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地鐵列車的碰撞事故，不僅會造成車輛的直接損壞，而且會威脅到列車上乘客的生命安全為實現列車乘員安全保護，減少事故損失，對地鐵端部吸能裝置的要求也越來越高，所以分析研究地鐵車輛端部吸能裝置已經成為現階段研究的熱點問題。理想的車輛吸能結構應當位于車體的前后部分，在可控制的變形區域內發生塑性變形，吸收撞擊動能，同時保障乘客區域不發生嚴重破壞，并且在碰撞過程中不會產生過大的撞擊力峰值，使撞擊減速度在人體的承受范圍內。

防撞壓潰管安裝于地鐵列車的車鉤上，具有較大的能量吸收能力，是一種不可恢復變形的能量吸收裝置。對于地鐵壓潰管來說，一般采用薄壁管吸能構件。在正常使用中，車鉤在受到牽引工況時，牽引載荷會通過壓潰管內部的剛性連接來傳遞，變形元件不受到影響；車鉤在受到壓縮工況時，車鉤的壓載荷遠低于壓潰管的設定力值，變形元件不發生動作，壓縮能量由車鉤緩沖器來吸收。當列車碰撞速度大于10km/h時，車鉤受到的縱向壓載荷大于壓潰管設定值，壓潰管就發生作用產生塑性變形，最大限度吸收沖擊能量，以達到保證車上人身安全和保護車輛設備目的。

1 模型建立

1.1 幾何模型

以國產某型號地鐵前端防撞壓潰管為研究對象，整個吸能薄壁管的壁厚為t為6mm，長和寬為 130mm×80mm，高 H為 700mm 的薄壁管，在壓潰管上端進行挖槽，槽的長寬深為110mm×8mm×4mm。并經其將其安裝在固定剛性墻上，固定剛性墻長和寬為190mm×140mm，厚度為1mm，其幾何模型如圖 1 所示。

                                                            

1.2 有限元模型

1）網格劃分

為了研究防撞壓潰管的耐撞性，本文使用非線性有限元軟件 LS-DYNA 對其進行數值仿真分析。利用 Hypermesh 前處理軟件對吸能結構的幾何模型進行網格劃分，得到如圖 2 所示的有限元模型，包括壓潰管、固定剛性墻以及壓縮墻三個部分。為了準確模擬吸能結構的變形，采用 4mm×4mm 的四邊形殼單元，單元厚度方向采用3點積分，面內采用單點積分。在模擬碰撞時，吸能結構的自接觸采用“AUTOMATIC_SINGLE_SUＲFACE”接觸算法。接觸的靜摩擦因數設為0.3，動摩擦因數設為0.1。

1.3 材料模型

防撞壓潰管材料為鋁合金，為了獲得材料的力學性能，查閱相關文獻得到材料的參數，如表 1 所示。使用 LS-DYNA 材料庫中的 Mat 024 材料模型定義防撞壓潰管的材料屬性。

表1 壓潰管材料參數

屬性	參數
密度/(kg.m-3)	2650
楊氏模量/MPa	70000
泊松比	0.33
屈服應力/MPa	200
極限應力/MPa	250

1.4邊界條件及計算

約束防撞壓潰管圓柱殼下端節點在 X、Y、Z 方向上的轉動和 X、Y 、Z方向上的平動自由度。施加如圖 3 所示的一個壓縮速度25Km/h，定義沙漏粘性屬性為5，最后提交LS-DYNA 計算。

2 結果分析

完成求解設置后提交 LS-DYNA 進行計算，仿真的撞擊持續時間為75ms，圖 4 為防撞壓潰管分別在 0ms、15ms、30ms、45ms、60ms、75ms 時刻的變形以及應力分布。

圖 5 為防撞壓潰管壓縮過程的能量關系曲線圖，主要包括動能、沙漏能、總能以及內能。從圖中的能量曲線圖中可以看出沙漏能遠小于總的能量，說明模型的精確度很高，一般為保證求解精度，沙漏能要小于總能量的 10%。

3 結論

本文建立了防撞壓潰管的有限元模型，基于 LS-DYNA 進行數值仿真。該有限元模型能有效提高分析效率。結果顯示，在下防撞壓潰管在軸向沖擊25km/h下發生軸對稱屈曲，即在可控制的變形區域內發生塑性變形，吸收撞擊動能，具有較好的吸能效果。