动车组铝合金车体耐撞性研究

Collisions accidents are still the main threaten for high speed trains. Structure crashworthiness is highly focused in the world. The project plans to investigate large deformation mechanic characteristic of aluminium welding structures and failure mode under impact. Through a lot of static and semi-static and impact tests, several mechanic parameters will be measured. Utilizing finite element reverse solution algorithm, consititution equations to describe aluminium alloy structure damage and evolution regulation are obtained. By high resolution numerical analysis, non-linear mechanic feature of car-body is represented by impact versus deform distance curve. On the basis, a three-dimensional elatic-plastic model for a whole trains will be built up. Furthermore, relevence is found between overriding phenomenon and impact velocity and longitudinal impact level. So the critic impact velocity can be decided and measures to prevent overriding will be proposed. Finally a full collision process will be analysed on specific scene. The results will be used to evaluate the crashworthiness level of high .speed trains made of aluminium alloy.

碰撞仍然是动车组面临的主要事故风险之一，其耐撞性受到世界各国高度关注。项目从研究车身中空铝合金焊接构件大变形力学特性、失效模式入手，通过大量的准静态、台车冲击实验研究及各种力学参数测定，采用有限元反求法建立可以描述铝合金材料在不同应变速率下变形的本构关系及其微观结构损伤演化破坏规律。通过高精度数值仿真确定撞击力-变形行程表征的车体非线性力学特性，建立整列车多体弹-塑性混合三维冲击动力学模型，研究多车辆耦合撞击条件下"爬车"现象与纵向冲击力水平、冲击速度等因素的相关性，确定"爬车"的临界速度，并提出防爬措施；分析两列车在特定碰撞场景下的动力学响应，评估动车组铝合金车体的耐撞性能。

欧美等国已先后制定、颁布了列车碰撞安全标准并已强制实施，结构耐撞性已成为高速列车的核心指标之一，项目研究成果直接应用于高速列车车体耐撞性设计，有助于突破我国高铁“走出去”所面临的技术壁垒，进一步提升我国轨道交通装备的国际竞争。以我国系列动车组为研究对象，测试了车体主要承载结构铝合金母材及焊接结构在2x10-4/s~3000/s不同应变率条件下的力学性能。开展不同应力状态的缺口试样试验研究铝合金在不同应力状态下的损伤与断裂行为，揭示了材料断裂应变与应力三轴度的关系，建立了修正反映应力状态及应变率效应的铝合金材料计算本构模型并进行了有限元验证。构建了铝合金动车组高精度碰撞有限元模型，进行了典型碰撞场景下的碰撞数值模拟，得到了头车端部结构力-变形行程特性曲线，确定了既有动车组存在的薄弱部位。构建了由多车辆组成的列车碰撞模型，分析了两列车碰撞过程，揭示了不同编组位置吸能量、冲击加速度、变形量的分布规律。研究了切削式、六方格铝蜂窝、复合式吸能结构、多胞锥管等吸能结构力学特性并进行了优化。开发了满足的动车组吸能结构冲击试验中撞击力、速度、加速度、试件变形量等参数测试精度要求的瞬态测试技术，并进行了动车组主吸能结构实物碰撞试验。开发出耦合纵向、垂向和点头三种运动形态的二维列车多体撞击仿真程序，揭示列车撞击车端垂向响应规律，提出了适合我国国情的列车防爬需求，并设计出了相应的防爬结构。本项目累计发表论文14篇，其中SCI收录8篇，EI收录5篇，国际学术会议论文1篇；获得国家发明专利授权7项，申请2项；项目部分研究成果纳入铁路技术标准，形成标准送审稿2份；研究成果作为《列车碰撞试验系统及安全评估技术》的内容之一，获得中国铁道学会科学技术奖特等奖；毕业研究生6名，其中博士研究生1名。