張永貴 于洋洋

(南車青島四方機車車輛股份有限公司 山東 青島 266111)

鋁合金薄壁元件的吸能特性分析

張永貴 于洋洋

(南車青島四方機車車輛股份有限公司 山東 青島 266111)

利用結構非線性有限元計算程序LS-DYNA，對具有相同截面積，但不同形式的鋁合金薄壁元件進行軸向低速沖擊仿真計算，分析各種元件的吸能特性，獲得一種適用于軌道車輛前端大吸能量要求的吸能元件。

薄壁元件；截面形狀；變形模式；吸能特性

根據(jù)世界各國鐵路傷亡事故調(diào)查資料介紹，碰撞過程中車體產(chǎn)生的塑性大變形是導致乘員傷亡的主要原因之一[1-2]。因此，在提高機動車輛主動安全保護措施的前提下，改進車輛自身結構，增加前端吸能部件，降低車輛乘客區(qū)的大塑性變形，對提高車輛運營安全性具有重要意義。

在車輛被動安全保護裝置設計中，薄壁金屬元件作為一種高強重比、高比吸能、低成本的吸能元件得到廣泛應用，但其材料多集中于碳鋼[3-5]。下面針對不同截面形式的鋁合金薄壁元件進行軸向壓潰仿真計算分析，以研究其吸能特性。

1 沖擊動力學基礎

采用拉格朗日(Lagrange)格式的連續(xù)介質(zhì)動力學控制方程組描述材料/結構沖擊動力行為，不考慮熱傳導和熱源項時Lagrange形式的連續(xù)介質(zhì)動力學控制方程組的積分形式如下：

質(zhì)量守恒方程

(1)

動量守恒方程

(2)

能量守恒方程

(3)

其中：ρ—介質(zhì)密度；ρ0—介質(zhì)初始密度；v—介質(zhì)運動速度矢量；bi—作用于介質(zhì)單位質(zhì)量上的力；σ—介質(zhì)承受的應力張量；w—單位質(zhì)量介質(zhì)內(nèi)能；V—介質(zhì)的微元體積；V0—介質(zhì)的微元初始體積；A—介質(zhì)的面元面積。

結合上述守恒方程的邊界條件，利用數(shù)值計算方法從微分方程的弱形式出發(fā)，取δvi(其中：δvi|Av=0)作為權函數(shù)并利用加權余量法對動量守恒方程進行換算可得：

(4)

(5)

2 計算模型

2.1 數(shù)值計算模型

這里所用薄壁元件模型的壁厚為5mm，長度為500mm，截面積為1 720mm2，其中，包括具有圓形、正六邊形、正方形等相同截面面積但不同截面形狀的薄壁元件，各元件結構示意圖如圖1所示。

圖1 不同截面形狀薄壁元件幾何模型示意圖

利用HyperMesh軟件詳細構建薄壁元件的有限元模型，單元類型為殼單元，網(wǎng)格尺寸為2.5mm，通過非線性有限元計算程序LS-DYNA中自動單面接觸算法對其進行軸向沖擊仿真計算，以研究相同截面面積但不同截面形狀的薄壁元件的吸能特性。

2.2 材料參數(shù)

計算模型通過輸入材料的真實應力-應變曲線來描述其力學本構，具體數(shù)據(jù)由材料的準靜態(tài)拉伸試驗獲得，試驗得到的真實應力-應變曲線如圖2所示。

圖2 鋁合金材料應力-應變曲線

圖3 元件計算邊界條件示意圖

3 數(shù)值計算工況及分析

為考察薄壁元件的吸能特性，其邊界條件如圖3所示，將薄壁元件一端固定，讓物體m以一定的速度v撞擊薄壁元件的另一端。

通過LS-DYNA對不同截面形狀薄壁元件進行了軸向沖擊仿真計算。其中，圖4～圖6為各截面形狀的鋁合金薄壁元件在壓縮行程為400mm時的壓潰力-位移曲線及其變形形態(tài)。

圖4 正方形截面

圖5 正六邊形截面

圖6 圓形截面

由仿真結果來看，正方形、正六邊形及圓形截面管件均呈現(xiàn)“手風琴”狀的褶皺變形形式，即圓環(huán)模式[6]，并且，隨著正多邊形邊數(shù)的增加，薄壁元件圓環(huán)褶皺變形越明顯且圓環(huán)褶皺數(shù)增多。

通過對以上各截面薄壁元件壓潰力-位移曲線的分析，求得的各計算模型的吸能特性物理量如圖7及表1所示。

圖7 鋁合金各截面薄壁元件吸能特性曲線

截面形狀壓潰觸發(fā)力/kN平均壓潰力/kN質(zhì)量/kg吸能量/kJ比吸能/(kJ·kg-1)波動比正方形 3.40×1021.93×1022.3377.3033.181.76正六邊形3.49×1022.12×1022.3384.8036.391.65圓形 3.48×1022.25×1022.3389.8938.581.55

注：(1)表1中的吸能量為假定各計算模型壓縮率為0.8時能量吸收值(壓縮率為薄壁元件軸向壓縮量與其軸向初始長度的比值)。

(2)波動比為薄壁元件壓潰觸發(fā)力與平均壓潰力的比值。

綜合表1及圖7可知，具有相同壓潰變形模式的正方形、正六邊形及圓形截面薄壁元件，其壓潰觸發(fā)力(第1峰值力)近似相等，吸能能力(比吸能)增加，波動比降低，即隨著截面形狀趨于圓化，比吸能增加，波動比降低，相同截面面積下，圓形薄壁吸能元件的吸能特性最好。

4 軌道車輛前端主吸能元件

軌道車輛前端吸能部件需滿足大吸能量、高觸發(fā)力等特點，單個薄壁吸能元件難以滿足要求。根據(jù)上述分析，結合當前鋁合金型材制備工藝，擬采用正六邊形鋁蜂窩型材結構(多圓孔鋁型材無法實現(xiàn))，其吸能特性如圖8所示，具體如下：

壓潰觸發(fā)力為1 330kN，平均壓潰力995kN，質(zhì)量11.48kg，吸能量398kJ，比吸能為34.67kJ/kg，波動比為1.33。

由此可知，5個正六邊形鋁蜂窩型材結構的壓潰觸發(fā)力(第1峰值力)比單個正六邊形結構提高3.81倍，吸能能力(比吸能)降低4.7%，波動比提高19.4%，變形更為穩(wěn)定。因此，采用正六邊形或多泡鋁型材結構對提高軌道車輛前端吸能結構的吸能力極為有效。

圖8 正六邊形截面薄壁元件吸能特性曲線

5 結論

(1)對于相同截面面積條件下的鋁合金薄壁元件，其截面形狀對吸能特性有一定影響。就文中計算模型而言，隨著截面形狀趨于圓化，比吸能增加，波動比降低，吸能能力加強。

(2)結合當前鋁合金型材制備工藝及吸能需要，通過合理配置鋁蜂窩結構形式，可實現(xiàn)軌道車輛前端吸能結構的高觸發(fā)力、大吸能量要求，提升前端吸能能力。

[1] 馮 鈺.碰撞事故歷史篇[J].輕型汽車技術，2006(11)：54-55.

[2] 劉金朝，王成國.城市軌道車輛防碰撞性研究[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2005(2):36-40.

[3] 田紅旗，姚 松.新型耐沖擊鐵路客車[J].鐵道知識，2004(2):10-11.

[4] 賈 宇，肖守訥.耐碰撞車體吸能裝置的薄壁結構研究[J].鐵道車輛，2005,43(5):6-9.

[5] 陳秉智，傘軍民，孫彥彬，等.薄壁元件構件的抗碰撞吸能[J].大連交通大學學報，2008(5):99-104.

[6] 余同希，盧國興.材料與結構的能量吸收[M].北京：化學工業(yè)出版社,2006.□

(編輯：李琳琳)

Analysis of the Energy Absorption Characteristics of Aluminum Thin-wall Components

ZHANG Yonggui; YU Yangyang

Axial low velocity impact simulating calculation is implemented on the aluminum thin-wall components with the same sectional area but different forms, the energy absorption characteristics of various components are analyzed and an energy absorption component with large absorption capacity applicable to the front ends of railcars is developed by means of structural non-linear FEM calculation procedure LS-DYNA.

thin-wall component; cross-section shape; deformation form; energy absorption characteristics

2095-5251(2016)01-0001-03

2015-06-09

張永貴(1984-)，男，碩士研究生學歷，工程師，從事鐵道車輛設計工作。

U270.4

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