随着高速铁路的快速发展和轨道车辆运行速度的不断提高,列车被动安全问题更加凸显,轨道车辆的碰撞试验台是实现被动安全防护的重要研究平台,其驱动弹射方法的研究越来越受到人们的重视。当前驱动制式的轨道车辆碰撞试验台存在着低精度、高能耗、高噪音、高成本和不易维护的弊端,为解决此弊端,提出了气囊驱动的弹射试验方法,以实现部件级、车端结构及缩比轨道车辆的弹射碰撞试验。基于该方法的轨道车辆弹射虚拟碰撞试验系统具有反应迅速、变刚度、低噪音等优点,在轨道车辆碰撞试验中具有广阔应用前景。当前针对气囊弹射机理的研究较少,积累的研究成果不足,缺少必要的理论研究和工程实践。因此,本文在充分总结国内外相关研究的基础上,开展了如下工作:（1）气囊非线性静、动态力学性能研究;（2）气囊弹射性能影响因素研究;（3）气囊弹射性能参数优化分析研究;（4）气囊弹射虚拟碰撞试验系统研究;（5）气囊弹射虚拟碰撞试验系统应用研究。该研究工作为揭示气囊弹射机理、提高弹射性能及为气囊弹射在轨道车辆弹射虚拟碰撞的应用提供理论指导。主要结论如下:在气囊非线性理论基础上,运用气囊充气作用的流—固耦合方法,建立了可表征气囊静、动态特性的拉压有限元模型和振动有限元模型。首先开展了气囊在一定初始压强下静态拉、压试验,研究了气囊在不同拉、压位移下的静态载荷特性,并验证了气囊拉、压有限元模型的正确性。其次通过实验研究了频率激励和振幅激励对气囊轴向动态力学特性的影响,较低的振动频率对气囊的轴向载荷特性影响较大,通过增加激励频率可提高气囊轴向载荷的稳定性。最后在动态特性振动有限元模型的基础上,进一步研究了不同振动频率和振幅对气囊径向动态力学特性的影响,激振频率对气囊径向载荷的影响较为显著,呈现出一种近似线性关系。建立了充气作用的气囊弹射有限元模型,通过弹射试验验证了气囊弹射模型的正确性。研究了初始压强、压缩位移、质量流和帘线参数等因素对气囊弹射性能的影响,结果表明通过提高初始压强和质量流能显著提高弹射性能,压缩位移影响其次,帘线参数对弹射性能的影响有限,但帘线层数的增加可提高气囊的稳定性。通过弹射模型的数值分析,再现了气囊与移动体脱离接触后的振荡性伸缩现象,并通过弹射试验证实了振荡现象的存在。弹射模型的数值分析结果详细说明了振动现象产生的原因,揭示了气囊在弹射过程中的作用机理,并给出了抑制振荡性伸缩的解决方法。针对现有气囊几何结构,研究了几何参数对弹射性能的影响,获得了气囊几何参数对弹射性能的影响规律,通过对比分析,得到了优化后的气囊几何参数。研究了初始压强、压缩位移、气囊壁厚、弹射质量和弹射速度之间的相互关系,获得了不同参数与气囊弹射速度的相关性。提出了气囊串并联组合的表征方法,采用DOE设计方法和响应面法,建立了串并联级数、初始压强、曲囊直径和弹射质量等参数的气囊弹射性能预测模型。应用多岛遗传算法,获得了不同碰撞能量级下气囊弹射虚拟碰撞试验装置的最优组合参数,为碰撞试验参数化方案的选取提供了理论依据和试验数据支撑。为解决气囊弹射过程中的气压损耗问题,研究了不同气缸体积对弹射过程中气囊腔室压强的影响,提出了变体积的气缸设计方法。同时针对试验台车的制动问题,提出了液压作用下试验台车制动的实现方法。根据轨道车辆碰撞的功能需求,结合气囊弹射机理,分别对储气气缸、试验台车及控制制动装置等进行了结构设计,建立了气囊弹射虚拟碰撞试验系统,为气囊在轨道车辆碰撞试验台弹射中的工程实践提供了参考。建立了防爬吸能装置的气囊弹射虚拟碰撞模型,研究了防爬吸能装置的变形模式及碰撞吸能特性,通过碰撞试验验证了气囊弹射虚拟碰撞试验系统的有效性。建立了车端结构的气囊弹射虚拟碰撞模型,研究了碰撞过程中结构的变形模式及试验台车的轮轨接触碰撞响应关系,获得了车端底架和车端司机室结构的碰撞吸能特性以及试验台车的垂向抬升量和横向偏移量。利用气囊弹射虚拟碰撞试验系统实现了部件级吸能装置、车端底架和车端司机室结构的虚拟碰撞分析。本文通过理论分析、试验研究及数值分析获得了气囊弹射性能,揭示了气囊弹射机理。通过气囊弹射性能预测模型,实现了不同碰撞能量级下气囊组合参数的快速优选。在虚拟碰撞试验系统的基础上,实现了对部件级防爬吸能装置和车端结构的虚拟碰撞分析,缩短了气囊弹射碰撞试验台的设计周期,为轨道车辆被动安全性研究提供了理论支撑,促进相关测试的开展,有较高的工程参考价值。