摘 要：从贯穿“碰撞能量规划-材料选型-元件设计-部件设计-整车设计”的高速列车车体耐撞性设计体系架构出发，详细介绍了设计研发过程中的车钩缓冲装置设计、防爬吸能装置设计、开闭机构设计、排障器设计、司机室及车体主结构设计的关键要点，并对高速列车车体耐撞性评估关键技术进行了阐述，展望了高速列车车体耐撞性设计及评估技术的未来发展方向。
关键词：耐撞性；高速列车车体；防爬吸能装置；开闭机构；排障器
引 言
保障高速列车的运营安全是当前铁路行业的首要任务。根据国外和国内发生的重大列车事故统计，列车碰撞是最为典型的安全事故之一。尽管国内外铁路工作者在实践中已经采用了各种可能的技术手段和管理措施来防止事故的发生，但是，由于复杂多样的客观和人为因素，碰撞事故依然时有发生，损失也极为惨重。因此，开展高速列车耐撞性车体设计以提升高速列车被动安全防护性能具有重要的理论指导和工程实际意义[1]。
1 耐撞性车体总体设计
高速列车耐撞性车体设计是一个系统工程，它不仅仅包括车体主结构、头部造型及司机室结构、防爬吸能结构、车钩缓冲装置、开闭机构和排障装置的功能性结构设计[1]，也包括各部件结构工程化及其刚度匹配性设计，可分类为：碰撞能量规划、材料选型、元件设计、部件设计、整车设计；且在设计过程中需以数值仿真为辅助手段，并通过台架试验、实车试验为数值仿真提供模型修正数据支撑，多次循环迭代以优化设计结构。
1.1高速列车碰撞能量预分配
根据高速列车编组数量、车体质量、撞击速度、头型尺寸等参数，以列车三维碰撞动力学理论为基础，建立多体动力学模型，分析各车辆产生塑性变形的程度以及各车辆撞击力、撞击速度、加速度和吸能量等耐撞性参数，并基于多目标优化算法得到特定响应下的能量耗散分配值、吸能装置载荷及长度等最优设计参数，为列车碰撞能量管理系统内参数的优化设计提供参考依据，实现多编组列车的头车和中间车碰撞能量预分配[2]。
1.2 材料选型
合理的材料选型是高速列车车体具有良好耐撞性能的基础，而材料合理选型前提是准确掌握材料的力学性能，因此需要利用准静态实验设备和动态冲击实验设备，开展车体所用材料、吸能装置所用材料及焊接接头的准静态、高速动态拉伸、压缩力学性能研究，根据试验数据建立可以描述冲击条件下铝合金材料及焊接接头在不同应变速率、不同应力状态下变形及损伤演化破坏规律的本构模型，为列车耐碰撞设计与精确性仿真优化奠定良好的基础。
2.元件设计
2.1 车钩缓冲装置设计
车钩缓冲装置除了承担在车辆间传递纵向力等基本功能外，在低速（≤5km/h）碰撞时起着非常重要的作用，若通过在车钩刚性结构中加入压溃管等吸能原件，可在较高速度（≥5km/h）发生碰撞时发生压溃变形大幅吸收碰撞能量。最具代表性的是我国“复兴号”动车组前端钩缓装置：机械部分主要由连挂系统、缓冲器组成、车钩安装管、压溃管四大部分组成，平时主要作用是实现动车组与其他车辆的连接，传递列车重联运行的纵向力，若动车组发生碰撞时，可通过缓冲器及压溃管的鼓胀变形吸收碰撞能量，以保护司机和旅客安全[3]。
2.2防爬吸能装置设计
防爬装置由防爬齿、缓冲吸能装置及安装板等结构组成，其主要作用是：当列车发生碰撞时，相互撞击的两相邻车端的防爬器啮合以限制车辆间的垂向位移，尽可能地将车辆限制在轨道上，这样就可以保证相互撞击的车端在纵向发生大变形，有利于吸能装置充分发挥作用。
吸能装置一般均由基本的吸能元件组成，其耐撞性主要取决于这些基本吸能元件的性能[4,5]。
大多数吸能元件用韧性金属制成，而非金属材料近年来也在不断获得使用，其吸能元件吸能破坏方式也多种多样，如：压溃式、鼓胀式、切削式等多种形式[6,7]。
虽然防爬吸能装置形式多种多样，但是，这些防爬吸能装置需遵守一些共同的设计准则：
（1）防爬装置至少能够承受100kN-150kN的垂直载荷，而不发生弯曲；
（2）当发生碰撞的车辆之间出现100mm垂直方向的偏差情况下，防爬装置仍能够正常啮合且不发生弯曲失稳；
（3）吸能装置尽可能得将碰撞动能转化为不可逆地变性能，即结构以塑性变形来吸收动能，而不是以弹性变形来储存能量；
（4）吸能装置塑性屈曲变形呈逐步渐进式，撞击力在塑性变形过程中基本保持一致，稳定的变形可确保作用在乘客身上的减速度值在忍受极限以内；
（5）应具有足够的塑性变形行程，且在变形吸能过程中不造成次生破坏；
（6）具有良好的“比吸能”，即单位质量吸收的能量，吸能元件初始长度的70％～75％可以作为能量吸收用途使用；
（7）成本低廉、易制造、易更换。
2.3 开闭机构设计
开闭机构设计对于保证高速列车空气动力学性能有重要作用，并将车钩等传统列车上外露的一些设备装置包装在车体内部，其材质一般为玻璃钢或者复合材料。在设计开闭机构时，一方面要保证功能正常满足TB/T 3458-2016 《动车组前端开闭机构》标准中强度、冲击等要求，另一方面也要对开闭机构加工制造用材料进行选型，结构进行优化，保证在36km/h及以上速度撞击时易碎，避免两车对碰时会产生头车爬车、脱轨现象，并保证吸能系统能够正常发挥吸能功能。
2.4排障器设计
由于排障器安装在头车前端，与吸能装置有密切的位置关系。排障器不但可以承受一定的载荷以扫除线路上的障碍，并要求在列车发生事故时不得阻碍吸能装置有序变形，必要时且可吸收部分碰撞能量。排障器主要有三种设计方式：一种是位于吸能装置后方，不影响吸能装置变形；一种是具有滑道形式，可随吸能装置变形一起后退；一种是压溃式，可随吸能装置变形并吸能。
2.5 司机室及车体主结构设计
在进行司机室及车体主结构设计时，要充分结合考虑冲击速度、材料与几何参数、吸能装置力值等多种因素开展车辆承载与耐碰撞性能协同设计。一方面需保证与司机室与车体拥有合理的强度与刚度，提升吸能结构、车体结构刚度协调性，另一方面需将冲击载荷分散传递到车体断面，避免车体前端瞬时冲击过载，从而实现司机室前端吸能结构均能够发生合理的变形模式，充分发挥吸能功能，最终达到保护司机和乘客安全的目的。
3.展望
由于列车碰撞问题的复杂性,还有许多设计与评估关键问题需要进一步深入研究。随着我国高速列车事业的迅猛发展,近年来在制造、工艺、科研等各方面投入逐步增大,虽然提出了车体耐撞性要求以及碰撞试验测试方法，但尚未形成系统的设计规范。未来还需要结合我国高速列车运营情况,开展系统而深入的研究。
参考文献
[1]陈秉智, 杨慧芳, 兆文忠. 高速动车组碰撞仿真研究[J]. 大连交通大学学报, 2011, (1): 11-16.
[2]田口真. 铁道车辆抗冲撞结构的开发[J]. 国外铁道车辆, 2003, 40(6): 23-27.
[3]张振淼, 逢增祯. 轨道车辆碰撞能量吸收装置原理及结构设计(待续)[J]. 国外铁道车辆, 200l, 38(3): 13-19.
[4]张振淼, 逢增祯. 轨道车辆碰撞能量吸收装置原理及结构设计(续完)[J]. 国外铁道车辆, 2001, 38(4): 16-19.
基金项目：国家重点研发计划资助项目（2016YFB200403）
作者简介：张相宁（1982-），男，汉族，工学硕士，高级工程师. 高宁（1989-），男，汉族，工学硕士，工程师.