轨道车辆服役中的意外碰撞事故未随着主动安全预警技术的提高而完全避免,有必要对其进行被动安全设计研究。不同于其他交通工具的碰撞事故,高速列车碰撞具有典型的多体相互作用特征,各个车辆界面均参与碰撞能量吸收,合理分配列车各个界面的吸能量是降低纵向碰撞载荷带来的乘员损伤的关键所在。因此,本文的研究主要从列车纵向碰撞简化模型建立、车体结构动态承载极限、列车端部新型吸能结构设计几个方面改善列车的能量吸收。具体研究内容如下:(1)建立Johnson-Cook本构模型。采用万能材料实验机及霍普金森压杆装置进行高速列车铝合金车体材料6005A-T6和6082A-T6的静态拉伸和动态压缩实验,研究不同应变率(0.000ls-1-3000s-1)下流动应力的变化规律,并判定两种铝合金材料在中高应变率下的应变率敏感性,进而建立Johnson-Cook本构模型。结果表明:两种铝合金具有较弱的应变率效应,在轨道车辆冲击数值分析中可以忽略应变率效应。(2)研究高速列车铝合金车体在冲击载荷下的承载极限确定方法。基于LS-DYNA软件分析单节车体在冲击载荷下的动态响应,识别车体在冲击载荷下的弱刚度区域,研究车体变形、冲击力以及关键位置应力变化规律,并确定车体指定位置的动态承载极限。研究表明:通过数值模拟方法进行列车结构的动态强度极限分析是可行的,分析结果可为车体端部吸能结构的参数设计提供参考依据。(3)基于非线性杆单元建立一维列车碰撞分析模型。建立高速列车铝合金车体三维碰撞模型,进行刚性墙冲击单车工况仿真分析,得到车体和刚性墙碰撞响应,以此对杆单元进行参数校正并得到其等效参数。通过简化车体模型与三维车体模型碰撞响应对比验证等效参数有效性。最后将简化杆单元推广至列车编组碰撞模型,分别进行四编组列车一维简化模型和三维模型的碰撞计算,提取编组各车辆速度、界面力。分析表明:简化碰撞模型对碰撞过程中的主要响应具有较好的预测精度,可以用于列车碰撞能量配置参数设计及优化。(4)提出一种梯度函数控制的列车断面能量分布模式,有效改善了现有列车能量配置吸能效率偏低的问题。通过引入梯度控制函数,将列车碰撞能量分布参数化,利用径向基函数神经网络模型建立梯度参数与列车碰撞过程中车辆加速度、连挂界面峰值力响应指标之间的映射关系。研究了梯度变化参数对列车各车辆响应的影响规律,发现存在最优梯度参数可以使列车响应最优。基于一维碰撞模型建立了车辆连挂端面处碰撞力峰值最小化的多目标优化问题,并采用遗传算法求解得到了列车能量配置方案的最佳梯度参数。验证了一维简化模型与优化方法相结合进行列车的碰撞能量配置系统设计是有效可行性。(5)基于梯度参数设计方法,提出一种壁厚渐变蜂窝结构。通过对壁厚渐变蜂窝的轴向压溃吸能过程进行仿真分析,得到结构比吸能与压溃载荷峰值。采用最优拉丁超立方抽样法进行梯度参数空间抽样,构造蜂窝比吸能和压溃载荷峰值与壁厚梯度参数之间的近似模型。以梯度参数为设计变量,压溃载荷峰值最小,比吸能最大为目标函数,建立壁厚渐变蜂窝结构的多目标优化模型,利用改进的非支配排序遗传算法对其进行求解,得到壁厚渐变蜂窝的最优梯度参数。最后将壁厚渐变蜂窝结构应用于高速列车端部吸能装置设计,较等壁厚蜂窝结构,车体耐撞性明显改善。