城市轨道交通的发展对列车碰撞安全性提出了更高的要求,列车专用吸能装置可在碰撞发生的瞬间吸收大量冲击动能,保护乘员安全,因此成为碰撞安全性领域重点研究的课题。传统城轨车辆多采用压溃式吸能结构,而本文基于金属切削过程中会消耗大量动能的原理,对切削式吸能过程开展了深入的研究。鉴于已有研究成果均未考虑切削热对吸能过程的影响,本文采用Johnson-Cook材料模型,对切削吸能过程进行了完整的热固耦合研究,更加真实地模拟了整个吸能过程,撞击力曲线并未出现较大峰值,且力值十分平稳,说明切削式吸能是一种比较理想的吸能模式。同时研究了吸能系统的温度变化情况,得到了热效应对动能耗散过程产生了重要影响的结论。本文还对热固耦合切削吸能的惯性效应及变截面特性加以研究,发现此种吸能方式不同于压溃式吸能,其惯性效应并不明显,即初始碰撞条件对吸能过程基本没有影响,而热效应则受速度影响十分显著。被切削工件的截面长度和宽度均与撞击力之间近似呈线性关系,对热学特性则几乎没有影响,根据拟合出的关系式,提出了“单位面积切削力”与“单位体积吸能量”的概念,在此基础上分析了刀具几何参数对吸能过程的影响,利用正交多项式回归方法得到了其具体影响模式,并结合国内典型地铁列车的碰撞性能要求,采用遗传算法对刀具参数加以优化,获得了符合实际要求的切削参数。本文在数值仿真的研究基础上,总结出了城轨列车吸能装置的具体设计方法,并采用得到的最优切削参数首次设计了针对典型地铁列车的切削吸能装置,为这种新型吸能方式的具体应用打下了坚实的基础。本文所得成果对进一步深入研究切削式吸能过程及其工程应用具有重要的意义。