随着高速列车运行速度提高[1]，一旦发生碰撞事故，将造成重大人员伤亡和财产损失。2011-07-23T20:30，甬温线发生高速列车追尾事故，造成40多人死亡200多人受伤。为实现列车乘员安全保护，减少事故损失，对列车端部吸能装置的要求也越来越高，所以设计和优化合理的列车端部吸能装置已经成为列车耐撞性研究中的热点问题。

理想的列车吸能结构应当位于车体的前后部分，在可控制的变形区域内发生塑性变形，吸收撞击动能，同时保障乘客区域不发生严重破坏，并且在碰撞过程中不会产生过大的撞击力峰值，使撞击减速度在人体的承受范围内[2]。薄壁结构因其吸能效率高、重量轻、成本低等特点，被广泛应用于车辆、轮船、航空航天等领域[3]，对高速列车来说，采用薄壁管作为吸能元件是比较合适的。国内外学者已经在列车吸能结构方面做了很多工作并取得了一定成果[4-9]，姚松等[10-14]对吸能结构中常用的典型薄壁结构碰撞吸能的影响因素如结构横截面形状、结构尺寸、材料特性参数、结构预变形等进行了研究，探讨了不同的因素对结构碰撞吸能特性的影响规律。

过去的研究多集中于圆管、方管等单胞吸能结构，很少有关于多胞吸能结构方面的研究。高广军等[15]对六边形蜂窝吸能结构进行了撞击数值仿真，发现组合构型多胞薄壁管的耐撞性要优于单胞吸能结构；文桂林等[16]基于多项式代理模型和多目标粒子群优化算法，对不同截面形状的多胞结构进行了耐撞性优化设计；亓昌等[17]采用有限元仿真,以比能量SEA和撞击峰值力Fp为评价指标,研究了不同冲击角度下的锥形多胞薄壁方管的吸能特性。

基于以上研究，可以看出多胞薄壁吸能结构具有广泛的应用前景，本文以实际的工程项目为背景，以某型号高速动车组前端多胞吸能结构为研究对象，首先对吸能结构进行数值仿真研究其耐撞性，接着通过台车冲击试验验证数值仿真结果。在经过验证的数值仿真的基础上，结合Kriging近似模型和多目标粒子群优化算法，以最大比吸能SEA(Specific Energy Absorption)和撞击平台力Fm为优化目标，对高速列车前端吸能结构进行耐撞性优化，并确定合理的截面尺寸参数。

1 模型的建立

1.1 几何模型

高速动车组的前端吸能结构，如图1所示。是以八边形管为基础，正六边形管围绕在其四周，形成的五孔组合蜂窝结构形式[18]。正六边形单元胞的边长a为56 mm，八边形管上、下边长b为56 mm，侧边长c为51 mm，斜边与侧边的夹角为150°，上、下边与斜边的夹角为120°，横截面的大小为280 mm×245 mm。五孔吸能结构薄壁厚度为5 mm，长度为500 mm。

图1 高速动车组前端吸能结构Fig.1 High-speed train front-end energy-absorbing structure

1.2 有限元模型

1.2.1 有限元模型的定义

为了研究吸能结构的耐撞性，本文使用非线性有限元软件LS-DYNA对其进行数值仿真分析。利用Hypermesh前处理软件对吸能结构的几何模型进行网格划分，得到如图2所示的有限元模型，包括固定刚性墙、吸能结构、固定轨道、试验台车四个部分。为了准确模拟吸能结构的变形，胞壁均采用5 mm×5 mm的Beltschko-Tsay四边形壳单元，单元厚度方向采用3点积分，面内采用单点积分。同时为了提高计算效率，试验台车和轨道的单元尺寸设为20 mm×20 mm。

在模拟碰撞时，吸能结构的自接触采用“AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE”接触算法，吸能结构与台车、轮对与轨道之间采用“AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE”接触算法。接触的静摩擦因数设为0.3，动摩擦因数设为0.1。吸能结构固定在质量为3 000 kg的台车前端，台车在固定轨道上以初始冲击速度v0=15.51 m/s撞击固定刚性墙。

图2 有限元模型及边界条件Fig.2 FEM and boundary conditions

1.2.2 材料模型

吸能结构的材料为6008系铝合金，为了获得材料的力学性能，从相同的吸能结构上截取一块标准件，使用MTS 647液压万能材料试验机进行准静态拉伸试验，如图3所示。因金属材料在弹性阶段应力随应变呈线性变化，试验时采用恒定载荷增量加载以缩短加载时间，加载载荷增量为20 kN/min；当进入初始塑性后，采用15 mm/min的恒定速度加载。得到材料的应力-应变曲线，如图4所示。材料的参数，如表1所示。使用LS-DYNA材料库中的Mat.024材料模型定义6008系铝合金的材料属性。为了减少计算时间，在计算精度不降低的情况下，台车和钢轨使用“_RIGID”材料模型定义属性。

表1 吸能结构材料参数Tab.1 Energy-absorbing structurematerial properties属性参数密度/(kg·m-3)2700杨氏模量/MPa泊松比0.33屈服应力/MPa135极限应力/MPa161

文章来源：《固体力学学报》 网址: http://www.gtlxxbzz.cn/qikandaodu/2020/1109/350.html

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