丁叁叁

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島，266111)

列車運(yùn)行安全性是鐵路運(yùn)輸業(yè)非常重要的指標(biāo)，列車發(fā)生碰撞事故造成的后果不堪設(shè)想，近20 年來國內(nèi)外列車碰撞事故時有發(fā)生，導(dǎo)致的人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失使列車被動安全防護(hù)技術(shù)的重要性日漸凸顯，列車被動安全防護(hù)的核心是通過設(shè)計和開發(fā)專用的吸能裝置、保持碰撞過程位形軌跡、提升整車耐撞性水平以最大限度地吸收列車碰撞時的強(qiáng)大沖擊動能，降低碰撞作用力，保護(hù)司乘人員安全。在我國發(fā)展高速列車被動安全技術(shù)之前，部分國家已制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)如EN 15227—2007“鐵路應(yīng)用-鐵路車輛車體耐撞性要求”等，以提高軌道車輛碰撞被動安全保護(hù)能力[1-3]。由于高速列車屬于多車輛編組的復(fù)雜系統(tǒng)，質(zhì)量大，在碰撞過程中具有較大的沖擊動能，因此，在保持碰撞過程中，端部吸能裝置變形穩(wěn)定、車體中部乘客區(qū)域空間完整、車輛碰撞姿態(tài)穩(wěn)定是世界性的難題。目前，國際主流高速動車組的被動安全設(shè)計思路主要分日系車鉤吸能、歐系“車鉤+分布式部件”吸能、美系強(qiáng)剛度端部框架結(jié)構(gòu)吸能3 種，表1所示為列車組件吸能能力對比，圖1所示為歐洲典型吸能結(jié)構(gòu)方案。

圖1 歐洲典型吸能結(jié)構(gòu)方案Fig.1 Typical schematics of energy absorption structure in Europe

表1 列車組件吸能能力對比Table 1 Comparison of energy absorption capacity of train components

德國西門子公司開發(fā)的Velaro D 型動力分散、非鉸接式列車，其車體前端吸能量可達(dá)2.0 MJ；法國阿爾斯通公司開發(fā)的AGV 型動力分散、鉸接式列車，其車體前端吸能量高達(dá)4.8 MJ，性能均滿足EN 15227—2007標(biāo)準(zhǔn)相同列車相對36 km/h對撞工況要求。美國ACELA EXPRESS(TGV)型動力集中、非鉸接式列車，其車體前端吸能量約為5 MJ，性能滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的相同列車相對48 km/h對撞工況的耐撞性要求；日本川崎重工公司開發(fā)的N700型動力分散、非鉸接式列車，其車體滿足靜強(qiáng)度要求，前端吸能量為173 kJ，滿足列車相對5 km/h連掛要求[4]。

我國高速列車遵循一體化設(shè)計理念，考慮實際運(yùn)營狀態(tài)條件下的其他結(jié)構(gòu)件設(shè)計，綜合了氣動性能、結(jié)構(gòu)承載、輕量化等關(guān)鍵指標(biāo)要素，滿足了大長細(xì)比、流線化細(xì)長頭型高速動車組被動安全設(shè)計的需求[5]。

1 研究歷程與方法

1.1 發(fā)展歷程

我國被動安全技術(shù)在軌道車輛的應(yīng)用可追溯到20 世紀(jì)90 年代，且主要針對中低速軌道車輛。2004 年以來，我國高速列車通過“引進(jìn)—消化—吸收—再創(chuàng)新”，實現(xiàn)了在安全性、舒適性、環(huán)保性的基礎(chǔ)上運(yùn)營速度提升[6]，隨著在線運(yùn)營動車組數(shù)量急劇增加及追蹤間隔日趨加密，我國迅速成為全世界高速列車在線數(shù)量最大、運(yùn)營時速最高的國家，同時也帶來列車運(yùn)營安全風(fēng)險增加的問題。隨列車運(yùn)營速度與輕量化水平的不斷提高，解決車輛安全性和效能矛盾的難度顯著增加。與低速軌道車輛相比，高速列車尖梭頭型、輕量化要求、能量耗散量級等對被動安全防護(hù)速度的提高均帶來了巨大挑戰(zhàn)，對列車仿真精度、效率、試驗驗證方法及能力提出了更高要求，多樣性、系統(tǒng)性、隨機(jī)性等特征突顯。

2011 年，中國鐵路總公司對高速列車被動安全性能提出專項研究課題“動車組碰撞被動保護(hù)技術(shù)研究”。采用產(chǎn)學(xué)研用一體化模式，聯(lián)合行業(yè)內(nèi)具有相關(guān)研發(fā)基礎(chǔ)的高等院校、科研院所、先進(jìn)設(shè)計-制造企業(yè)、鐵路運(yùn)營機(jī)構(gòu)等系統(tǒng)地開展了高速列車被動安全技術(shù)研究、方案設(shè)計及優(yōu)化、驗證評估、成果轉(zhuǎn)化及應(yīng)用的全流程工程化，研發(fā)了適用于大長細(xì)比、流線化頭型高速列車新型端部吸能系統(tǒng)，搭建了我國高速列車被動安全技術(shù)設(shè)計及評估體系，促進(jìn)了我國高速列車碰撞被動安全裝備產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。圖2所示為研發(fā)歷程示意圖。2014 年，依托高速列車被動安全技術(shù)設(shè)計平臺，開展了“復(fù)興號”平臺動車組被動安全防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計、優(yōu)化和驗證，重點解決了能量梯度分級與車端導(dǎo)向能力的優(yōu)化，解決了車端吸能系統(tǒng)在變形順序、協(xié)調(diào)匹配、載荷穩(wěn)定及抗彎能力等多個方面的問題，同時，依托仿真與試驗對標(biāo)優(yōu)化分析，指導(dǎo)開展了高速列車車輛級的對撞試驗驗證，對列車的前端碰撞吸能系統(tǒng)進(jìn)行了充分驗證，2015年6月，具備被動安全防護(hù)能力的復(fù)興號CR400AF 標(biāo)準(zhǔn)動車組正式下線。2016 年，為了充分驗證高速列車的實車撞擊能力，先后完成了“復(fù)興號”高速列車3車編組、8車編組的列車級實車撞擊試驗，從力、加速度、位移和界面吸能量等物理量對列車的實車撞擊結(jié)果進(jìn)行了綜合評價。2019年9月，中國高鐵技術(shù)團(tuán)隊完成了高鐵碰撞領(lǐng)域的歷史性突破，一輛帶有司機(jī)室的“復(fù)興號”車輛以76 km/h速度撞擊另一輛相同的車輛，列車承受住了巨大的沖擊動能，車輛的整體撞擊姿態(tài)平穩(wěn)，生存空間完整，前端吸能裝置變形充分。

圖2 研發(fā)歷程示意圖Fig.2 Schematic diagram of research process

1.2 研究的框架、思路和方法

高速列車被動安全保護(hù)技術(shù)涉及材料、機(jī)械、力學(xué)、電子、交通等多學(xué)科強(qiáng)交叉內(nèi)容，是一個復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，需基于一體化的設(shè)計思路展開。其總體框架在于：實施被動安全保護(hù)需在滿足列車正常運(yùn)用工況的前提下，圍繞碰撞沖擊減緩、姿態(tài)軌跡保持、乘員傷害降低的原則，對車體按載人區(qū)與非載人區(qū)開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化布局，采用分級防護(hù)和模塊化理念，實施耐撞性設(shè)計，重點解決多界面吸能、吸能承載一體化、精細(xì)化能量管理、運(yùn)營工況分析、剛度梯度匹配、模塊化、多級逐級吸能、輕量化設(shè)計等難題[7]。對于低度沖擊碰撞，車輛主要依賴于車鉤緩沖器吸能；對于中度沖擊碰撞，車輛主要依賴車鉤+專用吸能裝備實現(xiàn)能量耗散；而對于較高速度的沖擊碰撞，車輛還需要車端承載部件參與塑性變形吸能[8]。

具體實現(xiàn)方法為：1)通過將碰撞過程中列車的高沖擊動能轉(zhuǎn)變?yōu)檐嚩藢Ｓ梦芙Y(jié)構(gòu)或端部局部承載結(jié)構(gòu)的塑性變形能，同時還需保障乘員碰撞的生物力學(xué)特征。2)運(yùn)用高精度、高可靠、高效率的顯式有限元數(shù)值分析方法，通過循環(huán)迭代、多目標(biāo)優(yōu)化實現(xiàn)車輛被動安全系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化。3) 采用材料力學(xué)性能試驗、結(jié)構(gòu)部件沖擊試驗、大部件動態(tài)撞擊試驗、車輛實車碰撞試驗以及線路試驗來研究與驗證，最終獲得經(jīng)驗證的合理方案?？傮w思路如圖3所示。

圖3 總體思路Fig.3 General technical route

2 被動安全設(shè)計的具體路徑

為提升列車被動安全防護(hù)等級，逐步實現(xiàn)高速列車運(yùn)營所需的現(xiàn)實級防護(hù)，以下搭載CR400AF 中國標(biāo)準(zhǔn)動車組系統(tǒng)開展高速列車車體被動安全設(shè)計，闡述其具體的要求與實現(xiàn)路徑。

2.1 能量管理

碰撞能量管理(crash energy management)是列車撞擊研究的核心內(nèi)容，主要涉及撞擊速度、車輛編組、車輛間距、質(zhì)量分布、作用力級與位移等[9]。在列車碰撞研究中，為了保證乘客生存空間完整，一般將吸能裝置布置于車體端部。通過列車級的能量管理，確定各界面能量耗散比例及各界面作用力級，為吸能元件、吸能結(jié)構(gòu)、整車設(shè)計及剛度匹配提供支撐[10]。圖4所示為列車能量管理的通常分析模型，其中，A1，A2，A3和A4為主動列車車輛編號，B1，B2，B3和B4為被動列車車輛編號，S1，S2，S3和S4為車輛碰撞界面編號。在該分析過程中，利用多體動力學(xué)分析方法，將車體簡化為剛體，將列車各連接界面之間的車鉤緩沖裝置、吸能裝置等簡化為非線性彈簧單元、Beam梁單元，通過給定初始載荷，獲取車輛在撞擊過程中的位移、速度、加速度及各界面吸能量等，以判斷車輛的能量耗散水平是否在可控范圍內(nèi)[11]。分析時，單一車輛系統(tǒng)由簡化剛體(如車體、鉤緩)、非線性彈簧/梁單元(鉤緩、吸能部件及車體端部允許壓縮區(qū)域的力-變形特性)等計算單元組成[12]。

圖4 車輛模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of vehicle model

具體的運(yùn)動方程如下。

1)車體伸縮運(yùn)動方程：

2)鉤緩裝置伸縮運(yùn)動方程：

式中：Mci和Mcg分別為車體的質(zhì)量、頭車前端鉤緩裝置的質(zhì)量(i=1～4)；Ffpi1和Ffpi2分別為各車輛一位端和二位端吸能裝置給予車體的縱向力；Fbi為每節(jié)車輛的輪軌摩擦力；Fcgi1和Fcgi2分別為各車輛一位端和二位端鉤緩裝置給予車體的縱向力；Fcg11為頭車前端鉤緩裝置給予車體的縱向力；P為兩列車頭車前端鉤緩裝置接觸面上的沖擊力。

3)一位端吸能裝置伸縮運(yùn)動方程：

4)二位端吸能裝置伸縮運(yùn)動方程：

式中：Mfpi1和Mfpi2分別為各車輛一位端和二位端吸能裝置的質(zhì)量；Ffpi1和Ffpi2分別為各車輛一位端和二位端吸能裝置給與車體的縱向力；Pi1和Pi2分別為各車輛一位端和二位端吸能裝置接觸面上的沖擊力。

如前所述，鉤緩和吸能裝置通過加載和卸載的過程就可以吸收列車的撞擊能量，因此，建立2列車碰撞的一維動力學(xué)運(yùn)動方程時可不需要考慮阻尼矩陣。2列車碰撞的一維動力學(xué)運(yùn)動方程為

2.2 材料動態(tài)模擬

車體中的多數(shù)材料在高速撞擊等條件下其力學(xué)響應(yīng)往往與靜載荷下的力學(xué)響應(yīng)有顯著不同，尤其是金屬材料和非金屬高分子材料等[14]，在受到強(qiáng)瞬態(tài)外力作用時，表現(xiàn)出應(yīng)變率對屈服強(qiáng)度的增強(qiáng)效應(yīng)，部分材料還表現(xiàn)出溫度相關(guān)性，其塑性流動應(yīng)力隨溫度、應(yīng)變率和應(yīng)變的變化而變化，如有些材料存在的熱激活位錯運(yùn)動塑性流動行為等[15-16]。對于各向同性金屬材料，考慮單向材料失效、考慮三軸向材料失效和不考慮材料失效3種處理方式，所得結(jié)構(gòu)的失效模式大不相同[17]?？梢劳鞋F(xiàn)有的高速拉伸試驗機(jī)如MTS及Hopkinson壓桿設(shè)備獲取金屬材料在靜、動態(tài)載荷下的力學(xué)性能參數(shù)，快速確定車體結(jié)構(gòu)、吸能結(jié)構(gòu)所用材料在靜態(tài)、動態(tài)時的力學(xué)性能差異[18]，如圖5 所示。在此基礎(chǔ)上，形成適用列車碰撞模擬的材料本構(gòu)模型，用于提升仿真計算的精度，真實地反映結(jié)構(gòu)的變形模式和損傷結(jié)果，為吸能元件設(shè)計選型、吸能部件設(shè)計、車體結(jié)構(gòu)設(shè)計及系統(tǒng)剛度匹配提供參考[19]。

圖5 車用典型材料的力學(xué)性能差異Fig.5 Difference in mechanical properties of typical automotive materials

2.3 元件設(shè)計

在碰撞過程中，高速動車組所采用細(xì)長流線化頭型，對端部的吸能量和變形穩(wěn)定性要求較高，因此，大容量、長行程、塑變穩(wěn)定的吸能元件形式是追求的重要目標(biāo)，在吸能過程中應(yīng)該滿足碰撞動能耗散有序、行程足夠和吸能模式穩(wěn)定的條件。吸能元件通過金屬材料的軸向塑性大變形或復(fù)合材料的分層彎曲、橫向剪切以及局部屈曲吸能來耗散碰撞能量。金屬薄壁管因其吸能效率高、質(zhì)量小、成本低等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于車輛、輪船、航空航天等領(lǐng)域，也可以作為承載式吸能結(jié)構(gòu)，因此，對高速列車而言，采用薄壁管作為吸能元件較合適。為了提高比吸能，基于傳統(tǒng)薄壁圓管，近年發(fā)展了多種結(jié)構(gòu)形式和擠壓、切削、膨脹等多種變形模式[20-21]。在吸能元件的選型過程中，多胞材料因其具有較高的比吸能成為優(yōu)選方案。首先要選定多種不同截面形狀的胞元結(jié)構(gòu)，對比其在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮條件下的壓潰性能，從壓潰形式、穩(wěn)定性和變形力級等方面進(jìn)行比較。在此基礎(chǔ)上，綜合考慮質(zhì)量、壓潰載荷和比吸能等多個關(guān)鍵指標(biāo)，確定吸能元件的最終形式[22-23]。圖6所示為蜂窩型、格柵型和多胞管型的多孔吸能元件及其力學(xué)特性對比。由圖6 可知：3 種多孔吸能元件的力學(xué)性能均較為優(yōu)越，力-位移曲線較為平穩(wěn)，平臺區(qū)載荷擾動較小。

圖6 多種元件設(shè)計方案的力級、變形對比Fig.6 Comparisons of force level and deformation with various component design schemes

2.4 部件設(shè)計

車體端部吸能部件是高速列車中最關(guān)鍵的部件，具有吸能、承載和連接等功能。目前，高速列車端部吸能部件設(shè)計模式主要基于既有產(chǎn)品的胞元結(jié)構(gòu)，通過改變胞元形式、尺寸，并在內(nèi)部添加鋁蜂窩吸能材料，以開發(fā)更優(yōu)吸能特性的多胞蜂窩填充吸能部件[24]。隨高速列車運(yùn)營速度不斷提升，其端部長懸臂小截面結(jié)構(gòu)彎曲剛度較小，撞擊時易彎曲，極易造成車端結(jié)構(gòu)與承載車體結(jié)構(gòu)間出現(xiàn)復(fù)雜動靜態(tài)剛度匹配失穩(wěn)。另一方面，前端鼻錐及內(nèi)部大量復(fù)雜構(gòu)件亦會妨礙車鉤的有效嚙合，進(jìn)一步增加了車輛脫軌的風(fēng)險。在高速列車端部吸能部件設(shè)計過程中，應(yīng)以吸能部件的安裝空間為基礎(chǔ)，重點關(guān)注各吸能系統(tǒng)的自身形變穩(wěn)定性，考慮結(jié)構(gòu)部件強(qiáng)導(dǎo)向性(強(qiáng)度剛度)和匹配性、確保力級變化梯度可控、動作協(xié)調(diào)。

以CR400AF 高速列車為例，前期圍繞國內(nèi)外典型的列車車端吸能部件設(shè)計形式特點，開展了3種頭車前端吸能方案的設(shè)計(圖7)，綜合考慮撞擊防護(hù)、氣動設(shè)計和輕量化要求，完成了具有防撞—承載—安裝一體化理念的整體式列車吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計(圖8)，集開閉機(jī)構(gòu)、排障器、前端吸能裝置和司機(jī)室結(jié)構(gòu)于一體。采用導(dǎo)筒與滑塊進(jìn)行宏觀導(dǎo)向和微觀調(diào)節(jié)，實現(xiàn)在實車碰撞的工況下全過程防爬糾偏，確保有效嚙合；系統(tǒng)匹配鉤緩、主吸能、排障器和司機(jī)室的剛度，各級吸能塑變動作有序，姿態(tài)正確，生存空間完整[25]。

圖7 部件設(shè)計方案對比Fig.7 Comparison of different component

圖8 整體式吸能結(jié)構(gòu)Fig.8 Integral energy absorbing structure

2.5 整車設(shè)計

重點考慮接口關(guān)系、安裝空間、強(qiáng)度及剛度匹配、系統(tǒng)耦合，控制塑變過程穩(wěn)定性、保證客室空間完整性。統(tǒng)籌考慮端部吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計、車體主結(jié)構(gòu)設(shè)計及兩者剛度匹配，形成吸能車體技術(shù)方案。以圖9所示的耐撞列車設(shè)計為例，耐撞列車分為A 區(qū)和B 區(qū)，當(dāng)1 列運(yùn)動列車以36 km/h 撞擊一靜止列車時，其生存空間的變形量如下：A區(qū)最大變形量為7.82 mm，B 區(qū)最大變形量為13.50 mm。而圖中的司機(jī)室減速度時程曲線反映其加碰撞減速度為4.3g，頭車車輪垂向位移小于21 mm，滿足標(biāo)準(zhǔn)EN 15227—2007規(guī)范要求。

圖9 吸能車體技術(shù)方案Fig.9 Technical scheme of energy absorbing car body

3 性能評估驗證

3.1 型材仿真-試驗對標(biāo)

高速動車組的底架型材屬于動車組車體結(jié)構(gòu)的主要承載部件，基于底架型材試件的沖擊試驗結(jié)果，開展仿真與試驗結(jié)果的一致性校正分析。試驗件由型材、加強(qiáng)筋和安裝板組成，其中型材均截取于底架邊梁，試件總長度均為350 mm。底架型材試件有限元模型采用實體單元網(wǎng)格劃分。碰撞過程中底架型材的變形情況如圖10 所示，由圖10 可知：仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的變形模式基本吻合，碰撞開始后，型材于碰撞后7 ms 時刻出現(xiàn)第一個褶皺，第31 ms時褶皺完全形成。

圖10 底架型材試件變形圖Fig.10 Deformation diagram of bottom frame profile specimen

底架型材在碰撞過程中的變形量隨時間的變化及撞擊力隨變形量的變化如圖11 所示，由圖11可知：仿真計算和試驗測得的變形量一致性較高，仿真與試驗結(jié)果的最大變形量相對誤差為5.5%；在碰撞過程中，底架型材的撞擊力隨變形量變化曲線趨勢一致，吻合較好。

圖11 底架型材變形量-時間曲線與底架型材撞擊力-變形量曲線Fig.11 Curves of bottom profile deformation-time and curves of bottom profile impact force-deformation

3.2 部件級試驗評估

針對高速列車端部長懸臂小截面結(jié)構(gòu)彎曲剛度小，撞擊易彎曲，導(dǎo)致抬升爬軌、鼻錐罩及內(nèi)部大量復(fù)雜構(gòu)件，妨礙車鉤有效嚙合，撞擊瞬間易側(cè)偏，致防撞失效等關(guān)鍵技術(shù)難題，結(jié)合整車被動安全防護(hù)方案，完成車鉤對撞、車鉤+開閉罩對撞、排障器對撞、車鉤+主吸能對撞等多種工況下的部件級系列試驗[26]，分析開閉機(jī)構(gòu)、車鉤緩沖裝置、排障器、主吸能結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵部件變形情況，充分驗證系統(tǒng)嚙合有效性、變形協(xié)調(diào)性、導(dǎo)向可靠性、剛度匹配性等，提高在各種異常工況下的有效性[27-28]。圖12 所示為整車全包覆工況下端部大部件的仿真與實車試驗結(jié)果。由圖12可知：兩者變形模式吻合，各部件逐級動作協(xié)調(diào)，剛度匹配較好，總體趨勢基本保持一致[29]。

圖12 碰撞過程中整體變形圖Fig.12 Overall deformation diagrams during collision

3.3 實車對撞驗證

開展實車對撞試驗是檢驗列車耐撞性設(shè)計較接近實際的重要試驗。2019年9月，在1輛帶有司機(jī)室的“復(fù)興號”車輛以76 km/h速度撞擊另一輛相同的車輛的對接試驗中，吸能界面接觸、變形充分，前端結(jié)構(gòu)件與吸能部件間動作協(xié)調(diào)，沖擊吸能量大，減速度合理，剩余空間充裕，實現(xiàn)了世界首次高速動車組的列車級對撞試驗[30-31]，如圖13 所示。由圖13 可見：在列車級碰撞過程中，車輛主要的吸能部件充分吸收了列車的初始沖擊動能，各系統(tǒng)之間匹配較好，列車各界面能量吸收梯度可控，司乘人員的生存空間保持完整，列車沒有脫軌，證明各界面有效嚙合，動作協(xié)調(diào)，姿態(tài)穩(wěn)定，能量耗散有序，無爬車、脫軌現(xiàn)象，各指標(biāo)安全裕度充足。

圖13 全尺度整車級碰撞試驗及仿真Fig.13 Full-scale vehicle crash test and simulation

3.4 我國動車組耐撞性標(biāo)準(zhǔn)

基于前述國外碰撞標(biāo)準(zhǔn)對比分析、標(biāo)準(zhǔn)制定依據(jù)和國內(nèi)外碰撞事故調(diào)研，從適用范圍、碰撞工況、安全準(zhǔn)則、試驗內(nèi)容、能量管理、仿真方法等方面編制了適用于我國規(guī)范TB/T 3500—2018“動車組車體耐撞性要求與驗證規(guī)范”、TB/T 3501—2018“機(jī)車車輛碰撞試驗測試規(guī)范”等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，填補(bǔ)了國內(nèi)動車組碰撞被動安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)空白，形成了高速動車組碰撞被動保護(hù)設(shè)計技術(shù)體系及評估規(guī)范。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

探索、總結(jié)出一套以材料選型—結(jié)構(gòu)設(shè)計—整車設(shè)計為主要設(shè)計步驟，以數(shù)值仿真為主要手段，以臺架碰撞、實車沖擊為數(shù)據(jù)支撐，通過循環(huán)迭代、多目標(biāo)優(yōu)化實現(xiàn)車輛被動安全系統(tǒng)的設(shè)計方法，創(chuàng)新開發(fā)了適用于高速列車流線化大細(xì)長比尖梭頭型的“結(jié)構(gòu)承載+碰撞吸能+模塊安裝”一體化端部吸能系統(tǒng)，該被動安全防護(hù)系統(tǒng)使我國自主研發(fā)的CR400AF 型“復(fù)興號”動車組平臺被動安全防護(hù)各項技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于主流歐美標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)志著我國高速列車系統(tǒng)安全防護(hù)性達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

4.2 展望

1)面對高速動車組細(xì)長頭型、吸能變形穩(wěn)定性及各子系統(tǒng)逐級梯度變形協(xié)調(diào)性的需求，研究列車多體動力學(xué)彈塑性模型及精細(xì)化仿真技術(shù)，建立列車撞擊能量耗散法則，用以解決結(jié)構(gòu)輕量化、強(qiáng)度、吸能三者之間的技術(shù)矛盾，實現(xiàn)列車撞擊多體剛度協(xié)同及撞擊界面力與行程設(shè)計匹配優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)一步提升高速列車碰撞安全防護(hù)速度等級。

2)研發(fā)高比吸能、模塊化、耐久性的專用吸能結(jié)構(gòu)及裝置，開發(fā)復(fù)合吸能防爬等一體化結(jié)構(gòu)；推動建立承載及變形結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計方法；開展復(fù)合材料吸能性能研究；研制長行程、大容量、塑變性能優(yōu)良的新型輕量化吸能元件，形成復(fù)合材料吸能結(jié)構(gòu)工程化技術(shù)方案。

3)研究乘員二次碰撞邊界條件，搭建二次碰撞典型場景，預(yù)測車輛內(nèi)部結(jié)構(gòu)對乘員關(guān)鍵部位的碰撞傷害，優(yōu)化車輛內(nèi)部結(jié)構(gòu)耐撞性，降低車內(nèi)二次碰撞中對乘員的傷害，提升了高速列車乘員安全性[32]。

4)需針對線路條件開展列車線路高速驅(qū)動控制技術(shù)、線路試驗安全防護(hù)技術(shù)研究，并對列車級的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，對全列車域變形序列進(jìn)行高速、動態(tài)捕捉。

5)結(jié)合人工智能、主動控制技術(shù)，利用先進(jìn)的智能感知算法、快速信息傳感技術(shù)、智能學(xué)習(xí)算法，開展列車在途姿態(tài)動態(tài)感知與識別，敏捷識別列車碰撞的可能性，主動提升車輛吸能性能，實現(xiàn)碰撞安全保護(hù)，提升列車的安全碰撞防護(hù)速度，更大限度地保護(hù)司乘人員的人身安全及車體結(jié)構(gòu)。

6)進(jìn)一步完善覆蓋設(shè)計、測試、試驗、仿真全過程的標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建，推進(jìn)高速列車碰撞安全國際化標(biāo)準(zhǔn)建立；面向不同材料車體、不同制式的高速列車，進(jìn)一步提升碰撞試驗驗證平臺和仿真分析平臺的功能、效率與精度，完善高速列車碰撞安全評估體系。