高速列车车辆间碰撞理论及耐撞性关键技术研究

In train collision accidents, car body structures are destroyed, usually accompanied by overriding, derailment and overturning, which lead to more serious casualties. It is necessary to study systematically the evolution process of multi-vehicle collision behavior of high-speed trains. In this program, accident investigation, dynamics simulation, theoretical analysis, numerical simulation, quasi-static experiment, components and real train impact test are adopted to investigate the collision behavior and crashworthiness of high-speed trains. From the point of view of train-crew-railway line-operating environment coupling, multi-body coupling collision dynamics model is built to study collision instability mechanism of inter-vehicle and collision post-behavior evolution. A fine finite element model of vehicle is set up to obtain impact energy dissipation map of car-body structure, also the interaction mechanism between plastic deformation and the stress wave is found. Anti-climbing and anti-derailment connection with parameter coordination and self- adaption technology is proposed. Through optimization, an optimal structure topology to guide impact energy flowing and releasing reasonably is obtained. The trigger threshold design method of structure meeting operation load is proposed. This research work can be applied to new car-body design of high-speed train, improving the crashworthiness of trains, which can reduce the lost due to crash accidents.

列车碰撞事故中，车体结构发生破坏的同时，往往伴随爬车、碰撞脱轨、倾覆等继发事故形态,导致更为严重的乘员伤亡，亟需系统研究高速列车多车辆间碰撞行为的演化过程。本项目采用事故调研、动力学仿真、理论分析、数值仿真、准静态实验、部件及实车碰撞实验的方法进行高速列车碰撞行为及耐撞性研究。构建多体撞击动力学模型，研究高速列车车辆间碰撞失稳机理及后行为演化。建立精细车辆有限元模型，获取车体结构的冲击能量耗散图谱，揭示车体结构塑性变形及应力波相互作用机制。开发参数协调及结构自适应的防爬、防脱轨连接技术，优化得到能量合理流动及释放的车体结构拓扑，提出在满足正常功能载荷条件下结构的触发阈值设计方法。该研究可直接应用于高速列车车体设计，提高列车碰撞安全性，降低列车碰撞事故造成的损失。

列车碰撞事故造成的人员伤亡人数占事故总人数的50%以上，根据国内外研究进展，列车碰撞安全保护需要从防爬、防脱轨、衰减冲击力、吸能、成员成员安全保护五个方面全方位进行考虑。. 本项目围绕高速列车车辆间碰撞行为及车体耐撞性关键技术开展研究，主要包括高速列车碰撞力学模型构建及车辆间碰撞行为演化、车体结构碰撞响应特性及能量耗散机制、耐撞列车关键技术及优化设计，为我国耐撞高速列车的设计提供理论指导和技术支撑。. 针对列车碰撞行为演化问题，提取高速列车—乘员—运行线路—行车环境等多重碰撞列车行为及运动特征，分析了成员伤害水平与车辆失稳关联性；开展车用铝合金材料静态以及冲击试验，得到了材料的力学参数，建立了材料本构模型；完善了列车碰撞试验台设施，提出了列车碰撞安全评估方法；建立了列车—乘员—线路—运行环境撞击动力学模型，研究了冲击速度、列车主吸能参数等对车辆间碰撞失稳、接触力变化规律，为列车防爬、防脱轨提供技术指导。. 针对车体结构碰撞响应特性及能量耗散机制，研究了列车车体撞击力传递路径及能量耗散规律，提出了引导撞击力流动路径的车体结构设计方法；研究车体结构塑性变形及应力波相互作用机制，得到诱导结构可为折叠式压溃管吸能特性优化提供基础；研究转向架及大质量吊挂设备高速撞击条件下动态响应，得到吸能结构使转向架和车体之间的相对加速度显著降低。. 针对耐撞性列车设计方法及关键技术，分析了列车在不同速度下的碰撞特性，提出整列车能量能量耗散分配确定方法；研究了驾驶员动力学响应和碰撞损伤，提出了驾驶员防碰撞损伤措施；研究座位-桌子空间布局和乘员安全约束系统对乘员损伤的影响，开发乘员二次碰撞安全防护技术；研究了弹性护栏对车辆碰撞后行为演化影响，设计了高速铁路桥弹性护栏；开展轻型材料车体承载吸能与专用吸能结构耦合设计，研制了高速列车切削式吸能结构和对中式防爬器结构；研究了列车正撞、斜撞下脱轨动力学性能，研制了列车防脱轨装置。