动车组行李架耐撞性分析及优化设计_高广军.pdf

第 20 卷 第 4 期2023 年 4 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 4April 2023动车组行李架耐撞性分析及优化设计高广军，宋瑜嘉，于尧，关维元(中南大学 交通运输工程学院，轨道交通安全教育部重点实验室，湖南 长沙 410075)摘要：现有列车行李架仅考虑静载荷要求，为了提升动车组列车行李架耐撞性，降低碰撞事故中乘员二次损伤的风险，开展250 km/h标准动车组列车行李架的碰撞特性研究和耐撞性优化设计。首先，基于LS-DYNA显式非线性有限元程序，建立动车组列车行李架有限元模型，仿真分析现有动车组列车行李架结构碰撞响应；其次，采用加宽安装座并在行李架端部加装蜂窝吸能结构和调整螺栓预紧力的方法对行李架耐撞性进行设计，对改进后行李架的碰撞响应进行参数分析；最后，以螺栓预紧力、蜂窝吸能结构压缩强度和托架拉杆厚度作为设计变量，以比吸能、位移和冲击峰值力作为设计目标，采用优化拉丁超立方试验设计获取样本空间，构建设计变量和设计目标的响应面近似模型，选用NSGA-II遗传算法对行李架进行耐撞性多目标优化设计。研究结果表明：现有动车组行李架结构碰撞后安装螺栓失效，行李和行李架掉落，存在对乘员造成损伤的风险；改进后的行李架在碰撞时沿安装座滑动并压缩蜂窝吸能结构，通过行李架与安装座的摩擦和蜂窝材料塑性变形耗散行李碰撞动能，行李未发生掉落；多目标优化设计后得到行李架耐撞性Pareto前沿，行李架在平衡解处具有更优异的耐撞性能，且优化与仿真结果误差在5%以内。关键词：动车组行李架；数值仿真；耐撞性；优化设计中图分类号：U270.38 文献标志码：A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7029（2023）04-1469-09Crashworthiness analysis and optimization design of EMU luggage rackGAO Guangjun,SONG Yujia,YU Yao,GUAN Weiyuan(Key Laboratory of Traffic Safety of Ministry of Education,School of Traffic and Transportation Engineering,Central South University,Changsha 410075,China)Abstract:Due to the existing train luggage rack only considers the static load requirements,collision characteristics research and crashworthiness optimization design for 250 km/h standard EMU train luggage rack were conducted.The goal was to improve the crashworthiness of EMU train luggage rack and reduce the risk of secondary damage to occupants in the train collision accidents.First,the finite element model of EMU train luggage rack was established based on the LS-DYNA explicit nonlinear finite element program,and the collision response of the existing EMU train luggage rack structure was analyzed through simulation.The method of widening the installation seat and adding honeycomb energy absorption structure at the end of the luggage rack 收稿日期：2022-04-18基金项目：国家自然科学基金资助项目(51975588)通信作者：高广军(1973)，男，河南安阳人，教授，博士，从事列车撞击动力学与被动安全防护技术等研究；Email：DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20220757铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 4月and adjusting the bolts preload force was proposed for the luggage rack crashworthiness design,and the parameters of the improved luggage rack collision response were analyzed.Finally,the bolt preload force,honeycomb energy absorption structure compression strength and bracket pull rod thickness were selected as design variables.The specific energy absorption,displacement and peak crash force were set as design targets with their sample space obtained by optimal Latin hypercube test design.The approximate response surface model for design variables and design targets was established.The NSGA-II genetic algorithm was used to perform the multi-objective optimization design of luggage rack crashworthiness.The research results show that the luggage rack installation bolts failed,and the luggage with its rack fell off after the collision,which is a risk of injury to the occupants.The improved luggage rack slid along the installation seat and pressed the honeycomb energy absorption structure.Through dissipated the collision kinetic energy by friction between luggage rack and installation seat and plastic deformation of the honeycomb material,the luggage did not fall off.The Pareto front of luggage rack crashworthiness was obtained by the multi-objective optimization design,the luggage rack has better crashworthiness at the balance solution,and the error between optimization and simulation results are within 5%.Key words:EMU luggage rack;numerical simulation;crashworthiness;optimization design 在铁路行业快速发展的同时，碰撞事故难以避免，近年来全球范围内发生多起列车碰撞事故，占造成重大人员伤亡列车事故的 56%，其中二次碰撞又是造成乘员受伤的主要原因1。二次碰撞是指车辆碰撞事故中乘员在减速度作用下与车内部件或其他乘员发生碰撞，行李架作为列车内饰主要部件，对其进行耐撞性设计可以提升其被动安全性，降低乘员二次碰撞损伤风险。列车车体耐撞性起步较早，现已有多种变形模式稳定吸能效率高的车体吸能结构。而列车内饰安全的研究则相对较少，且多集中在乘员与桌椅的研究。行李架作为高速列车内饰关键部件，主要分为车厢上方的顶置行李架和车厢连接处的大件物品行李架。我国列车顶置行李架的设计缺乏自己独立的设计体系，主要还是借鉴模仿国外列车行李架。近些年也有学者进行了一些优化改进研究。曲晓阳等2介绍了 200 km/h 动车组行李架设计原则及方法，阐述了动车组行李架模块化设计的优点。潘美风3介绍了CRH1A动车组行李架关键创新技术和研发过程，并通过试验验证优化了设计的有效性和合理性。刘已轩等4基于CRH1型动车的行李架进行了人机工程学研究，使旅客们可以更加方便地取放行李。吴娟5对列车行李架进行人性化设计，提取小件行李架样本特征，建立造型特征素材库，对特征样本进行评估，为设计人性化造型特征提供参考。王晓明等6基于拓扑优化的设计思想，对行李架结构材料布局进行优化设计，采用准则法对优化问题进行求解，并对最优结构的强度及模态进行校核，证明了设计方案的有效性。王宇驰等7基于有限元法，结合动车组行李架内部结构分析，提出了行李架结构优化建议。赵睿虎8对动车组行李架进行轻量化设计，提出了一种新型镁合金行李架结构，进行有限元仿真计算，并对实际样件进行加载测试，验证其结构及功能的可行性。牟少弟等9对行李架的轻量化进行研究，通过对新材料行李架进行相关试验，对高速列车行李架隔板部件轻量化研究方面进行了探讨。由上述可见，目前对行李架的研究大多停留在轻量化及人机工程学层面，对其耐撞性鲜有研究。英国 GM/RT2100铁道车辆结构标准10中对车辆内饰耐撞性做出了规定，其中行李架的设计目标是确保在碰撞事故中行李能够保持原位，使乘员被掉落行李砸伤的风险最低。因此，本文对现有动车组行李架进行冲击研究，分析其耐撞性，并通过加装吸能结构和调整螺栓预紧力对行李架进行耐撞性优化设计，使行李架在碰撞时通过滑动摩擦与材料塑性变形耗散行李动能，防止行李掉落，提升其被动安全性。1 行李架耐撞性分析1.1行李架有限元模型目前，列车行李架每节主要有以下几个关键1470第 4 期高广军，等：动车组行李架耐撞性分析及优化设计部分构成：端部托架，通长的前、后型材，底部托板以及便于安装的安装座。各部件连接方式为插接和螺栓连接等，行李架通过螺栓、滑块与车体连接。关于行李架螺栓选型，需重点考虑的是托架与车体连接的螺栓，前、后型材与托架之间可选用M5等级及以上的螺栓，托架与车体之间则选用M8等级及以上的螺栓11。本文选用我国某型列车行李架几何模型在HYPERMESH中进行建模，如图1所示。网格划分过程中忽略较小的圆角、倒角以及非关键部位螺栓连接等细节，提升计算效率。模型中行李架托架划分为3个部件，根据不同部件划分网格类型和材料属性。行李架托架与安装座连接螺栓为8.8级M8国标螺栓，螺栓建模方式采用2节螺栓，有限元模型中间通过一个beam梁单元连接。梁单元轴向失效应力为600 MPa，剪切失效应力为160 MPa，失效方式选择应力基准失效。行李架各部件材料属性等参数见表1。单节行李架长1 900 mm，总质量43.4 kg。行李选取20寸标准行李箱大小进行建模，具体尺寸为：500 mm340 m