丁叁叁

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛，266111)

列车运行安全性是铁路运输业非常重要的指标，列车发生碰撞事故造成的后果不堪设想，近20 年来国内外列车碰撞事故时有发生，导致的人员伤亡及经济损失使列车被动安全防护技术的重要性日渐凸显，列车被动安全防护的核心是通过设计和开发专用的吸能装置、保持碰撞过程位形轨迹、提升整车耐撞性水平以最大限度地吸收列车碰撞时的强大冲击动能，降低碰撞作用力，保护司乘人员安全。在我国发展高速列车被动安全技术之前，部分国家已制定相应标准如EN 15227—2007“铁路应用-铁路车辆车体耐撞性要求”等，以提高轨道车辆碰撞被动安全保护能力[1-3]。由于高速列车属于多车辆编组的复杂系统，质量大，在碰撞过程中具有较大的冲击动能，因此，在保持碰撞过程中，端部吸能装置变形稳定、车体中部乘客区域空间完整、车辆碰撞姿态稳定是世界性的难题。目前，国际主流高速动车组的被动安全设计思路主要分日系车钩吸能、欧系“车钩+分布式部件”吸能、美系强刚度端部框架结构吸能3 种，表1所示为列车组件吸能能力对比，图1所示为欧洲典型吸能结构方案。

图1 欧洲典型吸能结构方案Fig.1 Typical schematics of energy absorption structure in Europe

表1 列车组件吸能能力对比Table 1 Comparison of energy absorption capacity of train components

德国西门子公司开发的Velaro D 型动力分散、非铰接式列车，其车体前端吸能量可达2.0 MJ；
法国阿尔斯通公司开发的AGV 型动力分散、铰接式列车，其车体前端吸能量高达4.8 MJ，性能均满足EN 15227—2007标准相同列车相对36 km/h对撞工况要求。美国ACELA EXPRESS(TGV)型动力集中、非铰接式列车，其车体前端吸能量约为5 MJ，性能满足标准规定的相同列车相对48 km/h对撞工况的耐撞性要求；
日本川崎重工公司开发的N700型动力分散、非铰接式列车，其车体满足静强度要求，前端吸能量为173 kJ，满足列车相对5 km/h连挂要求[4]。

我国高速列车遵循一体化设计理念，考虑实际运营状态条件下的其他结构件设计，综合了气动性能、结构承载、轻量化等关键指标要素，满足了大长细比、流线化细长头型高速动车组被动安全设计的需求[5]。

1.1 发展历程

我国被动安全技术在轨道车辆的应用可追溯到20 世纪90 年代，且主要针对中低速轨道车辆。2004 年以来，我国高速列车通过“引进—消化—吸收—再创新”，实现了在安全性、舒适性、环保性的基础上运营速度提升[6]，随着在线运营动车组数量急剧增加及追踪间隔日趋加密，我国迅速成为全世界高速列车在线数量最大、运营时速最高的国家，同时也带来列车运营安全风险增加的问题。随列车运营速度与轻量化水平的不断提高，解决车辆安全性和效能矛盾的难度显著增加。与低速轨道车辆相比，高速列车尖梭头型、轻量化要求、能量耗散量级等对被动安全防护速度的提高均带来了巨大挑战，对列车仿真精度、效率、试验验证方法及能力提出了更高要求，多样性、系统性、随机性等特征突显。

2011 年，中国铁路总公司对高速列车被动安全性能提出专项研究课题“动车组碰撞被动保护技术研究”。采用产学研用一体化模式，联合行业内具有相关研发基础的高等院校、科研院所、先进设计-制造企业、铁路运营机构等系统地开展了高速列车被动安全技术研究、方案设计及优化、验证评估、成果转化及应用的全流程工程化，研发了适用于大长细比、流线化头型高速列车新型端部吸能系统，搭建了我国高速列车被动安全技术设计及评估体系，促进了我国高速列车碰撞被动安全装备产业化进程。图2所示为研发历程示意图。2014 年，依托高速列车被动安全技术设计平台，开展了“复兴号”平台动车组被动安全防护系统的设计、优化和验证，重点解决了能量梯度分级与车端导向能力的优化，解决了车端吸能系统在变形顺序、协调匹配、载荷稳定及抗弯能力等多个方面的问题，同时，依托仿真与试验对标优化分析，指导开展了高速列车车辆级的对撞试验验证，对列车的前端碰撞吸能系统进行了充分验证，2015年6月，具备被动安全防护能力的复兴号CR400AF 标准动车组正式下线。2016 年，为了充分验证高速列车的实车撞击能力，先后完成了“复兴号”高速列车3车编组、8车编组的列车级实车撞击试验，从力、加速度、位移和界面吸能量等物理量对列车的实车撞击结果进行了综合评价。2019年9月，中国高铁技术团队完成了高铁碰撞领域的历史性突破，一辆带有司机室的“复兴号”车辆以76 km/h速度撞击另一辆相同的车辆，列车承受住了巨大的冲击动能，车辆的整体撞击姿态平稳，生存空间完整，前端吸能装置变形充分。

图2 研发历程示意图Fig.2 Schematic diagram of research process

1.2 研究的框架、思路和方法

高速列车被动安全保护技术涉及材料、机械、力学、电子、交通等多学科强交叉内容，是一个复杂的系统性工程，需基于一体化的设计思路展开。其总体框架在于：实施被动安全保护需在满足列车正常运用工况的前提下，围绕碰撞冲击减缓、姿态轨迹保持、乘员伤害降低的原则，对车体按载人区与非载人区开展结构优化布局，采用分级防护和模块化理念，实施耐撞性设计，重点解决多界面吸能、吸能承载一体化、精细化能量管理、运营工况分析、刚度梯度匹配、模块化、多级逐级吸能、轻量化设计等难题[7]。对于低度冲击碰撞，车辆主要依赖于车钩缓冲器吸能；
对于中度冲击碰撞，车辆主要依赖车钩+专用吸能装备实现能量耗散；
而对于较高速度的冲击碰撞，车辆还需要车端承载部件参与塑性变形吸能[8]。

具体实现方法为：1)通过将碰撞过程中列车的高冲击动能转变为车端专用吸能结构或端部局部承载结构的塑性变形能，同时还需保障乘员碰撞的生物力学特征。2)运用高精度、高可靠、高效率的显式有限元数值分析方法，通过循环迭代、多目标优化实现车辆被动安全系统的设计与优化。3) 采用材料力学性能试验、结构部件冲击试验、大部件动态撞击试验、车辆实车碰撞试验以及线路试验来研究与验证，最终获得经验证的合理方案。总体思路如图3所示。

图3 总体思路Fig.3 General technical route

为提升列车被动安全防护等级，逐步实现高速列车运营所需的现实级防护，以下搭载CR400AF 中国标准动车组系统开展高速列车车体被动安全设计，阐述其具体的要求与实现路径。

2.1 能量管理

碰撞能量管理(crash energy management)是列车撞击研究的核心内容，主要涉及撞击速度、车辆编组、车辆间距、质量分布、作用力级与位移等[9]。在列车碰撞研究中，为了保证乘客生存空间完整，一般将吸能装置布置于车体端部。通过列车级的能量管理，确定各界面能量耗散比例及各界面作用力级，为吸能元件、吸能结构、整车设计及刚度匹配提供支撑[10]。图4所示为列车能量管理的通常分析模型，其中，A1，A2，A3和A4为主动列车车辆编号，B1，B2，B3和B4为被动列车车辆编号，S1，S2，S3和S4为车辆碰撞界面编号。在该分析过程中，利用多体动力学分析方法，将车体简化为刚体，将列车各连接界面之间的车钩缓冲装置、吸能装置等简化为非线性弹簧单元、Beam梁单元，通过给定初始载荷，获取车辆在撞击过程中的位移、速度、加速度及各界面吸能量等，以判断车辆的能量耗散水平是否在可控范围内[11]。分析时，单一车辆系统由简化刚体(如车体、钩缓)、非线性弹簧/梁单元(钩缓、吸能部件及车体端部允许压缩区域的力-变形特性)等计算单元组成[12]。

图4 车辆模型示意图Fig.4 Schematic diagram of vehicle model

具体的运动方程如下。

1)车体伸缩运动方程：

2)钩缓装置伸缩运动方程：

式中：Mci和Mcg分别为车体的质量、头车前端钩缓装置的质量(i=1～4)；
Ffpi1和Ffpi2分别为各车辆一位端和二位端吸能装置给予车体的纵向力；
Fbi为每节车辆的轮轨摩擦力；
Fcgi1和Fcgi2分别为各车辆一位端和二位端钩缓装置给予车体的纵向力；
Fcg11为头车前端钩缓装置给予车体的纵向力；
P为两列车头车前端钩缓装置接触面上的冲击力。

3)一位端吸能装置伸缩运动方程：

4)二位端吸能装置伸缩运动方程：

式中：Mfpi1和Mfpi2分别为各车辆一位端和二位端吸能装置的质量；
Ffpi1和Ffpi2分别为各车辆一位端和二位端吸能装置给与车体的纵向力；
Pi1和Pi2分别为各车辆一位端和二位端吸能装置接触面上的冲击力。

如前所述，钩缓和吸能装置通过加载和卸载的过程就可以吸收列车的撞击能量，因此，建立2列车碰撞的一维动力学运动方程时可不需要考虑阻尼矩阵。2列车碰撞的一维动力学运动方程为

2.2 材料动态模拟

车体中的多数材料在高速撞击等条件下其力学响应往往与静载荷下的力学响应有显著不同，尤其是金属材料和非金属高分子材料等[14]，在受到强瞬态外力作用时，表现出应变率对屈服强度的增强效应，部分材料还表现出温度相关性，其塑性流动应力随温度、应变率和应变的变化而变化，如有些材料存在的热激活位错运动塑性流动行为等[15-16]。对于各向同性金属材料，考虑单向材料失效、考虑三轴向材料失效和不考虑材料失效3种处理方式，所得结构的失效模式大不相同[17]。可依托现有的高速拉伸试验机如MTS及Hopkinson压杆设备获取金属材料在静、动态载荷下的力学性能参数，快速确定车体结构、吸能结构所用材料在静态、动态时的力学性能差异[18]，如图5 所示。在此基础上，形成适用列车碰撞模拟的材料本构模型，用于提升仿真计算的精度，真实地反映结构的变形模式和损伤结果，为吸能元件设计选型、吸能部件设计、车体结构设计及系统刚度匹配提供参考[19]。

图5 车用典型材料的力学性能差异Fig.5 Difference in mechanical properties of typical automotive materials

2.3 元件设计

在碰撞过程中，高速动车组所采用细长流线化头型，对端部的吸能量和变形稳定性要求较高，因此，大容量、长行程、塑变稳定的吸能元件形式是追求的重要目标，在吸能过程中应该满足碰撞动能耗散有序、行程足够和吸能模式稳定的条件。吸能元件通过金属材料的轴向塑性大变形或复合材料的分层弯曲、横向剪切以及局部屈曲吸能来耗散碰撞能量。金属薄壁管因其吸能效率高、质量小、成本低等优点被广泛应用于车辆、轮船、航空航天等领域，也可以作为承载式吸能结构，因此，对高速列车而言，采用薄壁管作为吸能元件较合适。为了提高比吸能，基于传统薄壁圆管，近年发展了多种结构形式和挤压、切削、膨胀等多种变形模式[20-21]。在吸能元件的选型过程中，多胞材料因其具有较高的比吸能成为优选方案。首先要选定多种不同截面形状的胞元结构，对比其在准静态压缩条件下的压溃性能，从压溃形式、稳定性和变形力级等方面进行比较。在此基础上，综合考虑质量、压溃载荷和比吸能等多个关键指标，确定吸能元件的最终形式[22-23]。图6所示为蜂窝型、格栅型和多胞管型的多孔吸能元件及其力学特性对比。由图6 可知：3 种多孔吸能元件的力学性能均较为优越，力-位移曲线较为平稳，平台区载荷扰动较小。

图6 多种元件设计方案的力级、变形对比Fig.6 Comparisons of force level and deformation with various component design schemes

2.4 部件设计

车体端部吸能部件是高速列车中最关键的部件，具有吸能、承载和连接等功能。目前，高速列车端部吸能部件设计模式主要基于既有产品的胞元结构，通过改变胞元形式、尺寸，并在内部添加铝蜂窝吸能材料，以开发更优吸能特性的多胞蜂窝填充吸能部件[24]。随高速列车运营速度不断提升，其端部长悬臂小截面结构弯曲刚度较小，撞击时易弯曲，极易造成车端结构与承载车体结构间出现复杂动静态刚度匹配失稳。另一方面，前端鼻锥及内部大量复杂构件亦会妨碍车钩的有效啮合，进一步增加了车辆脱轨的风险。在高速列车端部吸能部件设计过程中，应以吸能部件的安装空间为基础，重点关注各吸能系统的自身形变稳定性，考虑结构部件强导向性(强度刚度)和匹配性、确保力级变化梯度可控、动作协调。

以CR400AF 高速列车为例，前期围绕国内外典型的列车车端吸能部件设计形式特点，开展了3种头车前端吸能方案的设计(图7)，综合考虑撞击防护、气动设计和轻量化要求，完成了具有防撞—承载—安装一体化理念的整体式列车吸能结构设计(图8)，集开闭机构、排障器、前端吸能装置和司机室结构于一体。采用导筒与滑块进行宏观导向和微观调节，实现在实车碰撞的工况下全过程防爬纠偏，确保有效啮合；
系统匹配钩缓、主吸能、排障器和司机室的刚度，各级吸能塑变动作有序，姿态正确，生存空间完整[25]。

图7 部件设计方案对比Fig.7 Comparison of different component

图8 整体式吸能结构Fig.8 Integral energy absorbing structure

2.5 整车设计

重点考虑接口关系、安装空间、强度及刚度匹配、系统耦合，控制塑变过程稳定性、保证客室空间完整性。统筹考虑端部吸能结构设计、车体主结构设计及两者刚度匹配，形成吸能车体技术方案。以图9所示的耐撞列车设计为例，耐撞列车分为A 区和B 区，当1 列运动列车以36 km/h 撞击一静止列车时，其生存空间的变形量如下：A区最大变形量为7.82 mm，B 区最大变形量为13.50 mm。而图中的司机室减速度时程曲线反映其加碰撞减速度为4.3g，头车车轮垂向位移小于21 mm，满足标准EN 15227—2007规范要求。

图9 吸能车体技术方案Fig.9 Technical scheme of energy absorbing car body

3.1 型材仿真-试验对标

高速动车组的底架型材属于动车组车体结构的主要承载部件，基于底架型材试件的冲击试验结果，开展仿真与试验结果的一致性校正分析。试验件由型材、加强筋和安装板组成，其中型材均截取于底架边梁，试件总长度均为350 mm。底架型材试件有限元模型采用实体单元网格划分。碰撞过程中底架型材的变形情况如图10 所示，由图10 可知：仿真结果与试验结果的变形模式基本吻合，碰撞开始后，型材于碰撞后7 ms 时刻出现第一个褶皱，第31 ms时褶皱完全形成。

图10 底架型材试件变形图Fig.10 Deformation diagram of bottom frame profile specimen

底架型材在碰撞过程中的变形量随时间的变化及撞击力随变形量的变化如图11 所示，由图11可知：仿真计算和试验测得的变形量一致性较高，仿真与试验结果的最大变形量相对误差为5.5%；
在碰撞过程中，底架型材的撞击力随变形量变化曲线趋势一致，吻合较好。

图11 底架型材变形量-时间曲线与底架型材撞击力-变形量曲线Fig.11 Curves of bottom profile deformation-time and curves of bottom profile impact force-deformation

3.2 部件级试验评估

针对高速列车端部长悬臂小截面结构弯曲刚度小，撞击易弯曲，导致抬升爬轨、鼻锥罩及内部大量复杂构件，妨碍车钩有效啮合，撞击瞬间易侧偏，致防撞失效等关键技术难题，结合整车被动安全防护方案，完成车钩对撞、车钩+开闭罩对撞、排障器对撞、车钩+主吸能对撞等多种工况下的部件级系列试验[26]，分析开闭机构、车钩缓冲装置、排障器、主吸能结构等关键部件变形情况，充分验证系统啮合有效性、变形协调性、导向可靠性、刚度匹配性等，提高在各种异常工况下的有效性[27-28]。图12 所示为整车全包覆工况下端部大部件的仿真与实车试验结果。由图12可知：两者变形模式吻合，各部件逐级动作协调，刚度匹配较好，总体趋势基本保持一致[29]。

图12 碰撞过程中整体变形图Fig.12 Overall deformation diagrams during collision

3.3 实车对撞验证

开展实车对撞试验是检验列车耐撞性设计较接近实际的重要试验。2019年9月，在1辆带有司机室的“复兴号”车辆以76 km/h速度撞击另一辆相同的车辆的对接试验中，吸能界面接触、变形充分，前端结构件与吸能部件间动作协调，冲击吸能量大，减速度合理，剩余空间充裕，实现了世界首次高速动车组的列车级对撞试验[30-31]，如图13 所示。由图13 可见：在列车级碰撞过程中，车辆主要的吸能部件充分吸收了列车的初始冲击动能，各系统之间匹配较好，列车各界面能量吸收梯度可控，司乘人员的生存空间保持完整，列车没有脱轨，证明各界面有效啮合，动作协调，姿态稳定，能量耗散有序，无爬车、脱轨现象，各指标安全裕度充足。

图13 全尺度整车级碰撞试验及仿真Fig.13 Full-scale vehicle crash test and simulation

3.4 我国动车组耐撞性标准

基于前述国外碰撞标准对比分析、标准制定依据和国内外碰撞事故调研，从适用范围、碰撞工况、安全准则、试验内容、能量管理、仿真方法等方面编制了适用于我国规范TB/T 3500—2018“动车组车体耐撞性要求与验证规范”、TB/T 3501—2018“机车车辆碰撞试验测试规范”等技术标准，填补了国内动车组碰撞被动安全技术标准空白，形成了高速动车组碰撞被动保护设计技术体系及评估规范。

4.1 结论

探索、总结出一套以材料选型—结构设计—整车设计为主要设计步骤，以数值仿真为主要手段，以台架碰撞、实车冲击为数据支撑，通过循环迭代、多目标优化实现车辆被动安全系统的设计方法，创新开发了适用于高速列车流线化大细长比尖梭头型的“结构承载+碰撞吸能+模块安装”一体化端部吸能系统，该被动安全防护系统使我国自主研发的CR400AF 型“复兴号”动车组平台被动安全防护各项技术指标优于主流欧美标准，标志着我国高速列车系统安全防护性达到国际领先水平。

4.2 展望

1)面对高速动车组细长头型、吸能变形稳定性及各子系统逐级梯度变形协调性的需求，研究列车多体动力学弹塑性模型及精细化仿真技术，建立列车撞击能量耗散法则，用以解决结构轻量化、强度、吸能三者之间的技术矛盾，实现列车撞击多体刚度协同及撞击界面力与行程设计匹配优化目标，进一步提升高速列车碰撞安全防护速度等级。

2)研发高比吸能、模块化、耐久性的专用吸能结构及装置，开发复合吸能防爬等一体化结构；
推动建立承载及变形结构一体化设计方法；
开展复合材料吸能性能研究；
研制长行程、大容量、塑变性能优良的新型轻量化吸能元件，形成复合材料吸能结构工程化技术方案。

3)研究乘员二次碰撞边界条件，搭建二次碰撞典型场景，预测车辆内部结构对乘员关键部位的碰撞伤害，优化车辆内部结构耐撞性，降低车内二次碰撞中对乘员的伤害，提升了高速列车乘员安全性[32]。

4)需针对线路条件开展列车线路高速驱动控制技术、线路试验安全防护技术研究，并对列车级的数据进行采集，对全列车域变形序列进行高速、动态捕捉。

5)结合人工智能、主动控制技术，利用先进的智能感知算法、快速信息传感技术、智能学习算法，开展列车在途姿态动态感知与识别，敏捷识别列车碰撞的可能性，主动提升车辆吸能性能，实现碰撞安全保护，提升列车的安全碰撞防护速度，更大限度地保护司乘人员的人身安全及车体结构。

6)进一步完善覆盖设计、测试、试验、仿真全过程的标准体系构建，推进高速列车碰撞安全国际化标准建立；
面向不同材料车体、不同制式的高速列车，进一步提升碰撞试验验证平台和仿真分析平台的功能、效率与精度，完善高速列车碰撞安全评估体系。

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