估（!）运用!.动态模型进行防撞性评估通过运用/.壳体模型进行分析，可以计算出车体每个部分的冲撞特性数据，见图
11、!/和表+。电气设备和转向架的质量可以通过各个成分的流程图分别计算，有了这些数据后，就可以建立一列有+&辆车的#$%动力学模型，如图!0所示。三种事故场景下整列车碰撞仿真分析结果如表/所示。结果表明在旅客安全和司机保护方面#$%较%1有更好的防撞性能。图!/#$%部分分类表!每个部分的防撞性能部分特性234.567#%1平均挤压力 8压缩距离(9/:&9+&,&0;&0&+&,&0;&0&+9,+0&0&!9!+#$%平均挤压力 8压缩距离(/+,&+&+/,&0&0;&0&+&,&0+!0,&+9,+:!;&,!9!+图!0#$%动车的质量分布数据0中国铁道科学第+;卷万方数据表!#$%与%
12、&在三种事故场景下的比较场景!#$!$%场景!#$!$%场景#!#$!$%最大作用力&()*+,(-.+,/,.,前端变形 0 0+).*挤压.,挤压+)+,挤压*.,挤压1,挤压+/,挤压司机室的变型 0 0(弹性*2,挤压*弹性/.,挤压+3 2 弹性.弹性4 5主要部分变形 0 0+-塑性-,挤压+2 塑性1,挤压.3.弹性.挤压6$旅客车厢变形 0 0+2 弹性+/弹性/1 弹性*(.,挤压+)3/弹性+1 弹性盘形缓冲器的变形 0 0/.正常/1.正常(,(故障(,(故障+/,正常/2,正常4 5监控的最大加速度!)司机室+*司机室.司机室)3)司机室/3(中间部分.3(中间部分6$
13、7旅客车厢最大加速度!/3 2.(3*./3(3(安全评估司机风险较低司机风险较高司机和旅客都是安全司机和旅客有危险损坏发生在可更换零件处车体以及电气零件被损坏（/）运用/8动态模型的防撞性评估运用+8动态分析，可以方便地评估出整列车防撞性设计的总体性能，但是它不能模拟爬车现象以及垂直方向不同位置零件所受到的冲击力。基于对这些设计因素的考虑，应该设计并分析一个/8动态模型以评估车钩处零件的动态反应。事故场景!，即+列运行速度为+,&09:+的列车与+.;刚性物体的撞击场景可用/8动态模型。分析结果显示，盘形缓冲器在吸收了动车和带电机拖车之间的冲击能后的垂直位移仍保持在防爬扣板公差内（1,0 0
14、），见图+.。另一方面，对于在临近车厢主要连接器球窝接头而言，!#$较之!$%有较低的冲击力，见图+-。从!$%到!#$，图+.盘形缓冲器的相对垂直位移图+-球窝接头的轴向力去掉了连接部件的环状结构比如销、钩爪和钩子，能够减低爬车和冲击力反应。!#使用安全带的旅客安全性评估旅客安全可以利用商业软件比如?或6 8 A6B进行数字评估。然而，对于撞击中由于各种未知因素引起的旅客伤亡是无法准确预测的。因此，使用假人做的旅检伤亡试验是一个预测旅客伤亡更为现实并且可靠的方法。图+)是用来评估旅客伤亡试验设备和 A C D旅检伤亡试验图表。试验条件是通过旅客车厢的冲击加速度数据确定的，这一数据可以通过+8
15、动态模型分析获得。表(为每次撞击条件下的旅客伤亡情况。表旅检伤亡试验结果（/.,0 E三角波形，.,;9F混合#（.,F），一等座位）峰值加速度 G 5胸H腿部&颈部评估*3/H.1 3 12 3)(3*,3 1 2旅客风险低.H1,3 2+3 1(3)+3,/颈部受伤严重1H2-3/+/3/(.3(,3(+座位完全失灵，非常危险7（I J 联邦铁路管理局）规则汽车+,3,-,3,+,3,+3,严重伤亡（死亡率超过/,F）机车车辆.,3,*,3,.3,:给铁路旅客的建议!$()*车辆撞击试验为了评估防撞性和确认安全，应该使用真正的列车车辆进行撞击试验，但实际上是有局限性的，比如资金困难以及试验
16、设备问题。使用数值分析方法进行评估可能是最容易的一种方法，但是如果在设计阶段忽略了数值误差，可能对旅客安全造成致命的影响。因此，应通过实比例试验验证数值分析技术的可靠性。试验研究所用的D 6K车辆和钢轨是由一家韩.第+期韩国高速列车防撞设计与评估万方数据国火车厂商!#$%&(提供的。试验中的车辆是由不锈钢材料制造的$%)客车，在某一车站进行以*+,-./0速度行驶的车辆与另外一辆同样类型车辆相撞的试验。表+为试验车辆的规范，图0 1为试验车辆测量设备和车辆内部的设计图案。试验结果显示在司机室内水平加速度最大误差为0 2(3 4，客 车 车 厢 垂 直 加 速 度 最 大 误 差 为*2(2 4
17、。图0 5为试验结果和分析结果的加速度比较图表。表!试验车规范移动车固定车车辆长度-*06 3 7*06 3 7车辆宽度-27 1*27 1*车辆高度-21 6 121 6 1车辆重量 80*（空载）3*（有效载荷）转向架重量 811其它/停车制动（0 7 7,9）图0:旅检伤亡试验系统图0 1试验车和数据获取系统图0 5试验和;$?#动车与0个0+8刚性障碍物相撞时，或*列相对速度为6 7,-./0的相同类型的车辆相撞时，司机室内不会崩溃，可以保证司机的逃生空间。（*）&，%#和客车拖车的混合编组的仿真分析结果表明，车钩处的塑性应变少于别6 4，因此车钩不会断裂。（2）从0 A撞击分析结果可
18、以看出，在司机保护、旅客安全以及电气零件和其他设备的保护方面，=?#较=#B更具优越性。（3）*A撞击分析评估了爬车现象和球窝接头的冲击力。爬车位移非常小，不会导致安全问题。与=#B比较，=?#减低了对球窝接头的冲击6中国铁道科学第*+卷万方数据力。（!）通过使用安全带的旅检伤亡试验可以评估旅客伤亡情况，结果显示减速度在!的试验条件下，颈部会遭到严重损伤。减速度在!的试验条件下，由于座位背的完全失灵可能会造成致命伤害。（#）为了验证数值仿真的可靠性，进行了实比例车辆的试验研究。将试验车辆的撞击加速度与数值仿真的加速度做一对比，可以看出结果基本相符，最大误差为$%&。参考文献()*+,-./0
19、1 2,3/.4 5 67 8 9:;/.8?6=3/+9/.,2，A A!B(2;C()+8?3D.8 E/+.0F+?G=/=?H=F1 A A!1$*CF E=+?，)*=9.8 3，I*=J=K L=1 .6 6 8 J=;.G=3 MF+?H=3 62 (DN O$!%I 8=6=ED.8 E H./)1P F D D，A A O，I：#O 1Q2C./8 6 6.E，RC./9 L=3，I/.S=3 8 H，TD.J.E./0 1 F/.6:R=:.J 8+/+GU L 8 0=0V=:8 H E=)1 U(F2 E 6 3+/,=H:?8 H.ED=WJ 8=X，A A$，（A）
20、1Y+4 8+Z:?8 6:8，+8P.0.，C 8 3 6 L 8 T+6:8?+，;.?+1 F/.6:X+/3:8?=6 6+G .8 =8(E=H 3/8 HC L E 3 8 /.8?1川崎重工技報1!RC./9 L=3，)FI L,.6 1 F/.6:X+/3:8?=6 6+GI+L-E=*=J=ED+E E 8?9;3+H 4 6C1 A A!1#I.J 8 0F M/=E E，)+:?_+E+H 4，F./+E 8?=V.?E?9=/W I L?1 D.8 E .6 6=?9=/(K L 8 =6 3 6：2?.E M 6 8 6+GZ H H L I，$%，A 1OI.J 8
21、 0F M/=E E，(E+M(C./3 8?=S，+,.6 SP=8=/S-8 H 4 8 1 F/.6:X+/3:8?=6 6;3 L 0 8=6+G*+H+,+3 8 J=P 8 0=+6=;:+/37+0I=6 8 9?6)1 2;C(2C I，A A A，Y!1!#$%&()*+,-$./%(0 1%23&4(+(5-%6 4 7 4#8 6 4 8#$9$,()&%&.3-#%(,%0)=+?9 W;=+，.=W;+X+?，7 M L?W)8 4F:+（+/=.?D.8 E/+.0D=6=./6:B?6 3 8 3 L 3=，V 8 X.?9 W H 8 3 M，L+?9 9 8
22、W I+Y Q O W%!%，+/=.）3:,4#%6 4：;3 L 0 8=6 8?0=3:3:=.?3 8 W 8,1;=E=H 3 6 6=/8+L 6 H.6=6+G.!3,+J=.-E=+-6 3.H E=-=8?9:8 3.3%4,:，.H.6=+G H+E E 8 6 8+?-=3 X=?3 X+3/.8?6.3 Q%4,:，.?0.H.6=+G H+E E 8 6 8+?-=3 X=?3 X+3/.8?6.3 4,:1 7;8,.H 3 3=6 3:.6L?0=/9+?=,.3:=,.3 8 H 6./.8 6.EX 8 3:G 8?8 3=E=,=?3,=3:+0 1Z?=W
23、 0 8,=?6 8+?.?0 3 X+W 0 8,=?6 8+?8,.H 3.?.E M 6 8 6/+J=6 3:.3 3:=6 3/L H 3 L/=:.69+0.?3 8 W 8,:=E+.0.?.E M 6 8 6.?03:=9+0 =/G+/,.?H=8 6 6 3/+?9=?+L 9:3+=?6 L/=3:=6.G=3 M+G 3:=.6 6=?9=/6.3 3:=K L 8 =0 3/.H 4 1 B?3:=?0，X=J.E L.3=+L/,.3:=,.3 8 H 6 H.E H L E.3 8+?,=3:+0X 8 3:3:=:M 6 8 H.E6 H.E=8,.H 3 3=
24、6 3 1!$21#.,：7 8 9:W 6 =0 3/.8?；2?3 8 W 8,.H 3 =6 3.?0.W/.8 6.E翻译：周颖，周艳芳译审：刘金朝（责任编辑刘卫华）O第期韩国高速列车防撞设计与评估万方数据韩国高速列车防撞设计与评估韩国高速列车防撞设计与评估作者：Jeong-Seo Koo，Tae-Soo Kwon，Hyun-Jik Cho作者单位：Korean Railroad Researsh Institute,Uiwang-city,Kyonggi-Do 437-050,Korea刊名：中国铁道科学英文刊名：CHINA RAILWAY SCIENCE年，卷(期)：2004,25
25、(1)被引用次数：10次 参考文献(7条)参考文献(7条)1.E J Lombard Amtraks High Speed Trainset Program 19952.L M Cleon.J Legait.D Leveque Passive Safety Concepts Applied to TER X7250 Diesel Railcar 19973.A Marissal.B Marguet.P Drazetic.Y Ravalard Crash Behavior of Guided Vehicle 1992(09)4.Tokio Ohnishi.Koji Wada.Mitsuji Yo
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27、 E Martinez.Tomasz Weierzbicki Crashworthiness Studies of Locomotive Wide NoseShort Hood Designs 1999 本文读者也读过(4条)本文读者也读过(4条)1.G Lu.徐荣华 耐碰撞车辆的撞击性能期刊论文-国外铁道车辆2005,42(5)2.王晓宏.牛广勤.郝海军.鲍跃华.WANG Xiao-hong.NIU Guang-qin.HAO Hai-jun.BAO Yue-hua 智能化电机车防撞系统的可行性研究期刊论文-煤2009,18(2)3.田红旗.许平 吸能列车与障碍物撞击过程的研究和分析期刊论文
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