外文翻譯（中文）--關(guān)于現(xiàn)在和未來的電力動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架上防撞性防護(hù)欄的有效設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　中文6125字</b></p><p>　　出處：Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit, 2001, 215(3): 217-230</p><p>　　Design of

2、 an efficient crashworthy lifeguard for current and future electric multiple unit bogies</p><p><b>　　中文翻譯</b></p><p><b>　　關(guān)于現(xiàn)在和未來的</b></p>

3、<p>　　電力動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架上防撞性防護(hù)欄的有效設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　防護(hù)欄是一種吸能裝置，安裝在司機(jī)室下面轉(zhuǎn)向架的前端邊緣。這些裝置的主要功能是消除輪軌間障礙物和通過其塑性變形來吸收碰撞過程中的多余的沖擊能量。這篇文章提出了針對(duì)于465型動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架上鋼型防護(hù)欄的變形和失效的調(diào)查研究。在嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)下，本次

4、需要同時(shí)在靜態(tài)和沖擊載荷的條件下對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)估。把35KN的水平施加在鄰近輪對(duì)的縱向軸上，在這種靜態(tài)狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向架和軸箱上的附件都沒有發(fā)生變形，因此可以證明防護(hù)欄具有抵抗變形的能力。變形的過程是在頸端或是窄的地方形成塑性鉸鏈，然后已經(jīng)變形的尖端會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。引起塑性變形的特征載荷是40-58KN，但是當(dāng)載荷上升到60-67KN時(shí)，尖端會(huì)繞著單自由度的鉸鏈進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。在沖擊載荷條件下，防護(hù)欄的失效原理與在靜態(tài)條件下的相同，但是不同的是失效的

5、過程。當(dāng)達(dá)到那個(gè)載荷點(diǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)局部的彈性缺口，然后所有的軸的頸端會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致其尖端發(fā)生三維的變形，這時(shí)的載荷是靜態(tài)狀態(tài)下的3.5-3.8倍。在已有的轉(zhuǎn)向架實(shí)驗(yàn)結(jié)果中得到的失效原理的基礎(chǔ)上，可以利用有限元原理得出基本的理論預(yù)測(cè)。計(jì)算機(jī)的輸出結(jié)果也與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有著良好的關(guān)聯(lián)性。</p><p>　　關(guān)鍵詞：防護(hù)欄，電動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架，防撞裝置，防撞性，防撞裝置， 塑性破壞</p><p>

6、<b>　　簡(jiǎn) 介</b></p><p>　　脫軌是常見鐵路事故情況中的一種，占最近40年所發(fā)生的火車事故總數(shù)的三分之一。HMSO出版的報(bào)告和文獻(xiàn)資料的統(tǒng)計(jì)分析表明在近些年許多重大的鐵路出軌事故的原因可以歸納成以下幾條：</p><p>　　1、最初兩輛火車發(fā)生碰撞，然后會(huì)使承受著高壓力的輪軌發(fā)生分離，從而引起脫軌。這種情形發(fā)生在1988年12月12日發(fā)生脫軌的的

7、Clapham Junction火車、1997年11月3日發(fā)生脫軌的Texas火車和1999年10月5日發(fā)生在Paddington車站附近的 Ladbroke Grove火車；</p><p>　　2、當(dāng)火車高速通過曲線時(shí)，也會(huì)引起脫軌事故。這種脫軌類型發(fā)生在1997年11</p><p>　　月日的Kurla、1998年7月4日的Sao Paulo和2000年10月17日的Hatfi

8、eld；</p><p>　　3、若火車的底架發(fā)生故障，例如破損的輪對(duì)或受損的齒輪杠桿，就會(huì)發(fā)生脫軌事故。1998年6月4日,Hamburg-boundde的城際快軌在距離Hannover的35里的地方發(fā)生脫軌，這次是有100人死亡的惡性事故，它是歐洲近來一個(gè)世紀(jì)中第三大惡性脫軌事件；</p><p>　　4、火車沖撞到惡性放置的石頭、板或從山上掉落的巖石、雪和天然的滑坡還有動(dòng)物或車輛的橫

9、向穿越也會(huì)引起脫軌事故。1995年5月21日，當(dāng)一群青少年把一塊板放在Missouri的鐵軌，從而引起火車的脫軌；1999年11月28日發(fā)生在日本的脫軌事故與發(fā)生在Missouri的相似，但是當(dāng)時(shí)是由于隧道一塊脫落的混泥土才引起的脫軌。</p><p>　　最近的數(shù)據(jù)分析表明許多的脫軌事故都是因?yàn)殍F路軌道引起的。例如在英國這種方式的脫軌占近30年歐洲鐵路碰撞總數(shù)的28％、占致命傷害的45％。這么高的死亡數(shù)據(jù)已經(jīng)引

10、起民眾的恐慌，歐洲鐵路經(jīng)營者和制造商尋找到能夠減少脫軌事故和乘客死亡數(shù)量的方法，即是設(shè)計(jì)了一種吸能裝置，它既可以清理鐵軌上的障礙物又能通過塑性變形吸收變形過程的能量。</p><p>　　本次調(diào)研的裝置就是防護(hù)欄擋板，它被安裝在司機(jī)室下面轉(zhuǎn)向架的前端邊沿。這篇文章介紹了465級(jí)電動(dòng)車組防護(hù)欄在準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷下的耐沖撞性性能。</p><p><b>　　防護(hù)欄的說明</b

11、></p><p>　　465級(jí)電動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架需要滿足的專鐵路產(chǎn)品規(guī)格如下所述：</p><p>　　1、防護(hù)欄應(yīng)該安裝在司機(jī)室下所有轉(zhuǎn)向架的前沿，可以清除輪軌接觸面上的障礙。在懸掛裝置傾斜和輪子磨損嚴(yán)重的最不利組合條件下，每個(gè)防護(hù)欄的底部邊緣距離鐵路鐵道的高度必須符合鐵路準(zhǔn)則的允許的最低高度20mm。但在空車工況和新輪對(duì)的組合下，防護(hù)欄的底部邊緣離鐵路軌道應(yīng)滿足車輛界限中不超過10

12、0mm的高度的條件。</p><p>　　2、在防護(hù)欄的底部邊緣的縱向上水平地施加持續(xù)不變的集中載荷35KN到鄰近的</p><p>　　輪子的，這時(shí)防護(hù)欄應(yīng)該具有承受能力，以保證轉(zhuǎn)向架和轉(zhuǎn)向架的附件軸箱都不會(huì)發(fā)生變形。當(dāng)載荷大于35KN時(shí)，防護(hù)欄會(huì)發(fā)生塑性變形，但是不會(huì)影響到列車的安全運(yùn)行或碰撞到鐵路軌道和運(yùn)行的齒輪（如圖1）。對(duì)于那些不滿足規(guī)范的防護(hù)欄，特別是垂向變形過大甚至?xí)鲎驳借F

13、路軌道時(shí)，它將會(huì)被重新評(píng)估且得到改進(jìn)來滿足現(xiàn)有的設(shè)計(jì)則束。</p><p>　　3、當(dāng)有質(zhì)量為25kg的物體以13.5KJ的速度縱向沖撞防護(hù)欄鄰近的底部邊緣，轉(zhuǎn)向架會(huì)在縱向上發(fā)生少于25mm的塑性變形。</p><p>　　圖1 防護(hù)欄與軌面的關(guān)系圖</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)</b></p><p>　　3

14、.1防護(hù)欄與轉(zhuǎn)向架間的連接</p><p>　　每個(gè)轉(zhuǎn)向架是由構(gòu)架、懸掛系統(tǒng)、輪對(duì)、牽引電機(jī)、制動(dòng)模塊和許多其它的小構(gòu)件（如圖2）。因此防護(hù)欄通過M24的螺栓被安裝在司機(jī)室下端轉(zhuǎn)向架的前端邊緣。它們的定位主要取決于沖撞的安全要求和規(guī)定中離軌面的最小允許高度間隙。</p><p>　　圖2 轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　3.2防護(hù)欄的準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)試</p>

15、;<p>　　防護(hù)欄的準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)試是在最大容量為250KN的DARTEC試驗(yàn)機(jī)以1×10-5m/s的速度進(jìn)行的。每個(gè)防護(hù)欄采用M24的螺栓嚴(yán)格連接到專門為其設(shè)計(jì)的固定安裝件上，其安裝件是模擬實(shí)際轉(zhuǎn)向架軸箱的。這種固定安裝件被牢固安裝在DARTEC砧座上，而且它的十字夾頭降低到樣品的上表面（如圖3）。然后施加壓縮載荷，并且載荷的分布應(yīng)滿足最小彈性位移，直到十字夾頭發(fā)生大概50mm的位移。此后，由于樣品底部會(huì)產(chǎn)生巨大的

16、水平力，所以測(cè)試停止。</p><p>　　圖3 防護(hù)欄在壓縮載荷狀態(tài)下</p><p>　　因此，一種新型的準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)誕生了（如圖4），樣品被確保上下顛倒的安裝在這個(gè)裝置上，以致于裝置在不引起樣品的側(cè)向力的同時(shí)而處于拉伸狀態(tài)。在樣品后端上鉆一個(gè)28mm的孔，這樣方便鏈條從此穿過（如圖4）。這個(gè)裝置改進(jìn)了試驗(yàn)機(jī)的性能和確保能夠全方面的測(cè)試樣品，其最大行程超過100mm。線性變化的位移傳

17、感器一端連接在數(shù)據(jù)記錄器上，另一端連接在樣品上，來記錄防護(hù)欄前端拐角X剖面的位移變化。防護(hù)欄在X、Y、Z軸上分別進(jìn)行測(cè)試，下面記錄的結(jié)果都是10次測(cè)試的平均值。</p><p>　　圖4 防護(hù)欄在拉伸載荷狀態(tài)下</p><p>　　3.3準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)試的結(jié)果</p><p>　　一些準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)在表1中，而圖5,7,9分別表明防護(hù)欄LE1-65、LF2-57和L

18、F3-50的典型載荷變化特性。聯(lián)合分析這些曲線和表1中的數(shù)據(jù)，可以看出當(dāng)由于剛度降低所引起的頻率變化時(shí)，剛度特性在施加載荷達(dá)到某個(gè)特定值后直到屈服極限之間都成線性增加。例如LF1-65，最先達(dá)到屈服極限的是防護(hù)欄前端的頸部部分。當(dāng)載荷為64KN時(shí)，樣品會(huì)發(fā)生大約30mm的位移，它的剛度會(huì)發(fā)生第二次變化。在這時(shí)，與剛性安裝件連接的螺栓端部會(huì)形成第二次塑性鉸。更進(jìn)一步的研究表明，在靠近上邊螺栓的地方使防護(hù)欄稍稍離開剛性轉(zhuǎn)向架時(shí)，載荷會(huì)稍微減

19、少。此后，盡管載荷稍微減少，變形會(huì)在繼續(xù)增加50mm，直到所有測(cè)試在64KN 時(shí)停止。</p><p>　　對(duì)于LF2-57，它的曲線特性載荷為48KN時(shí)，對(duì)應(yīng)的位移為11mm，它的曲線特性成線性增加，直到到達(dá)屈服極限點(diǎn)。之后，載荷進(jìn)一步增加到68KN時(shí)，位移為50mm，就會(huì)出現(xiàn)第二次轉(zhuǎn)折點(diǎn)。正如第一組測(cè)試所發(fā)現(xiàn)，再一次研究表明第二個(gè)塑性鉸仍發(fā)生在上端螺栓的端部。盡管剛度發(fā)生改變，當(dāng)載荷上升到最大載荷69KN時(shí)，

20、其位移大約為55mm，曲線只會(huì)稍微上升。</p><p>　　另一方面LF3-50防護(hù)欄的曲線特性與其他防護(hù)欄的都不同。它的失效過程被分成2個(gè)部分，當(dāng)載荷小于41KN時(shí)，力-位移曲線上升趨勢(shì)較陡，到達(dá)41KN，它的頸部會(huì)發(fā)生彈性鉸，這時(shí)剛度大幅度下降。當(dāng)載荷繼續(xù)上升到68KN時(shí)，位移會(huì)在78mm附近波動(dòng)。</p><p>　　圖6表明了LVDT的X位移與十字夾頭位移的關(guān)系。LVDT的負(fù)位移

21、表示樣品前端拐角向外移動(dòng)。曲線上第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在十字夾頭的位移為12mm時(shí)，這時(shí)樣品就達(dá)到了第一個(gè)屈服極限點(diǎn)。當(dāng)十字夾頭的位移為30mm時(shí)，曲線出現(xiàn)了第二個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，它的原因可能是螺栓接頭端到達(dá)了第二個(gè)屈服極限點(diǎn)。當(dāng)在樣品達(dá)到其允許的最大伸展量后，它的最大位移為25mm。然而，樣品變形的方式是向外移動(dòng)，而不是縱向。所以，它的失效機(jī)理就十分明顯:它的頸部承受著高強(qiáng)度的力，加快了倒塌的速度，以至于最后沖撞上運(yùn)行中軌道的梁。在這個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻，可

22、以說防護(hù)欄過度向外倒塌更大程度地受第二次屈服極限值和螺栓連接處的位移的影響，反而就會(huì)加大了最大向外允許位移20mm。</p><p>　　另一方面，圖8說明了LVDT的X位移與防護(hù)欄上直徑為57mm的頸部的位移（即十字夾頭的位移）。曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)通常出現(xiàn)在十字夾頭的位移為15mm和40mm左右。圖10是LVDT的X位移和防護(hù)欄上直徑為50mm的頸部位移的關(guān)系。LVDT的正位移和負(fù)位移各自代表防護(hù)欄前端拐角向內(nèi)和向外

23、運(yùn)動(dòng)。當(dāng)十字夾頭的位移到達(dá)34mm的時(shí)候，LVDT記錄了最大值10mm。在此之后，樣品的前端邊緣開始向內(nèi)開始運(yùn)動(dòng)，正如圖10中曲線中上升的部分。</p><p>　　表1 準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)試的結(jié)果</p><p>　　圖5 65mm頸段寬度轉(zhuǎn)向架 圖6 65mm頸段寬度轉(zhuǎn)向架</p><p>　　圖7 57mm頸段寬度轉(zhuǎn)向架

24、 圖8 57mm頸段寬度轉(zhuǎn)向架 </p><p>　　圖9 50mm頸段寬度轉(zhuǎn)向架 圖10 50mm頸段寬度轉(zhuǎn)向架</p><p>　　防護(hù)欄LF3-50滿足所有的設(shè)計(jì)要求，另外其變形輪廓受到頸部上彈性鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)的限制。當(dāng)其主要表面的彈性位移在允許最大位移20mm內(nèi)時(shí)，螺栓連接處不會(huì)發(fā)生變形。</p><p>　

25、　所有防護(hù)欄的測(cè)試現(xiàn)象和數(shù)據(jù)表明，其變形原理都是復(fù)雜的三維變形。這種立體變形的特點(diǎn)雖是不顯著的，但卻是可衡量的。然而 ，大部分的變形是發(fā)生在垂直面和水平面上。圖11表示的是設(shè)計(jì)良好的防護(hù)欄其復(fù)雜失效原理的典型特征。在二維平面上的C點(diǎn)的位移軌跡表明防護(hù)欄最初是撞向軌道，然后才脫離軌道平面，這是因?yàn)轭i部會(huì)繞著彈性鉸轉(zhuǎn)動(dòng)的原因。</p><p>　　另一方面，圖12表明防護(hù)欄的縱向變形可以吸收能量。圖中曲線表示頸端的轉(zhuǎn)

26、動(dòng)和線性移動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)，吸收的能量就越多。例如，頸端上的引起彈性變形的載荷越小或剛度減低，吸收的能量會(huì)越少。這時(shí)因?yàn)閺椥糟q比預(yù)期中更早的形成鎖定機(jī)構(gòu)，因此失去了負(fù)載的能力。相反，如果防護(hù)欄的強(qiáng)度過高，軸箱將會(huì)承受大量的載荷，從而導(dǎo)致?lián)p傷轉(zhuǎn)向架的其他部件。本次研究應(yīng)該對(duì)轉(zhuǎn)向架長(zhǎng)度上不同位置的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行最佳化配置，以便預(yù)先獲得影響安全的失效原理。</p><p>　　圖11 c點(diǎn)是尖端垂直位移與水平位移的比值&l

27、t;/p><p>　　圖12 c點(diǎn)時(shí)輸入能量與水平位移的比值</p><p>　　3.4防護(hù)欄的沖擊試驗(yàn)</p><p>　　本次研究采用利物浦大學(xué)的落錘鉆機(jī)（如圖13）進(jìn)行防護(hù)欄沖擊試驗(yàn)。這個(gè)落錘鉆機(jī)包括不同質(zhì)量的落錘，其中最大質(zhì)量是210kg，它們從高度9m的地方落下。這些防護(hù)欄被安裝在與準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)試中相同的安裝件上，之后被安放在落錘鉆機(jī)的基座上（如圖13）。錘頭被

28、舉高到預(yù)定高度，然后將其釋放撞擊距離防護(hù)欄前面拐角超過30mm的前端表面。本次研究采用激光多普勒測(cè)速儀用來記錄錘頭運(yùn)動(dòng)軌跡的v-t圖，然后利用電腦軟件對(duì)測(cè)速儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析從而獲得N-T圖、S-T圖，得出力與位移的關(guān)系特性。根據(jù)參考文獻(xiàn)中選用防護(hù)欄類型的頻率，每個(gè)軌跡的截止頻率都是100Hz?；趯?duì)準(zhǔn)靜態(tài)參數(shù)的研究，決定采用LF1-65、LF3-50型防護(hù)欄.</p><p><b>　　圖13 落錘

29、鉆機(jī)</b></p><p>　　3.5沖擊測(cè)試的結(jié)果</p><p>　　表格2是對(duì)沖擊測(cè)試的總結(jié)。質(zhì)量為32kg的鐵錘以11.8m/s的速度從高度為7.2m的地方下落，撞擊LF1-65和LF3-50防護(hù)欄，從而產(chǎn)生了2.2KJ的能量，發(fā)現(xiàn)其主要變形部分都是其頸端。LF1-65型防護(hù)欄的主要變形部分是前面表面，使防護(hù)欄與安裝件在螺栓連接處分開。Fig14表明了典型的失效原理和

30、Fig15是記錄防護(hù)欄的速度軌跡。LF3-50防護(hù)欄頸端的直徑尺寸較小，就會(huì)產(chǎn)生更大的變形，彈性鉸轉(zhuǎn)動(dòng)的次數(shù)就越多（如圖14、16）。</p><p>　　圖14 典型防護(hù)欄在沖擊載荷下失效原理圖</p><p>　　圖15 65mm頸端寬度的防護(hù)欄在沖擊載荷下的特性</p><p>　　圖16 50mm頸端寬度的防護(hù)欄在沖擊載荷下的特性</p>

31、<p>　　表2 沖撞測(cè)試結(jié)果</p><p>　　3.6實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果討論</p><p>　　根據(jù)準(zhǔn)靜態(tài)和沖擊測(cè)試結(jié)果，現(xiàn)在可以分析常用防護(hù)欄的設(shè)計(jì)結(jié)果和對(duì)評(píng)估整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程。LF1-65防護(hù)欄測(cè)試表明它具有承受最大靜態(tài)載荷64KN，但是它會(huì)過于向下彎曲，以至?xí)c鐵路軌道的橫梁發(fā)生接觸，進(jìn)而沖撞上軌道。頸端和螺栓連接處也會(huì)引起變形。當(dāng)螺栓連接處出現(xiàn)了第二次運(yùn)動(dòng)時(shí)，就應(yīng)該

32、引起大家的關(guān)注，因?yàn)檫@是已經(jīng)發(fā)生全部變形時(shí)，從而導(dǎo)致過度彎曲從而沖撞鐵軌。</p><p>　　由于LF3-50型防護(hù)欄的端部具有更小的直徑，當(dāng)載荷增加時(shí)，這時(shí)變形主要集中在頸端，其會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣的結(jié)果與其他幾種相比都是較好的。測(cè)試的現(xiàn)象表明位移在特定的100m內(nèi)，尖端的軌跡會(huì)按照預(yù)先設(shè)定的弧形軌跡平移得到。而且盡管載荷過大，垂直方向的變形位移仍然會(huì)在安全范圍20mm內(nèi)。這樣，防護(hù)欄就不能妨礙列車的安全運(yùn)行或沖

33、撞鐵路軌道和傳動(dòng)裝置。全體橫梁的屈服極限和彎曲極限會(huì)影響崩塌行為，而且在較薄弱點(diǎn)處易形成塑性鉸。一般來說，吸收的沖擊能量會(huì)是2到3.8之間。</p><p>　　防護(hù)欄的塑性破壞原理</p><p>　　正如上面提到的，F(xiàn)ig14表明了端部直徑為50mm的典型防護(hù)欄的失效機(jī)理，然而Fig17是其的N-S曲線。為了能夠更好地了解崩塌行為，需要同時(shí)對(duì)圖14和圖17進(jìn)行分析，并且了解崩塌過程中每

34、一階段發(fā)生了什么。圖17表明防護(hù)欄的變形分成3個(gè)不同的階段，即失效機(jī)理包括屈服階段、具有較小直徑的頸部會(huì)產(chǎn)生塑性鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)和螺栓連接處的完全崩潰。對(duì)其進(jìn)一步的研究表明，第一階段是載荷從0-A線性增加時(shí)，當(dāng)?shù)竭_(dá)A點(diǎn)時(shí)，頸端到達(dá)屈服階段，彈性變形停止；不久之后，塑性鉸形成，且隨著載荷的不斷增加，轉(zhuǎn)向架開始轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)塑性鉸直徑等于頸端直徑時(shí)，其頸端重心開始轉(zhuǎn)動(dòng)，而且壓縮部分的外表結(jié)構(gòu)變得緊湊，材料強(qiáng)度也開始增加，直到轉(zhuǎn)動(dòng)停止。當(dāng)防護(hù)欄的前端邊緣主

35、要部分未發(fā)生變形，塑性鉸到達(dá)了120°，到達(dá)B點(diǎn)；不久之后，稍微增加載荷的重量，防護(hù)欄會(huì)繞著底部的螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)。全部的失效變形經(jīng)常發(fā)生在第一個(gè)螺栓的前面。一旦彎曲變形發(fā)生，而且在螺栓連接處附近形成了塑性鉸，這時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)繼續(xù)，直到防護(hù)欄完全崩塌。</p><p>　　圖17 50mm頸端寬度的防護(hù)欄的力-位移曲線圖 </p><p><b>　　有限元分析</b>

36、</p><p>　　本次研究采用Ansys有限元軟件。先在PATRAN軟件建立典型防護(hù)欄的有限元模型、在Ansys中對(duì)其進(jìn)行分析和在PATRAN進(jìn)行后期初期。</p><p>　　5.1有限元模型發(fā)展</p><p>　　本次研究采用八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元的方法來給防護(hù)欄的零件進(jìn)行建模。Ansys的有限元代碼定義了45個(gè)單元，利用這些單元足夠?qū)σ?guī)定的模型進(jìn)行有效分析。圖1

37、8就給出了典型有限元網(wǎng)格模型。從圖中可以看出要對(duì)實(shí)體進(jìn)行有效的網(wǎng)格劃分，必須先保證失效原理要是建立在有效的實(shí)驗(yàn)結(jié)果上。</p><p>　　圖18 50mm頸端寬度的防護(hù)欄有限元網(wǎng)格圖</p><p>　　5.2載荷和邊界條件</p><p>　　為了對(duì)防護(hù)欄進(jìn)行初始化靜態(tài)分析，本次研究按照實(shí)驗(yàn)測(cè)試中載荷情況來施加載荷，例如在其底部邊緣的水平施加35KN的靜集中載

38、荷到鄰近輪對(duì)的縱向。載荷會(huì)按照預(yù)定分布在單位空間的四個(gè)節(jié)點(diǎn)上，35KN按1/6、1/3、1/3、1/6的比例分布在四個(gè)節(jié)點(diǎn)的X方向上。</p><p>　　載荷通常是由連接防護(hù)欄與軸箱間的普通螺栓組靠摩擦力來承擔(dān)的，因此，在靠近螺栓組的地方有三個(gè)自由度受到限制。</p><p><b>　　5.3材料性能</b></p><p>　　對(duì)彈性-塑

39、性材料進(jìn)行分析，43型鋼材料具有以下特征：E =205×103N/mm2,，óy=265×103N/mm2, óu=580×103N/mm2 , εy=12.93×10-3,εf=0.22。對(duì)于塑性材料，⊿ó/⊿ε=1.44×103N/mm2.這樣可以防止屈服階段剛度發(fā)生大幅度的變形，表3給出了材料的性能值和Fig19是材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線。</p>

40、;<p>　　表3 線性區(qū)域的變形</p><p>　　5.4有限元分析結(jié)果</p><p>　　本次分析可以分成兩個(gè)階段，第一個(gè)階段是建立彈性材料的模型，第二個(gè)階段建立非線性材料的模型、然后開始運(yùn)行。Fig19、20給出了典型位移圖和應(yīng)力分布圖。位移圖表明了與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果相同的失敗原理，就是變形會(huì)發(fā)生在三維空間里。從圖21的應(yīng)力分布圖中可以看出高應(yīng)力主要集中在防護(hù)欄的下面

41、，而最高應(yīng)力就會(huì)在塑性鉸的周圍。在這些地方的應(yīng)力值為466N/mm2，超過了材料的屈服極限值。結(jié)果表明永久變形會(huì)發(fā)生在高應(yīng)力區(qū)域。</p><p>　　圖19 防護(hù)欄材料的應(yīng)變-應(yīng)力曲線</p><p><b>　?。╝）從縱向看</b></p><p><b>　　（b）從橫向看</b></p><

42、p><b>　?。╟）從底部看</b></p><p>　　圖20 變形和未變形防護(hù)欄的網(wǎng)格圖</p><p>　　圖21顯示防護(hù)欄典型的應(yīng)力分布</p><p><b>　　總 結(jié)</b></p><p>　　本次通過對(duì)所有參數(shù)的研究表明，465級(jí)電力動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架上改進(jìn)后的防護(hù)欄比之前的

43、設(shè)計(jì)更加符合規(guī)格、更加適用。這次研究的目標(biāo)是安裝在464級(jí)電動(dòng)車組或其它轉(zhuǎn)向架上已發(fā)展成熟的防護(hù)欄和在此基礎(chǔ)上改進(jìn)后的防護(hù)欄。這種改進(jìn)可以減少了因在鐵軌上放置或掉落的障礙物所引起的脫軌。通過準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)試、沖撞測(cè)試和有限元分析，它們具有高度的相關(guān)性。這些結(jié)果表明典型的變形過程包括屈服過程、頸端或窄區(qū)域的塑性鉸發(fā)生彎曲變形。崩塌變形的全部能量被三個(gè)不同的變形過程所吸收，即是屈服過程、塑性鉸的形成和轉(zhuǎn)動(dòng)、螺栓連接處附近形成的塑性鉸。最后，圖14

44、的比較能量曲線圖表明改進(jìn)后的防護(hù)欄可以多吸收65％的能量。</p><p>　　From：Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit</p><p>　　Author：E C Chirwa ，Automotive Engineering,

45、Faculty of Technology, Bolton Institute,</p><p>　　Bolton, UK</p><p>　　E J Searancke，Bombardier Transportation.Horbury, Wakefield, UK</p><p>　　A JHoy3 and SM PWong，EQE International

46、Limited, Birchwood,Warrington, UK</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] The Department of Transport railway accident report on a collision that occurred on 4 March 1989 at Puley, 1989(HM

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51、e rail vehicle crashworthiness. Proc. Instn Mech. Engrs, Part F, Journal of Rail and Rapid Transport,1996, 210(F2), 73–85.</p><p>　　[7 ] Lifeguards for the Class 465 EMU bogie. Technical specification projec

52、t reference 130/216/000, No. SRP/PC/90/088E, Issue 1, 1990 (Specialist Rail Products, Doncaster; now Bombardier Transportation,Wakefield).</p><p>　　[8] Webber, B. Class 323 electric multiple units (EMU). Pro

53、c. Instn Mech. Engrs, Part F, Journal of Rail and Rapid Transport, 1999, 213(F1), 49–62.</p><p>　　[9] Birch, R. S. and Jones, N. Measurement of impact loads using a laser Doppler velocimeter. Proc. Instn Mec

54、h. Engrs, Part F, Journal of Rail and Rapid Transport, 1989, 204(F1),1–8.</p><p>　　[10] ANSYS Engineering Solutions Manual, ANSYS Inc., Southpointe, 275 Technology Drive, Canonsburg, PA 15317, USA</p>