李建龍，高 偉

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450052)

0 引言

現(xiàn)代城市軌道交通由于其客運量大、快速、便捷、準點等特點而越來越受到青睞。我國的城市軌道交通起步雖晚，但近年來發(fā)展迅猛。除了一些特大城市，許多省市級大中等城市以不同的形式開始了城市軌道交通建設(shè)。盡管地鐵列車在專有的軌道上運行，發(fā)生碰撞事故的可能性要遠小于其他交通運輸工具。然而，由于地鐵列車質(zhì)量大，速度較高，又主要運行在人口密度較高的市區(qū)，且載客量大，若發(fā)生碰撞事故會造成嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。因此，如何提高地鐵列車在碰撞事故中的被動安全性就成為一個不可忽視的重要問題。這就需要設(shè)計專用吸能裝置來吸收碰撞發(fā)生時列車的動能。本文提出一種新的碰撞能量耗散原理，即發(fā)生列車碰撞時，薄壁金屬構(gòu)件被刀具軸向切割，從而吸收列車的動能，降低列車的減速度。由于軸向切割薄壁金屬構(gòu)件時，其吸能特性與刀具的數(shù)量、構(gòu)件的壁厚、外徑等因素密切相關(guān)，因此本文將從這幾個方面進行討論，找出薄壁結(jié)構(gòu)被軸向切割時的吸能規(guī)律。

1 動態(tài)仿真顯式有限元

隨著計算機技術(shù)與有限元理論的發(fā)展，有限元技術(shù)已經(jīng)成為研究金屬切割過程的一個重要手段。顯式時間積分適用于各種結(jié)構(gòu)沖擊動力學(xué)問題，如爆炸、碰撞和金屬加工成型等高度非線性問題，它采用中心差分時間積分，其基本特點是不形成總體剛度矩陣，彈性項放在內(nèi)力中，避免了矩陣求逆。這對非線性分析很重要，無須檢查收斂，是條件穩(wěn)定的。金屬切割具有動態(tài)性、大變形和高度非線性的特點。因此運用顯式有限元程序?qū)@一過程進行分析模擬非常適合。本文采用通用的非線性顯式動力分析程序LS－DYNA仿真薄壁結(jié)構(gòu)的切割吸能過程。

2 薄壁結(jié)構(gòu)材料動態(tài)塑性本構(gòu)關(guān)系

選擇合適的材料模型是準確模擬切割過程的關(guān)鍵。本文選用LS－DYNA材料庫中的塑性隨動應(yīng)變率相關(guān)材料模型模擬薄壁結(jié)構(gòu)。該模型考慮了應(yīng)變率對材料屈服應(yīng)力的影響。其屈服應(yīng)力的計算如下:

3 顯式有限元分析模型的建立

刀具采用硬質(zhì)合金，其硬度、強度遠大于薄壁構(gòu)件。用鋼體模擬，薄壁構(gòu)件材料為1018鋼，橫截面為圓形，管長300mm。本文分別模擬了不同壁厚、不同外徑的薄壁結(jié)構(gòu)被不同數(shù)量的刀具切割時的吸能特性。

薄壁結(jié)構(gòu)一端固定，另一端被刀具以恒定的速度沿軸向切割。薄壁結(jié)構(gòu)的材料類型為隨動塑性材料(Plastic Kinematic)。單元類型全部為單點積分實體單元。有限元模型如圖1所示，(a)、(b)、(c)、(d)依次為二、四、六、八個刀具切割薄壁結(jié)構(gòu)的有限元模型。

圖1 薄壁結(jié)構(gòu)切割吸能的有限元模型

4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

4.1 薄壁結(jié)構(gòu)吸能特性與刀具數(shù)量的關(guān)系

壁厚6mm，管長300mm、外徑100mm，刀具數(shù)量分別為2、4、6、8個時，薄壁結(jié)構(gòu)吸收的能量如圖2所示，界面力－時間歷程如圖3所示。

圖2 刀具數(shù)量不同時的內(nèi)能－時間歷程圖

圖3 刀具數(shù)量不同時的界面力－時間歷程圖

薄壁結(jié)構(gòu)的吸能特性與刀具數(shù)量的關(guān)系如表1所示。

表1 薄壁結(jié)構(gòu)的吸能特性與刀具數(shù)量的關(guān)系

由表1可知，在壁厚、外徑、長度相同的條件下，薄壁結(jié)構(gòu)吸收的能量、界面力峰值、界面力穩(wěn)定值都與刀具的數(shù)量成正比。并且，刀具數(shù)量不同時，薄壁結(jié)構(gòu)吸收的能量比、界面力峰值比、界面力穩(wěn)定值比都近似等于刀具數(shù)量的比值。

4.2 薄壁結(jié)構(gòu)吸收的能量與壁厚之間的關(guān)系

刀具為2個，外徑100mm、管長300mm、壁厚分別為6mm、8mm、10mm時，薄壁結(jié)構(gòu)吸收的能量如圖4所示，界面力－時間歷程如圖5所示。

圖4 壁厚不同時的內(nèi)能－時間歷程圖

圖5 壁厚不同時的界面力－時間歷程圖

薄壁結(jié)構(gòu)的吸能特性與壁厚的關(guān)系如表2所示。

表2 薄壁結(jié)構(gòu)的吸能特性與壁厚的關(guān)系

由表2可知，在管長、外徑、刀具數(shù)量相同的條件下，薄壁結(jié)構(gòu)吸收的能量大小、界面力的峰值和穩(wěn)定值都與壁厚成正比。并且，壁厚不同時，薄壁結(jié)構(gòu)吸收的能量比、界面力峰值比、穩(wěn)定值比都近似等于壁厚的比值。

4.3 薄壁結(jié)構(gòu)吸收的能量與內(nèi)徑之間的關(guān)系

壁厚為6mm，刀具為2個，管長300mm，內(nèi)徑分別為50mm、100mm時，薄壁結(jié)構(gòu)吸收的能量如圖6所示，界面力－時間歷程如圖7所示。

圖6 壁厚不同時的內(nèi)能－時間歷程圖

圖7 壁厚不同時的界面力－時間歷程圖

從圖6、圖7可以看出，相同條件下，不同外徑的薄壁結(jié)構(gòu)吸收的能量、界面力峰值和穩(wěn)定值基本相同。

5 結(jié)論

綜合以上分析，可以得出以下結(jié)論:

薄壁結(jié)構(gòu)軸向切割吸能過程中吸收的能量、界面力與刀具的數(shù)量、薄壁結(jié)構(gòu)的壁厚成正比，與薄壁結(jié)構(gòu)的外徑關(guān)系不大。

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