引用論文

Yang, C., Zhang, L., Lu, Y. et al. State of the Art Review on the Crashworthiness of Railway Vehicles. Chin. J. Mech. Eng.38, 119 (2025). https://doi.org/10.1186/s10033-025-01287-7

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01

研究背景及目的

列車(chē)的耐撞設(shè)計(jì)與車(chē)輛自身的結(jié)構(gòu)特性密切相關(guān)。鐵路車(chē)輛通常配備有可恢復(fù)型和不可逆型的能量吸收裝置，其中低速碰撞時(shí)主要依靠特定的車(chē)鉤緩沖器來(lái)吸收能量。列車(chē)耐撞性能同時(shí)受到車(chē)輛自身特性、運(yùn)行速度、車(chē)輛結(jié)構(gòu)、軌道條件及運(yùn)行環(huán)境等多種因素的共同影響。被動(dòng)安全技術(shù)旨在降低碰撞事故造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，盡管無(wú)法完全避免碰撞事故的發(fā)生，但可有效減輕事故后果。被動(dòng)安全技術(shù)具有兩方面的重要意義：一方面可以保障司乘人員的安全，減少事故帶來(lái)的社會(huì)影響，具有良好的社會(huì)效益；另一方面可以為車(chē)輛的耐撞設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，提高軌道車(chē)輛的被動(dòng)安全性能。

圖1 機(jī)車(chē)車(chē)輛分級(jí)吸能特性

02

主要內(nèi)容

本文從材料、吸能結(jié)構(gòu)、列車(chē)碰撞仿真及實(shí)驗(yàn)研究等多個(gè)方面，綜述了鐵路車(chē)輛耐撞性研究的最新進(jìn)展。首先介紹了鐵路車(chē)輛中的可恢復(fù)和不可逆能量吸收裝置，明確了金屬與非金屬材料在能量耗散過(guò)程中的關(guān)鍵作用。車(chē)輛端部的薄壁結(jié)構(gòu)是列車(chē)碰撞時(shí)主要的能量吸收裝置，具體包括壓潰管、吸能盒、可變形防爬器和車(chē)輛端部結(jié)構(gòu)等。數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)是研究列車(chē)碰撞的常用方法，其中數(shù)值仿真主要包括有限元方法和多體動(dòng)力學(xué)方法。此外，本文對(duì)國(guó)內(nèi)外列車(chē)碰撞試驗(yàn)研究進(jìn)行了系統(tǒng)的綜述與分析。

圖2 薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)(a)墨魚(yú)骨蜂窩結(jié)構(gòu)(b)三種蜂窩結(jié)構(gòu)(c)串聯(lián)式蜂窩結(jié)構(gòu)(d)串聯(lián)面心層級(jí)蜂窩結(jié)構(gòu)

圖3 泡沫填充薄壁結(jié)構(gòu)(a)泡沫填充與蜂窩填充結(jié)構(gòu)(b)泡沫填充式吸能盒(c)泡沫填充CFRP錐形吸能管

03

結(jié)果

列車(chē)耐撞性研究的主要目標(biāo)是減輕列車(chē)乘員在事故中的傷害，降低碰撞事故的嚴(yán)重后果。依據(jù)碰撞能量管理的理念，三級(jí)吸能方案在鐵路車(chē)輛中得到廣泛應(yīng)用，相關(guān)吸能裝置包括帶緩沖器的車(chē)鉤、防爬器、附加吸能器和車(chē)輛端部結(jié)構(gòu)等。準(zhǔn)確建立兩列相撞列車(chē)的動(dòng)力學(xué)模型，是研究列車(chē)碰撞動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)。鐵路車(chē)輛的吸能結(jié)構(gòu)具有較高的峰值擠壓力，且沿壓潰行程存在波動(dòng)，防爬器應(yīng)具備足夠的抗彎強(qiáng)度，否則結(jié)構(gòu)的彎曲變形會(huì)導(dǎo)致能量吸收能力顯著下降。為了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)碰撞行為，模型中應(yīng)考慮可恢復(fù)和非可逆兩類吸能裝置，例如由氣液緩沖器與塑性梁組成的車(chē)鉤模型，其氣液緩沖器的遲滯特性對(duì)三級(jí)吸能過(guò)程尤為重要。

圖4 中國(guó)列車(chē)碰撞試驗(yàn)(a)中南大學(xué)整車(chē)沖擊試驗(yàn)臺(tái)(b)中車(chē)四方公司沖擊試驗(yàn)臺(tái)(c)中車(chē)長(zhǎng)客公司沖擊試驗(yàn)臺(tái)(d)全尺寸列車(chē)對(duì)撞試驗(yàn)

04

結(jié)論

本文綜述了列車(chē)碰撞研究的最新進(jìn)展與趨勢(shì)，包括能量耗散方法、能量吸收材料和結(jié)構(gòu)、仿真方法與實(shí)驗(yàn)研究。當(dāng)前研究已在吸能裝置、碰撞動(dòng)力學(xué)建模和實(shí)驗(yàn)方面取得了顯著成果。

關(guān)于團(tuán)隊(duì)

01

團(tuán)隊(duì)帶頭人介紹

李強(qiáng)，男，1963年出生，博士，教授。1995年至今一直在北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院工作，主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)疲勞斷裂及可靠性。現(xiàn)為北京交通大學(xué)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室常務(wù)副主任。目前擔(dān)任交通運(yùn)輸教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)機(jī)車(chē)車(chē)輛及運(yùn)用工程教學(xué)指導(dǎo)組成員，全國(guó)可靠性學(xué)會(huì)理事和鐵道車(chē)輛委員會(huì)委員，《北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)》編委。

02

第一作者介紹

楊超，博士/副教授，德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)訪問(wèn)學(xué)者，現(xiàn)為北京交通大學(xué)機(jī)電學(xué)院軌道車(chē)輛系副主任。主要研究方向?yàn)檐壍儡?chē)輛動(dòng)力學(xué)和列車(chē)被動(dòng)安全，發(fā)表科技論文三十余篇，獲省部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)2項(xiàng)。依托軌道車(chē)輛結(jié)構(gòu)可靠性與運(yùn)用檢測(cè)技術(shù)教育部工程研究中心，參與列車(chē)碰撞安全關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用項(xiàng)目并獲得2021年四川省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。車(chē)輛工程國(guó)際化人才培養(yǎng)核心骨干教師，為肯尼亞、泰國(guó)和馬來(lái)西亞等一帶一路沿線國(guó)家培養(yǎng)軌道車(chē)輛國(guó)際化人才。

責(zé)任編輯：惲海艷

責(zé)任校對(duì)：向映姣

審 核： 張 彤

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