随着经济的发展和设计方法的进步,近年来列车设计向着轻量和高速化发展,使得列车整体结构刚度削弱,柔度增加。在列车碰撞过程中当车体结构所承受载荷超过设计载荷,达到车体结构的极限承载状态时,将导致列车车体结构崩溃破坏。此外车体结构动态极限承载力较静态极限承载力偏大,基于静态极限承载力的车体结构设计方法将造成车体结构的质量冗余,因此合理评估车体结构在碰撞冲击载荷作用下的动态极限承载力成为列车设计人员亟待解决的问题。与车体结构静态极限承载力分析相比,结构的动态极限承载力分析需要考虑结构惯性力,材料应变率及动态屈曲模式等参数使其变得更为复杂。由于车体结构的复杂性,采用数值法、解析法和经验公式预测结构极限强度存在许多问题。因此如何准确分析车体结构在碰撞载荷下的极限强度对于列车结构安全及轻量化设计具有很重要的意义。结合正交勒让德多项式和坐标系变换矩阵,提出一种修正微分求积法。利用离散化方法将带孔板和管梁结构离散为四个四边形板单元并分别进行计算域的转换。然后利用弹簧组元法计算带孔板和管梁离散结构的耦合边界刚度矩阵,根据弹塑性应力更新方法,建立板和管梁结构的弹塑性动力学模型。最后利用该模型对带孔板和管梁在侧向和纵向载荷下的动态响应和临界屈曲载荷进行分析,并对其进行验证。结果发现该分析模型能够满足板、梁结构的弹塑性动态特性分析。采用修正微分求积法结合刚度矩阵奇异性判定准则和材料弹塑性本构模型分别对板、带孔板和管梁在冲击载荷作用下的动态特性进行分析,深入讨论初始变形,压-剪耦合载荷,长宽比和冲击时间等参数对梁板结构动态特性及极限承载力的影响。研究结果发现初始变形、耦合载荷、长宽比和冲击时间对板、梁的极限强度影响很大。此外冲击时间越大,板、梁结构的极限承载能力越小,并且当冲击时间较大时,随着冲击时间的继续增加,结构极限承载力基本不变。针对梁板结构在纵向压缩载荷作用下的极限承载力,利用弹簧组元来处理梁、板耦合问题以保证梁、板变形的协调性,对梁板结构在纵向压缩载荷作用下的动静态极限承载能力进行研究。采用修正微分求积法分析冲击时间、边界约束刚度、初始变形和压剪耦合载荷等参数对梁板结构动态特性的影响。结果发现随着弹性边界约束刚度的增加,梁板结构在冲击载荷作用下的动、静态极限承载能力逐渐增加,但极限承载力动静比变化不明显。此外利用实验法对梁板结构在冲击载荷下的动态特性分析方法进行验证。相对薄板和梁板结构,车体箱梁更能反映列车在碰撞载荷作用下的动态特性。梁板结构作为箱梁结构的基本组成部件。根据对梁板结构的研究,提出一种结构单元离散方法,将箱梁离散为一系列梁板结构并考虑其变形的连续性,利用弹簧组元连接,分析箱梁结构在冲击载荷作用下的动态响应。由于列车在碰撞过程中,箱梁结构不仅受到外部冲击载荷作用的影响,还受到箱梁截面几何形状的影响。因此采用修正微分求积法结合刚度矩阵奇异性判定准则分析初始变形、加载时间、长宽比、管梁几何尺寸等参数对动态极限承载力的影响。发现初始变形、管梁尺寸和加载时间对箱梁结构的极限承载能力影响比较明显,而长宽比和管梁位置影响相对较小。此外设计一系列箱梁实验模型研究不同速度下箱梁结构的极限承载能力和失效模式,并验证该结构单元离散化方法的适用性。最后根据参数化分析结果,提出一个考虑几何和物理参数的箱梁动态极限承载力预测公式。以列车车端箱梁结构作为优化设计对象,以箱梁结构动态极限承载力的研究为基础,利用响应面法对箱梁结构分别进行形状和尺寸优化,其中以静态极限承载力为约束条件,质量最轻为优化目标。结果发现优化后的箱梁结构在满足结构承载的要求下,箱梁质量减小19.70%。此外采用有限元法对箱梁优化结果进行验证。