轨道列车分布式吸能系统的行为和优化设计方法研究

The safety issues of trains have attracted extensive attention due to the rapid development of high-speed trains and urban rail transit systems. The development of passive safety technique and the improvement of rail vehicle crashworthiness are research areas of significant importance in scientific investigation and engineering practice. Different from normal energy-absorption structures, trains have energy-absorption elements distributed in both ends of cars to absorb energy gradually. Impact loads spread along trains and the stress wave effect can not be neglected. With the increase of train speed, new challenges on the crashworthiness design of rail vehicle are encountered, and thus the study on new energy-absorption elements used in high-speed trains is highly demanded. This project aims to understand the characteristic of stress wave propagating in trains in the events of train crushing and the behavior and optimum design of distributed energy-absorption system in trains. Numerical simulation as well as theoretical analysis with simplified models and experimental study of key energy-absorption structures will be employed to explore the characteristic of stress wave propagating in trains and the effect of parameters of energy-absorption components on the deceleration of cars. Self-adaptive energy-absorption structures will be investigated and adopted to make colliding energy absorbing in a controllable manner. Finally, the optimal design method of energy absorption system for high-speed trains will be proposed, and the key scientific and technical problems of crashworthiness in high-speed trains will be solved to provide a technical basis for crashworthiness design of multiple unit trains.

随着高速列车和城市轨道交通在我国的迅速发展，列车运行安全问题吸引了广泛的关注。发展被动安全技术，提高列车耐撞性，是具有重要理论和工程实际意义的研究方向。与通常的吸能结构不同，列车采用分布于各节车厢两头的吸能部件逐级吸能，冲击载荷沿列车的传播即应力波效应不可忽略。列车运行速度的提高对其耐撞性设计提出了新的挑战，新型吸能元件在高速列车上的应用也亟待研究。本项目以列车在碰撞过程中的应力波传播特性、列车分级吸能系统的行为和优化设计为研究目标。采用以数值模拟为主，结合简化模型的理论分析和关键吸能部件/系统的实验研究，着重分析应力波在列车中的传播特性和各级吸能部件参数对车厢减速度的影响，通过引入自适应的吸能部件，使列车各级吸能部件以可控的方式参与吸能，达到在列车碰撞过程中实现分级吸能的目的，最终提出高速列车分布式吸能系统的设计方法，解决列车耐撞性的关键科学和技术问题，为新型动车组的研发提供技术基础。

本项目对高速列车在碰撞过程中的应力波传播特性、列车分布式吸能系统的行为和优化设计进行了研究，以期提高列车耐撞性。建立了列车的一维附加质量弹簧模型和相应的三维有限元模型，研究了碰撞过程中车厢复杂结构对车厢中应力波传播的影响。建立了列车分布式吸能系统的一维波传播模型，关注车体中弹性波效应对吸能元件的响应的影响。采用数值模拟手段对列车碰撞过程中的响应进行了初步分析。进一步利用一维应力波理论对碰撞过程中的冲击载荷引起的弹塑性波沿列车的传播和作用进行了理论分析。基于弹性波的传播及其在各个界面上的反射作用，以弹性波到达相应界面的时间作为分界点将整个碰撞过程的分析分为一些不同的阶段。由于弹性波的传播和叠加效应，各吸能部件在响应过程中表现出典型的阶段性、平台样现象。若忽略弹性波效应，将对吸能器的吸能行为，包括吸能总量和各吸能器的吸能量分布，做出错误的估计。通过参数分析表明，吸能部件的平台应力、弹性体的弹性模量和密度是决定整个碰撞过程中系统局部动态响应的控制参量。上述三个参量共同作用，能够决定吸能部件一个反馈周期的时长，能够决定各个吸能部件中塑性波的波速从而决定吸能速率，能够决定吸能部件碰撞过程中的能量吸收量。得到了由上述控制参量组成的、关于吸能部件能量吸收量的控制方程，能够对列车的分布式吸能系统的优化设计进行理论指导。结合数值模拟和理论分析研究了梯度泡沫金属的力学性能和抗冲击性能，并得到了以梯度泡沫作为吸能元件材料的优化设计方案。综上所述，本项目关注了弹性波效应对列车分布式吸能系统在碰撞过程中的响应的影响，提出了优化吸能部件性能和将吸能部件更合理排布的设计方案，为高速列车分布式吸能系统的优化设计提供了理论支持。