“3.16”地震日本列車脫軌事故有限元模擬嘗試

東京時間3月16日晚11時30分左右，由于地震影響，日本東北新干線列車出現(xiàn)脫軌事故。所幸乘客和機組人員并未受傷。因為本文作者對該問題深感興趣，故對本事故進行了一些分析。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事故的可能性，采用了盡可能的簡化，一定存在許多錯誤之處，請各位專家批評指正。

圖1 （圖片來源：日本廣播協(xié)會NHK）

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MSC.MARC有限元模型分析

根據(jù)資料，列車并非在高速運行時發(fā)生了脫軌，而是在“幾乎停止”的情況下發(fā)生了脫軌。因此本文為了簡化起見，計算列車在靜止狀態(tài)下受地震作用的響應。本文基于MSC.MARC通用有限元軟件，建立了一個簡化的列車模型（圖2），在列車靜止狀態(tài)開始動力工況模擬。

圖2 模擬的列車模型

輸入的地震動為本次地震記錄到的MYGH10地震動，其X、Y、Z三個方向的加速度時程及反應譜如圖3所示。

圖3 輸入的三向地震時程及反應譜

模擬結(jié)果如下

圖4列車脫軌模擬動畫

圖5 脫軌車輪

從結(jié)果可以看出，列車在靜止情況下受地震作用也發(fā)生了脫軌現(xiàn)象。由于地震在三個方向的強烈振動，導致列車車體發(fā)生上下左右搖晃，車輪交替跳起，列車出現(xiàn)了脫軌現(xiàn)象。

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分析與局限性

從上述分析中可見，列車系統(tǒng)在靜止狀態(tài)下受到地震作用，由于本次地震的三向加速度效應很強烈，進而導致車輪跳起引發(fā)脫軌現(xiàn)象。

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

另外，據(jù)說事故中的列車還安裝了防脫軌系統(tǒng)，現(xiàn)場附近安裝了“防滑軌裝置”。這些裝置也需要在進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事故的可能性，采用了盡可能的簡化，一定存在許多錯誤之處，請各位專家批評指正。