Simulation of emergency collision of a magnetic levitation train with an obstacle

Full Text

Введение

Магнитолевитационный транспорт является одним из наиболее безопасных видов транспорта в мире. В отличие от железнодорожного подвижного состава, поезд на магнитной подушке фактически не может сойти с направляющих рельсов, благодаря левитации и конструкции тележки, расположенной по периметру путевой структуры. Тем не менее аварийные столкновения представляют серьезную угрозу для пассажиров и персонала любого транспортного средства. Они могут возникать вследствие нарушения правил движения, внезапных отказов и явлений непреодолимой силы. Так, 22 сентября 2006 года на севере Германии поезд «Трансрапид» на магнитной подушке, совершавший экспериментальный пробег, столкнулся с ремонтной платформой по обслуживанию пути на скорости свыше 200 км/ч [5]. После почти годичного расследования было выявлено, что причиной аварии послужил человеческий фактор. Авария, повлекшая за собой гибель 21 человека и ранение еще 10, послужила фактором, значительно уменьшающим вероятность коммерческого успеха проекта.

Совокупность устройств и технических решений в конструкции железнодорожного подвижного состава, называемая системой пассивной безопасности, может обеспечить снижение рисков нанесения ущерба здоровью для пассажиров и персонала поезда в случае аварийного столкновения. К этой системе относят аварийную крэш-систему, которая в случае столкновения подвижного состава с препятствием уменьшает ускорение объектов столкновения за счет поглощения кинетической энергии путем контролируемой необратимой деформации УПЭ, входящих в ее состав.

В статье представлена спроектированная авторами аварийная крэш-система магнитолевитационного поезда и проанализирована эффективность данной системы при аварийном столкновении с использованием разработанной методики моделирования аварийного столкновения подвижного состава с препятствием.

1. Объект исследования

В качестве объекта исследования выбран условный пассажирский поезд на магнитной подушке. Конструкция остова кузова головного вагона поезда, представлена на рис. 1. Она состоит из алюминиевых прессованных профилей, а также алюминиевых пластин, которые образуют конструктивные узлы: нижнюю раму, боковую и торцевую стенки и крышу. Продольные несущие балки и боковые стенки проходят до передних боковых стоек кузова, расположенных рядом с кабиной машиниста. К нижней раме кузова крепятся несущие части тележек, аналогичные тележкам поезда «Трансрапид».

 

Рис. 1. Модель остова кузова и тележек поезда на магнитной подушке

 

Столкновение поезда на магнитной подушке с другим крупногабаритным объектом, например, деревом, крупным животным или другим транспортным средством придется на торцевую часть головного вагона. Негативные последствия такого столкновения способен уменьшить крэш-модуль, установленный на передние стойки остова кузова, как показано на рис. 2-а. В статье рассмотрено два варианта исполнения крэш-модуля: первый, состоящий из исключительно тонкостенной стальной конструкции (рис. 2-б), а второй – с добавлением ячеистой структуры (рис. 2-в). Конструкция УПЭ состоит из корпуса 1, переднего блока 2, воспринимающего на начальном этапе нагрузку аварийного столкновения, диафрагм 3, обеспечивающих стабильное деформирование крэш-модуля и ячеистых структур 4, повышающих энергоемкость устройства.

 

Рис. 2. Торцевой крэш-модуль: а – расположение в вагоне; б – первое исполнение; в – второе исполнение 1 – корпус; 2 – передний блок; 3 – диафрагмы; 4 – ячеистая структура

 

На данный момент требования к подобным устройствам на магнитолевитационном транспорте не нормированы, поэтому оценка работоспособности торцевого крэш-модуля производилась по европейскому стандарту EN 15227:2008 [6], содержащему требования к пассивной безопасности железнодорожного транспорта. В данных нормативных требованиях ограничиваются значения ускорений единиц подвижного состава, которые не должны превышать 7,5 g (g – ускорение свободного падения), и величины деформации кузовов вагонов. Оценка выполнения заданных требований аварийной крэш-системы выполняется по определенному расчетному случаю аварийного столкновения. В статье за основу выбран случай столкновения, аналогичный столкновению подвижного состава с грузовым вагоном массой 80 т. В сравнении со сценарием, установленным стандартом EN 15227:2008, взятый за основу аварийный случай имеет следующие отличия: скорость подвижного состава на момент столкновения имеет значение не 36 км/ч, а 110 км/ч, препятствие не имеет буферов и не может деформироваться при ударе.

Если объекты столкновения по размеру малые, но имеют значительный вес, например камни, то они могут проникнуть через зазор между транспортным средством и путевой структурой и при высокой скорости движения могут пробить пол или повредить подвагонное оборудование. Для такого случая предлагается использовать крэш-модуль, расположенный под вагоном, как показано на рис. 3-а. Разработанный крэш-модуль аналогичен УПЭ, установленному в поезде «Трансрапид» [7]; он состоит из корпуса (1), выполненного из алюминиевых листов, путеочистителя (2) и энергопоглощающего материала (3). В отличие от типового крэш-модуля, используемого в подвижном составе поезда «Трансрапид», энергопоглощающий материал выполнен не из алюминиевой сотовой конструкции, а из вспененного алюминия. Такой материал обладает высокой удельной прочностью и эффективно поглощает энергию удара.

 

Рис. 3. Подвагонный крэш-модуль: а – расположение в вагоне; б – составные элементы 1 – корпус; 2 – путеочиститель; 3 – энергопоглощающий материал

 

Технические требования по безопасности поезда на магнитной подушке при столкновении с малогабаритными объектами определяются нормами безопасности высокоскоростных магнитолевитационных поездов [8] и приведены ниже:

• – максимальные средние ускорения в салоне вагона при скорости движения 500 км/ч не должны превышать 15 м/с²;
• – не допускается отцепление каких-либо компонентов оборудования поезда при столкновении;
• – не допускается отрыв магнитов от конструкции транспортного средства;
• – не допускается повреждение кабельных каналов, способных привести к нарушению функций безопасности магнитолевитационного транспортного средства;
• – деформации при соударении должны быть ограничены головной частью транспортного средства;
• – после столкновения магнитолевитационного поезда он должен доставить людей до ближайшей станции и направиться в сервисный центр для осмотра, ремонта или замены поврежденных компонентов.

В качестве расчетного сценария столкновения в статье был использован аварийный случай, применяемый разработчиками поезда «Трансрапид» при проектировании аварийной крэш-системы. Этот сценарий подразумевает столкновение транспортного средства со сферическим объектом массой 50 кг на скорости 500 км/ч.

2. Модель аварийного столкновения поезда на магнитной подушке с препятствием

Моделирование аварийного соударения подвижного состава является задачей динамического нелинейного процесса ударно-контактного взаимодействия. Решение такой задачи осуществлялось при помощи метода конечных элементов с явной схемой интегрирования по времени в программном комплексе LS-DYNA [9].

Для решения трехмерной нестационарной задачи необходимы пространственная и временная дискретизации. Временная дискретизация выполняется центральным разностным методом. Петля интегрирования по времени дифференциальных уравнений включает следующие операции: вычисление узловых нагрузок, ускорений, скоростей, приращений перемещений, деформаций в элементах и напряжений в элементах.

Пространственная дискретизация модели реализовывается методом конечных элементов. Конечно-элементная модель транспортного средства строилась в сетке Лагранжа. В табл. 1 представлены типы конечных элементов, количество и применение в модели. На рис. 4 представлена конечно-элементная модель при моделировании сценария столкновения магнитолевитационного транспортного средства с крупногабаритным препятствием.

 

Таблица 1. Параметры конечно-элементной модели

Тип элемента	Применение элемента	Число элементов
Оболочка типа Shell	Кузов вагона; крэш-модуль; тележки, путь	183357
Объемный элемент типа Solid	Энергопоглощающий материал из пеноалюминия	41958
Точечный элемент сосредоточенной массы Mass	Добавочная масса недостающих вагонов состава; масса оборудования и пассажиров	164

 

Рис. 4. Конечно-элементная модель магнитолевитационного транспортного средства

 

При постановке задачи задавались начальные условия в соответствии с расчетными сценариями; предполагается, что материал поезда в начальный момент не деформирован, все узлы поезда движутся с одинаковой скоростью в одном направлении, а узлы препятствия находятся в покое. В сценарии столкновения с крупногабаритным объектом препятствие имеет только одну степень свободы – вдоль направления движения. Кроме того, задавались ограничения на поверхностях несущей конструкции тележек в зоне предполагаемого расположения магнитов.

На взаимодействующих поверхностях модели задавались условия контакта: граничные условия на поверхностях накладывают ограничения на скорость движения и напряженное состояние контактных точек. Для реализации данного условия в программе LS-DYNA был использован специальный контактный алгоритм, который автоматически определяет контактные поверхности.

Модели материалов препятствия и пути задавались как абсолютно жесткие. Поведение материалов остова кузова, тележек и торцевого крэш-модуля определялось по теории пластического течения, в которой предполагается, что приращения деформаций складываются из упругих и пластических составляющих. Наступление стадии пластичности материала осуществлялось при условии, что эквивалентные напряжения превышают динамический предел текучести. Энергопоглощающий материал из пеноалюминия моделировался физической моделью Дешпанде-Флека (Deshpande-Fleck) [10]. Модель идентифицировалась в соответствии со свойствами материала пеноалюминия марки FOAMI-NAL с плотностью 450 кг/м³. Параметры модели были определены эмпирическим способом в статье [11].

3. Результаты моделирования

Результаты моделирования аварийных столкновений выявили величины необратимых деформаций, возникающих в головном вагоне поезда на магнитной подушке, и значения средних ускорений внутри салона.

На рис. 5 и 6 представлены разрушения вагона при моделировании сценария столкновения с крупногабаритным препятствием. Анализ величин необратимых деформаций показал, что применение крэш-модуля первого исполнения является недостаточным для обеспечения безопасности пассажиров и поездной бригады. Так, их величина превышает допустимые значения, регламентируемые европейским стандартом EN 15227:2008, в то время как применение крэш-модуля с ячеистой структурой обеспечивает допустимые величины деформаций кузова вагона. Энергоемкость крэш-модуля первого исполнения составила 4,5 МДж, а второго – 8,2 МДж.

 

Рис. 5. Разрушения модели поезда при использовании крэш-модуля первого исполнения

 

Рис. 6. Разрушения модели поезда при использовании крэш-модуля второго исполнения

 

На рис. 7 и 8 представлено изменение скорости движения поезда и препятствия в процессе столкновения для разных исполнений крэш-модуля. По этим диаграммам были определены величины перегрузок внутри салона. Оказалось, что при использовании крэш-модуля первого исполнения ускорения внутри салона равны 3,7 g, при этом средние ускорения внутри салона для крэш-модуля с ячеистой структурой оказались равны 5,3 g, что несколько выше показателей первого случая. Это можно объяснить увеличением жесткости крэш-модуля с ячеистой структурой, в результате чего большее количество энергии удара, не погашенной за счет пластического деформирования, передается в салон кузова в виде ускорений. Тем не менее оба варианта исполнения удовлетворяют требованиям по допустимым ускорениям нормативных документов.

 

Рис. 7. Диаграмма изменения скорости движения поезда и препятствия для первого исполнения крэш-модуля

  

Рис. 8. Диаграмма изменения скорости движения поезда и препятствия для второго исполнения крэш-модуля

 

На рис. 9 представлено разрушение подвагонного крэш-модуля при попадании на путь малогабаритного предмета. Анализ повреждений показал, что остов кузова при таком столкновении остается неповрежденным. По диаграмме изменения скорости движения поезда и препятствия, представленной на рис. 10, видно, что через 0,05 с после столкновения, скорость движения препятствия сравняется со скоростью поезда, при этом скорость движения поезда практически не изменилась.

 

Рис. 9. Разрушение подвагонного крэш-модуля

 

Рис. 10. Диаграмма изменения скорости движения поезда и препятствия

 

Заключение

Применение разработанной методики численного моделирования аварийного столкновения подвижного состава с препятствием позволило учесть:

• – пространственный характер нагрузки с возможностью оценки напряженного состояния;
• – геометрию и конструктивные особенности объекта исследования;
• – упруго-пластическую физическую модель металлических конструкций;
• – физическую модель Дешпанде-Флека для пенометаллов.

Благодаря перечисленным выше особенностям компьютерная модель позволила определить уровень необратимых деформаций при аварийном столкновении, энергоемкость УПЭ и диаграмму изменения скорости движения поезда на магнитной подушке в процессе аварийного столкновении.

По результатам моделирования аварийного столкновения подвижного состава с крупногабаритным препятствием было выявлено, что применение ячеистой структуры в конструкции крэш-модуля увеличивает энергоемкость крэш-модуля на 82 %, и в результате предотвращает значительные деформации в остове кузова. Однако увеличение жесткости УПЭ повышает значение продольных ускорений внутри салона и может привести к нежелательным результатам.

Результаты моделирования аварийного столкновения подвижного состава с малогабаритным препятствием подтвердили эффективность применения вспененного алюминия в качестве энергопоглощающего материала для подвагонного крэш-модуля.

About the authors

Eldar M. Ryazanov

Pavlyukov Ural State University of Railway Transport

Author for correspondence.
Email: emryazanov@yandex.ru

graduate student

Russian Federation

Alexander E. Pavlyukov

Pavlyukov Ural State University of Railway Transport

Email: apavlukov@usurt.ru

DSc in Engineering, Professor, Department of Railway Cars

Russian Federation

References

Supplementary files