基于LS-DYNA某车体车顶抗冲击仿真分析及优化

刘东亮, ,姬芳芳

唐山师范学院，全州大学

摘 要：以车体车顶为研究对象，将落石简化为刚性球体，车厢为弹塑性材料，基于非线性有限元软件LS-DYNA，从落石冲击位置下方节点的位移、速度及加速度、落石的冲击坑、落石冲击力等角度出发，对比分析了冲击角度的不同对车厢顶棚结构动力响应的影响。分析结果表明：落石的冲击角度越小，冲击起始位置产生的垂向位移和垂向速度越大；落石的冲击坑呈现出一定的规律性；最大落石冲击力随着落石的冲击角度的增大而减小，对应的冲击历程也逐渐缩短。该结论可为今后列车结构在落石冲击作用下的安全设计提供参考。

关键词：落石；车厢顶棚结构；数值模拟；动力响应

中途分类号：U462.3                              文献标志码：A

0引言

轨道车辆是铁路运输的交通工具。随着列车运行速度不断提高，运行安全性成为铁路建设工作的重中之重。列车一旦发生事故，后果不堪设想。我国地质条件复杂，多山地，是崩塌落石分布较多的国家[1]。落石塌落常给人类的生命财产造成重大损失，对周边沿线铁路建设和运营造成严重的威胁和破坏[2]。因此，开展落石冲击荷载下车厢顶棚结构动力响应的研究，对于保证列车运行的安全性，具有重要理论价值和广泛的应用前景。

近年来，国内学者对落石冲击问题展开了一系列的研究[3]。2021年李巧珍[4]等以建设期埋地管道为研究对象，利用LS-DYNA软件建立其受冲击物理模型，通过分析，得到影响受冲击埋地管道动力响应行为的相关影响因素，并针对这几类影响因素开展埋地管道动力响应的变化规律研究，得到影响管道动力响应的主要影响因素；2022年梅华[5]通过建立落石冲击棚洞结构的LS-DYNA计算模型，获得在不同冲击速度下顶板腹部正中单元的应力波动曲线。其计算结果与理论分析结果相吻合。从而得出棚洞顶板结构均会在12 m/s落石冲击速度下发生破坏。而将落石冲击与列车结构的安全性分析结合在一起研究研究资料十分缺乏。因此本文以国产某运输车车体作为研究对象，利用动力非线性有限元仿真分析技术，研究落石冲击荷载下车厢顶棚结构的动态力学性能，不仅可以弥补这方面研究的空白，同时可以为列车车厢结构的安全性设计提供参考依据。

1 落石对车厢顶棚结构冲击的数值模拟

1.1 问题描述

    为了研究落石冲击荷载下铁路车辆的防撞性，以装甲防护铁路保温运输车为对象进行分析。该碳钢车车体为整体承载全钢焊接结构，主要由底架、侧墙、端墙、车顶四大模块组成。

考虑的重点是落石冲击下列车的动态响应，因而不考虑冲击碰撞过程中落石的几何形状等对结构的影响，将落石简化为球体模型。而且由于自然环境中落石岩性及物理力学参数不一，所以不考虑落石碰撞后的崩裂、破碎等的情况，落石材料选用刚体材料模型，这样也可有效的提高计算速度。落石在整个碰撞过程中无任何约束。落石模型各参数取值如表1-1所示。

表1-1 落石材料力学参数

密度（g/cm3）	弹性模量（GPa）	泊松比	直径（m）
3.3	60	0.3	0.5

1.2 数值计算模型

建立的车厢有限元模型如图1-1所示。对车厢结构采用壳单元模拟。为提高仿真分析的可靠性，对于车厢应力变化梯度较大的部位如侧墙窗角及门角等应采用四边形单元对其进行精细建模。车载设备以质量点的形式施加于设备重心处。本次计算有限元模型共有1385819个单元，1367729个节点。

图1-1 车厢有限元模型

边界条件是在转向架连接区域施加固定位移约束，使其在整个落石冲击过程中位置不发生变化。载荷工况先采用LOAD_BODY_OPTION关键字加载重力加速度，作用对象为整个模型；然后采用关键字INITIAL_VELOCITY_GENERATION分别定义落石的冲击速度和列车运行速度。本次计算本次计算考虑两种冲击场景（如图1-2）：

（1）冲击中顶；

（2）冲击侧顶。

图 1-2 冲击场景图示（左：中顶；右：侧顶）

1.3接触参数设置

准确的计算冲击接触界面上的作用力是保证冲击过程模拟计算结果可靠性的重要前提。采用通用商业软件LS-DYNA中的对称罚函数算法处理冲击接触界面。对称罚函数算法具有对称性、很少激起网格的沙漏效应，没有噪声，动量守恒准确，不需要碰撞和释放条件等优点，在数值计算中被广泛使用。

落石与车厢之间建立面与面之间的主从接触，落石表面定义为主面，列车表面定义为从面，同时针对壳单元接触中方向很难判断的问题，分析中使用自动接触，即接触类型选用CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE。接触的摩擦因数设置为：静摩擦系数取0.1，动摩擦系数取0.1。为避免在接触中产生不期望的高频振荡，粘性阻尼系数取20。

系数取0.1，动摩擦系数取0.1，粘性阻尼系数取20。

由于车厢被落石砸中部位变形较大，可能会发生自接触，因此还需在车厢被砸中部位建立自接触，即接触类型选用CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE。主要涉及的参数包括动、静摩擦系数均取0.1，粘性阻尼系数取20。

1.4 显式分析参数控制

落石冲击问题是大变形问题，随着落石冲击车厢的发生，冲击区域的单元发生严重变形，出现很多小尺寸单元，计算时间成倍增加。为减小计算时间，需要质量缩放实现最小时间步长的调整。落石冲击问题属于存在局部大变形的动力分析问题，故采用局部质量缩放。具体地，定义关键字CONTROL_TIMESTEP，设置[DT

2MS]=-0.003，控制质量缩放的时间步长。

另外，在进行非线性动力分析时，LS-DYNA软件中采用单点高斯积分的单元[8]。单点积分可以极大的为节省计算成本，提高计算效率，但是容易形成沙漏模式，产生零能变形，使得计算结果不正确。所以非常有必要控制沙漏能在一定的范围内。具体地，定义关键字CONTROL_HOU

RGLASS控制沙漏，沙漏控制类型[IHQ]=1，沙漏系数[QH]=0.1。

2 结果分析

2.1冲击中顶

落石冲击中顶的过程如图2-1所示，车顶在落石冲击下的变形如图2-2所示。冲击后车顶向下变形约200mm；车顶冲击点局部有少许单元出现失效现象，即车顶局部有出现裂纹的可能性；落石被弹回，车顶未完全击穿。

图 2-1 落石冲击中顶的过程

图 2-2 中顶冲击下车顶的变形

2.2冲击侧顶

落石冲击侧顶的过程如图2-3所示，车顶在落石冲击下的变形如图2-4示。冲击后车顶向下变形约160mm；车顶冲击点局部有少许单元出现失效现象，即车顶局部有出现裂纹的可能性；落石被弹开，车顶未完全击穿。

图 2-3 落石冲击侧顶的过程

图 2-4 侧顶冲击下车顶的变形

2.3小结

由上述计算结果可知：

落石冲击中顶后，车顶向下变形量约200mm，冲击部位有可能出现裂纹，落石被弹回，车顶未完全击穿；

落石冲击侧顶后，车顶向下变形量约160mm，冲击部位有可能出现裂纹，落石被弹开，车顶未完全击穿。

3 方案优化

为提高车顶的抗冲击性，对车体结构进行优化，增加了血量，同时车体采用矩形截面梁。具体见图3-1。（补充图）

3.1优化方案冲击中顶工况

落石冲击中顶的过程如图3-2所示，车顶在落石冲击下的变形如图3-3所示。冲击后车顶向下变形约85mm；落石被弹回，车顶未击穿。

图 3-2 落石冲击中顶的过程

图 3-3中顶冲击下车顶的变形

3.2优化方案冲击侧顶工况

落石冲击侧顶的过程如图 3-4所示，车顶在落石冲击下的变形如图 3-5所示。冲击后车顶向下变形约80mm；落石被弹开，车顶未完全击穿。

图 3-4 落石冲击侧顶的过程

图 3-5 侧顶冲击下车顶的变形

3.3小结

由计算可知：

落石冲击中顶后，车顶向下变形量约85mm，落石被弹回，车顶未击穿。

落石冲击侧顶后，车顶向下变形量约80mm，落石被弹开，车顶未击穿。

4 结论

将落石简化为刚性球体，车厢为弹塑性材料，基于Hypermesh前处理软件建立了落石-车厢结构有限元模型，采用LS-DYNA非线性有限元分析软件，对车厢顶棚结构动力响应的影响，综合分析可以得到以下规律及结论：

（1）结构优化后冲击中顶后，车顶向下变形量由200mm减至85mm，且落石被弹回，车顶未击穿。

（2）结构优化后冲击侧顶后，车顶向下变形量由1600mm减至80mm，且落石被弹回，车顶未击穿。

（3）新结构满足设计要求。

参考文献

[1]  胡厚田.崩塌与落石[J].中国铁道出版社，1989(1): 2.

[2]  李伟昭.黑今桂线金麻段崩塌落石的规律性及其防治[J].路基工程，1993(6):60-64.

[3] 刘卫国，曾祥国，陈华燕等.滚石作用下混凝土连续钢构桥动力响应分析[J].四川建筑，2011(06):135-137.

[4] 李巧珍,罗敏,石宗奇,王晶,张强.球状落体冲击条件下埋地管道力学响应行为[J].天然气工业,2021,41(12):138-145.

[5] 梅华,王星,夏永旭,董子文.基于理论与LS-DYNA耗能减震棚洞结构研究[J].北京交通大学学报,2022,46(01):115-122.