“3.16”地震日本列车脱轨事故有限元模拟尝试

东京时间3月16日晚11时30分左右，由于地震影响，日本东北新干线列车出现脱轨事故。所幸乘客和机组人员并未受伤。因为本文作者对该问题深感兴趣，故对本事故进行了一些分析。由于事故刚刚发生，且信息尚不完善，本文尝试用有限元方法模拟此类事故的可能性，采用了尽可能的简化，一定存在许多错误之处，请各位专家批评指正。

图1 （图片来源：日本广播协会NHK）

根据资料，列车并非在高速运行时发生了脱轨，而是在“几乎停止”的情况下发生了脱轨。因此本文为了简化起见，计算列车在静止状态下受地震作用的响应。本文基于MSC.MARC通用有限元软件，建立了一个简化的列车模型（图2），在列车静止状态开始动力工况模拟。

图2 模拟的列车模型

输入的地震动为本次地震记录到的MYGH10地震动，其X、Y、Z三个方向的加速度时程及反应谱如图3所示。

图3 输入的三向地震时程及反应谱

模拟结果如下

图4 列车脱轨模拟动画

图5 脱轨车轮

从结果可以看出，列车在静止情况下受地震作用也发生了脱轨现象。由于地震在三个方向的强烈振动，导致列车车体发生上下左右摇晃，车轮交替跳起，列车出现了脱轨现象。

从上述分析中可见，列车系统在静止状态下受到地震作用，由于本次地震的三向加速度效应很强烈，进而导致车轮跳起引发脱轨现象。

需要指出的是，本文使用的模型非常简单，存在很大的局限性。根据资料，列车在高架桥上发生了脱轨事故，而本模型没有考虑桥梁对地震动的放大作用。另外，本文使用的轮轨接触模型也较为简单。

另外，据说事故中的列车还安装了防脱轨系统，现场附近安装了“防滑轨装置”。这些装置也需要在进一步分析中加入建模。

图6 新干线上安装的“防跑偏装置”

最终再说一遍，由于事故刚刚发生，且信息尚不完善，本文主要是尝试用有限元方法模拟此类事故的可能性，采用了尽可能的简化，一定存在许多错误之处，请各位专家批评指正。

本文作者顾燚

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