摘要 摘 要：通过对高速动车组端部吸能系统进行冲击试验和碰撞仿真分析，对该吸能系统的车钩安装座结构进行了优化设计，并验证了优化结构车钩安装座的抗冲击性能满足设计要求。 关
摘 要：通过对高速动车组端部吸能系统进行冲击试验和碰撞仿真分析，对该吸能系统的车钩安装座结构进行了优化设计，并验证了优化结构车钩安装座的抗冲击性能满足设计要求。
关键词：高速动车组;车钩安装座;优化;冲击试验
1 车钩安装座结构组成
端部吸能系统安装于高速动车组头车车体前端，主要由车钩缓冲装置、车钩安装座、主吸能结构及导向型材等部件组成(图1)。
端部吸能系统各部件通过车钩安装座连接为一体。车钩安装 座 通 过4个滑块安装于两导向型材之间;主吸能结构通过铝合金垫板安装于车钩安装座与气密墙之间;车钩缓冲装置的车钩座通过螺栓固定在车钩安装座前端;车钩导向装置一侧焊接于车钩安装座后端，另一侧与固定在气密墙前端的法兰装置通过剪切螺栓连接。可见，车钩安装座是高速动车组在承受巨大冲击力时协调车钩缓冲装置和主吸能结构循序动作的关键部件，其抗冲击性能对高速动车组耐撞性能至关重要。
2 冲击试验
为研究高速动车组端部吸能系统的耐撞性能，进行了端部吸能系统冲击刚性墙的试验。考虑到降低试验成本，且试验重点在于验证冲击过程中端部吸能系统各关键部件的变形协调稳定性，试验中将前端车钩缓冲装置用假车钩代替，同时在原车钩安装座的上盖板上方叠加焊接了一块厚18mm 的碳钢板，以增加车钩安装 座 的 抗 弯 刚 度。冲 击 试 验 的 冲 击 速 度 为 26km/h，试验台车重24t。
冲击开始时，假车钩冲击压缩车钩法兰装置内部安装的车钩止挡，致使法兰装置处6个螺栓全部剪断，此时车钩安装座开始受到巨大拉伸力而发生弯曲变形，随着车钩安装座弯曲变形程度的加大(最大弯曲挠度约30 mm)，车钩安装座左右各滑块处的螺栓受力逐步增大进而全部断裂。随着冲击过程的继续进行，车钩安装座与车钩导向装置间的焊缝处结构被撕裂破坏，主吸能结构仅产生了1～1.5个褶皱，之后假车钩相对车钩安装座迅速向后推移，导向型材高速冲击刚性墙并沿缺陷孔开始产生压溃变形，撞击能量全部耗散完毕后整个冲击过程结束。
3 仿真分析
冲击试验后对端部吸能系统进行了试验工况下的有限元模型碰撞仿真分析。图3为碰撞试验端部吸能系统有限元模型。建模时，部件间的连接螺栓采用梁单元模拟;车钩安装座与车钩导向装置间的焊缝区域建立专门的焊缝单元;车钩安装座实体结构选取八节点实体单元模拟，采用单点积分和沙漏控制;台车、主吸能结构及导向型材等其他板材、型材结构则采用四节点 Belytschko-Tsay薄壳 单 元 模 拟，该 单 元 是 由 八节点实体单元退化得到的四边形薄壳单元，沿薄壳单元厚度方向取5个高斯积分点。冲击重量和速度等边界条件都与试验工况相同。
4 优化结构车钩安装座有限元分析及冲击试验
4.1 优化结构车钩安装座综合考虑了结构刚度和重量的优化结构车钩安装座如图5所示：将车钩安装座上盖板优化为中间宽、两边窄的鱼腹形结构，相应增加了上下盖板、翼板、芯板的厚度。优化结构车钩安装座材料仍为 Q345E，质量约456kg。
4.2 优化结构车钩安装座仿真分析及冲击试验为了考核优化结构车钩安装座的抗冲击能力及端部吸能系统的耐撞性能，首先进行了安装有端部吸能系统的台车冲击刚性墙的仿真计算，随后重新进行了冲击试验。优化结构车钩安装座仿真及试验工况与原车钩安装座相同。
仿真分析和冲击试验结果显示：优化结构车钩安装座碰撞后没有发生明显弯曲变形，具有了足够的抗弯刚度;车钩安装座与车钩导向装置间的焊缝完好如初;车钩安装座与滑块间的连接螺栓都未被破坏;导向型材的导向功能得以正常发挥，车钩安装座和滑块在导向型材的滑槽导向作用下平稳地向后运动，主吸能结构变形稳定、有序。仿真分析得出主吸能结构褶皱变形约305mm，形成5个褶皱;冲击试验测得主吸能结构褶皱变形 约300 mm，形成5个 褶 皱。可 见 仿 真分析与冲击试验的变形情况吻合度较好。图6给出了仿真计算与冲击试验得到的试件整体变形图和主吸能结构变形图。
综上所述，通过仿真分析及冲击试验，进一步验证了优化结构车钩安装座具备了足够的抗弯刚度，吸能结构变形稳定、有序，动车组端部吸能系统的抗冲击性能满足设计要求。
参考文献：
[1] 梁建英，丁叁叁，田爱琴，等.新一代高速动车组车体设计创新技术[J].中国工程科学，2015，17(4)：63-68.
[2] 阎锋.未来高速列车需要考虑的问题(待 续)[J].国外 铁 道 车 辆，2016，53(2)：1-7.
《高速动车组车钩安装座结构设计及其抗冲击性能》来源：《铁道车辆》，作者：王晋乐，赵士忠，车全伟，张永贵，于洋洋，王 浩。
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