随着生活水平的提高和城市化进程的加快,人们对出行工具的需求日益增加。大型城市需要更加快速、安全的交通运输工具。轨道车辆正是一类速度快、载客量大以及安全性高的交通运输工具,极大满足了大型城市的日常交通需求。在轨道车辆的设计中,吸能装置是保证其安全的一种重要装置,主要由金属薄壁结构构成,通过塑性变形吸收碰撞能量。传统的吸能装置多为单层金属薄壁方管结构,主要采用预制压痕、附加结构等方式来控制薄壁结构在冲击荷载作用下的变形模式,从而提高其吸能效果。本文将金属表面纳米化技术与结构设计引入到轨道车辆吸能装置设计中,一方面对金属薄壁方管表面进行局部纳米化处理,实现其在冲击荷载下的变形控制,另一方面通过金属薄壁结构进行双层嵌套式设计,从而提出一种全新局部表面纳米化嵌套式轨道车辆吸能装置。与传统轨道车辆吸能装置相比,本文提出的新型吸能装置具有容易加工(无需预制缺陷或打孔)、设计简单(局部纳米化条纹可数字加工)、吸能效果提升显著(能量吸收提升20%以上)等特点。主要研究内容如下:1.局部表面纳米化金属薄板的屈曲行为研究。首先建立局部纳米化矩形金属薄板的数值模型,采用ABAQUS数值模拟软件进行屈曲临界荷载计算,分析不同的纳米化条纹分布(水平条纹、垂直条纹、棋盘式片状条纹)、纳米化条纹数目以及薄板厚度等对屈曲临界荷载的影响。研究结果表明,局部表面纳米化后,金属薄板的屈曲临界荷载均有较大提升,垂直纳米化条纹对临界荷载的提升效果最为明显,可以获得最佳的抗屈曲纳米化设计方案。2.局部表面纳米化单层金属薄壁方管吸能特性研究。采用ANSYS建立其纳米化单层金属薄壁方管的数字化模型,利用LS-DYNA模块进行仿真计算,分析环向纳米化布局以及纳米化等分数目对薄壁管吸能的影响。研究表明,环向纳米化布局(无论对称还是反对称布局)均可以提高金属薄壁方管能量吸收效果,等分数目存在一个最优值,即吸能效果趋于饱和状态的优化模型。3.局部表面纳米化双层嵌套式金属薄壁方管的吸能特性研究。首先,利用ANSYS建立三种(内外管长度一致、外管长内管短以及外管短内管长)双层嵌套式金属薄壁方管的结构,通过分析发现外管长内管短为合理双层嵌套式设计。其次,研究该类双层嵌套式吸能装置的环向局部纳米化方案以及对应的纳米化等分数目对吸能效果的影响。研究结果表明,两种纳米化布局方案对薄壁结构的吸能效果都有显著提升,其屈曲变形更加稳定,并且两种布局下纳米化等分数目均存在最优值;相对于单层最优模型,双层方管模型变形更加稳定,吸能效果大幅增加。