東京時(shí)間3月16日晚11時(shí)30分左右，由于地震影響，日本東北新干線列車(chē)出現(xiàn)脫軌事故。所幸乘客和機(jī)組人員并未受傷。因?yàn)楸疚淖髡邔?duì)該問(wèn)題深感興趣，故對(duì)本事故進(jìn)行了一些分析。由于事故剛剛發(fā)生，且信息尚不完善，本文嘗試用有限元方法模擬此類(lèi)事故的可能性，采用了盡可能的簡(jiǎn)化，一定存在許多錯(cuò)誤之處，請(qǐng)各位專(zhuān)家批評(píng)指正。

圖1 （圖片來(lái)源：日本廣播協(xié)會(huì)NHK）

01

MSC.MARC有限元模型分析

根據(jù)資料，列車(chē)并非在高速運(yùn)行時(shí)發(fā)生了脫軌，而是在“幾乎停止”的情況下發(fā)生了脫軌。因此本文為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，計(jì)算列車(chē)在靜止?fàn)顟B(tài)下受地震作用的響應(yīng)。本文基于MSC.MARC通用有限元軟件，建立了一個(gè)簡(jiǎn)化的列車(chē)模型（圖2），在列車(chē)靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)始動(dòng)力工況模擬。

圖2 模擬的列車(chē)模型

輸入的地震動(dòng)為本次地震記錄到的MYGH10地震動(dòng)，其X、Y、Z三個(gè)方向的加速度時(shí)程及反應(yīng)譜如圖3所示。

圖3 輸入的三向地震時(shí)程及反應(yīng)譜

模擬結(jié)果如下

圖4列車(chē)脫軌模擬動(dòng)畫(huà)

圖5 脫軌車(chē)輪

從結(jié)果可以看出，列車(chē)在靜止情況下受地震作用也發(fā)生了脫軌現(xiàn)象。由于地震在三個(gè)方向的強(qiáng)烈振動(dòng)，導(dǎo)致列車(chē)車(chē)體發(fā)生上下左右搖晃，車(chē)輪交替跳起，列車(chē)出現(xiàn)了脫軌現(xiàn)象。

02

分析與局限性

從上述分析中可見(jiàn)，列車(chē)系統(tǒng)在靜止?fàn)顟B(tài)下受到地震作用，由于本次地震的三向加速度效應(yīng)很強(qiáng)烈，進(jìn)而導(dǎo)致車(chē)輪跳起引發(fā)脫軌現(xiàn)象。

需要指出的是，本文使用的模型非常簡(jiǎn)單，存在很大的局限性。根據(jù)資料，列車(chē)在高架橋上發(fā)生了脫軌事故，而本模型沒(méi)有考慮橋梁對(duì)地震動(dòng)的放大作用。另外，本文使用的輪軌接觸模型也較為簡(jiǎn)單。

另外，據(jù)說(shuō)事故中的列車(chē)還安裝了防脫軌系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)附近安裝了“防滑軌裝置”。這些裝置也需要在進(jìn)一步分析中加入建模。

圖6新干線上安裝的“防跑偏裝置”

最終再說(shuō)一遍，由于事故剛剛發(fā)生，且信息尚不完善，本文主要是嘗試用有限元方法模擬此類(lèi)事故的可能性，采用了盡可能的簡(jiǎn)化，一定存在許多錯(cuò)誤之處，請(qǐng)各位專(zhuān)家批評(píng)指正。