劉莉，高寧，高峰，霍鑫龍，王帥，于堯，高廣軍

(1.中車唐山機車車輛有限公司 技術(shù)研究中心，河北 唐山063035；2.中南大學 交通運輸工程學院 軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南 長沙410075)

當前對列車主被動安全措施的研究和應用取得了較大的成果，但是數(shù)據(jù)顯示,嚴重的傷害及傷亡事故在現(xiàn)實中仍然不斷出現(xiàn)[1]。人們針對在碰撞過程中受到的沖擊的響應是設(shè)計者改善車輛內(nèi)裝耐撞性的基礎(chǔ)，其最終目的是為了增強乘員的安全性。隨著車輛輕量化的要求進一步提高，吸能結(jié)構(gòu)必須具有良好的比吸能，即要求單位質(zhì)量吸能材料吸收盡可能多的沖擊能量。目前人們常用的吸能結(jié)構(gòu)是以金屬管為基本組成單元的結(jié)構(gòu)，其原理主要是通過金屬的彈塑性變形來吸收能量[2]。吸能結(jié)構(gòu)多種多樣，如薄壁壓潰式、切削式、撕裂式、鼓脹式吸能結(jié)構(gòu)，每種都因其獨特的特性而被被廣泛引用在被動安全保護領(lǐng)域。作為結(jié)構(gòu)部件，在碰撞發(fā)生時，需要優(yōu)秀的能量吸收特性及保持結(jié)構(gòu)完整性。眾所周知能夠滿足這些要求的是鋁合金及鋼鐵材料。在鋁合金及鋼鐵材料及其結(jié)構(gòu)在耐撞性上的應用研究方面進行了大量的研究工作，并取得了顯著的成果[3?4]。以上2種材料結(jié)構(gòu)本身自重較大，比吸能較低，與目前車輛輕量化設(shè)計相矛盾。因此在設(shè)計車輛時，在保障車輛耐撞性安全的前提下最大程度減重是一個關(guān)鍵問題。鎂合金材料由于高的比強度，低密度，好的吸振性能及易回收等優(yōu)點，引起廣泛關(guān)注[5]。在同樣剛度及強度的前提下，鎂合金相比鋁合金及碳鋼材料有更好的減重空間[6]。鎂合金結(jié)構(gòu)不僅有重量輕的優(yōu)勢，同時它還能提升產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的性能。PARRISH的研究結(jié)果表面采用鎂合金設(shè)計的車體模塊經(jīng)過優(yōu)化后能夠最多減重50%，同時其耐撞性保持不變[7]。ALTENHOF等[8]研究了鎂合金及鋁合金方向盤支架的耐撞性能。ZHOU等[9]研究了AZ31B鎂合金板在彎曲時的吸能特性。GHAFFARI等[10]做了一系列試驗，研究了室溫下AZ31B板材在拉伸、壓縮情況下的機械性能。FENG等[11]研究了在不同溫度下，不同高應變率下鎂合金AZ31B的拉伸性能。EASTON等[12]比較了鎂合金、鋁合金、鋼在拉伸、彎曲及屈曲情況下的變形特性。試驗結(jié)果表明,相同質(zhì)量的鎂合金比鋁合金及鋼擁有更高的強度及更好的吸能特性。STEGLICN等[13]通過準靜態(tài)壓縮試驗及數(shù)值仿真研究了AZ31及ZE10鎂合金矩形管的耐沖擊行為。SUN等[14]研究了軸向載荷下AZ61鎂合金管的失效機理及變形模式。但是當前關(guān)于擠壓鎂合金在耐撞性及變形模式的研究資料卻很少。本文研究了一種擴徑鼓脹式鎂合金吸能結(jié)構(gòu)，鎂合金吸能管在脹套的約束下，產(chǎn)生徑向擴張的塑性變形。通過靜壓試驗，研究鎂合金管件在沖擊載荷下的變形模式及吸能特性進行了研究，并對管進行的幾何參數(shù)分析，最終對比了相同條件下，不同吸能材料的吸能特性。

1 鎂合金管模型樣機

在金屬圓管鼓脹變形過程中，模具及管件本身的材料特性及幾何尺寸起著重要作用。鎂合金鼓脹管吸能結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，共分為3部分，分別為鼓脹管、錐頭以及錐管組成。其中鼓脹管為主要吸能元件，在錐頭的約束下，其產(chǎn)生徑向擴張塑性變形，吸收沖擊動能。

圖1 鼓脹管吸能工作原理示意圖Fig.1 Working principle for energy absorption of expansion tube

為了研究不同錐頭錐角角度對鎂合金管鼓脹吸能的影響，分別加工了加工了錐角為15°，25°，35°及45°的錐頭，如圖2所示。為了避免錐頭軸線與管的中心線發(fā)生偏離，在錐頭的上部設(shè)計了長度為45 mm，直徑比鎂合金管內(nèi)徑小0.2 mm的導向機構(gòu)。

為了防止管件鼓脹過程中出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，譬如局部屈曲現(xiàn)象的發(fā)生，或者在鼓脹變形過程中發(fā)生斷裂現(xiàn)象。特在普通圓管端部預制一段預壓縮變形區(qū)域，通過預擴張方式使圓管端部20 mm范圍內(nèi)提前達到鼓脹效果，其余區(qū)域自由過度。從而達到引導鎂合金管在鼓脹變形過程中發(fā)生徑向變形的目的，避免撕裂現(xiàn)象的發(fā)生，預變形管如圖3所示。

試驗采用鎂合金AZ31B擠壓管材，管材長度為250 mm，內(nèi)徑為76 mm，壁厚為8 mm。試驗中所需壁厚為4，5，6和7 mm試驗圓管。

2 試驗工況

對鎂合金管吸能結(jié)構(gòu)進行準靜態(tài)力學特性研究。通過INSTRON1346萬能材料機對結(jié)構(gòu)進行靜壓試驗，其動態(tài)頻率為0～10 Hz，單次壓縮最大位移行程為150 mm，最大載荷量程：動態(tài)±500 kN，可完成系列金屬及非金屬材料、結(jié)構(gòu)、構(gòu)件及零部件等材料的拉伸、壓縮、剪切、彎曲、斷裂等力學性能測試。圖4為吸能結(jié)構(gòu)靜壓試驗工況，吸能結(jié)構(gòu)主體擺放在靜壓試驗機的臺面上，調(diào)整位置保證吸能管與錐頭同軸，試驗機壓頭下壓速度設(shè)定為2 mm/min，對吸能結(jié)構(gòu)恒速加載。圖5為吸能結(jié)構(gòu)壓潰變形模式，通過觀察，在壓縮初期，管結(jié)構(gòu)在錐頭的約束下，逐步發(fā)生徑向擴張塑性變形，隨著錐頭的持續(xù)加載，鼓脹管結(jié)構(gòu)持續(xù)產(chǎn)生穩(wěn)定的變形。

3 試驗結(jié)果及討論

3.1 錐頭錐角的影響

鼓脹管錐頭錐角的大小，是影響鼓脹管吸能特性的主要因素之一。本節(jié)采用不同錐度的錐頭進行準靜態(tài)壓縮試驗研究錐角對吸能結(jié)構(gòu)的影響。整個試驗過程中，所有的鎂合金金屬管在壓縮過程中沒有發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，均產(chǎn)生有序穩(wěn)定的膨脹變形。帶有錐面的錐頭在與金屬圓管作用過程初始階段，錐面部分與金屬管壁發(fā)生作用，隨著錐面的深入，其與管壁作用的錐面半徑逐漸增大，管件的鼓脹半徑隨之增大。體現(xiàn)在力位移曲線圖中表現(xiàn)為力的上升階段。當整個錐面完全與管壁發(fā)生接觸后，錐頭的圓柱面開始與金屬管壁發(fā)生緊密接觸，由于錐頭圓柱面的半徑恒定，當圓柱面整體與管壁接觸后，管壁與圓柱面的作用力近似恒定。至此，在錐面與圓柱面的共同作用下，金屬管在穩(wěn)定的平臺力作用下發(fā)生鼓脹變形，吸收能量。

圖6 為不同錐角的錐頭鼓脹管變形及力位移曲線示意圖。從其力位移曲線圖可以看到，4條曲線雖然錐角不同，但是有著相同的趨勢。在初始階段，管件阻抗力隨著位移的增加而逐漸增大，當錐頭完全進入到圓管后，作用力不再增加，基本穩(wěn)定在某一數(shù)值，達到平衡狀態(tài)。這與試驗過程中觀察到的現(xiàn)象一致，雖然錐角角度不同，但是鼓脹管均發(fā)生穩(wěn)定有序的鼓脹變形，變形模式一致。

圖6 鼓脹管力位移曲線Fig.6 Force-displacement curves of expansion tube

表1 是采用不同角度的錐角錐頭鼓脹變形的管件吸能特性結(jié)果。從表1可以看到，采用錐角為15°，25°，35°及45°的錐頭鼓脹管其吸能量、比吸能及平臺力均依次增大。在小角度下，由于錐面面積大，錐面的長度在整個鼓脹吸能中的作用占主要作用。當錐角變大后，錐面面積變小，這時錐頭的錐角角度在鼓脹吸能過程中起主要作用。

表1 不同錐角錐頭鼓脹管吸能特性Table 1 Energy absorption characteristics with different angle punch

3.2 錐頭外徑的影響

錐頭外徑的大小決定著鼓脹管變形后內(nèi)徑的大小，影響著鼓脹變形過程中管軸向及徑向變形。本試驗保持錐頭錐面角度不變，通過改變錐頭圓柱部分的直徑來增加鎂合金管周向變形長度，研究其對鎂合金管吸能特性的影響。試驗采用15°錐角錐頭，錐頭最大直徑分別為82，85及88 mm，鼓脹管壁厚為4 mm。

在試驗過程中觀察到，采用不同外徑錐頭發(fā)生鼓脹變形的鼓脹管有著相同的變形模式，均表現(xiàn)為穩(wěn)定有序的鼓脹變形，沒有觀察到屈曲、撕裂等現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)在壓縮過程中，鎂合金管錐形漸變長度增加。這是由于錐面角度相同，隨著錐頭最大外徑的增加，外徑越大，其錐面部分的長度越大。在鼓脹過程中，鎂合金管壁除了在錐面開始部分之外，基本與錐面完全貼合，因此，錐面長度越長，管件外形中錐形部分長度越長。

對鼓脹后的鎂合金管進行測量，發(fā)現(xiàn)，隨著錐頭最大直徑的增加，鎂合金管發(fā)生鼓脹變形后，其壁厚變薄，與最大直徑成反比。這可以解釋為鎂合金密度不變，根據(jù)質(zhì)量及體積守恒原則，隨著鎂合金管周向變形增大，壁厚越薄。

圖7 是采用不同直徑大小錐頭進行壓縮下鎂合金管發(fā)生鼓脹變形時產(chǎn)生的阻抗力與位移曲線。3條曲線變化規(guī)律一樣，鼓脹變形抗力與錐頭大小成正比。由于直徑的增加，在相同角度下，其錐面的長度增大，從而其從開始變形到最終穩(wěn)定變形所需的位移而增大。很明顯，由于錐頭直徑的增加，相同的鎂合金管鼓脹后的周向長度增加，這意味著，其發(fā)生彈塑性變形所需要的能量增加。因此，增加錐頭最大直徑會增加管件鼓脹變形的吸能能力。經(jīng)過計算，當錐頭外徑為82，85及88 mm時，其吸能量分別為4.6，5.2及6.4 kJ。試驗過程使用的是相同規(guī)格的圓管，因此比吸能也隨著錐頭外徑的增大而增加。

圖7 不同外徑錐頭鼓脹管力位移曲線Fig.7 Force-displacement curves of different diameter punch

3.3 金屬管壁厚的影響

在鼓脹管鼓脹變形過程中，錐頭對管件在軸向方向會產(chǎn)生較大壓縮力，管件在長度方向上會發(fā)生彈塑性變形。上面章節(jié)研究表明，鎂合金管在軸向壓縮下回產(chǎn)生多種變形模式。為了使管件在鼓脹變形中，在長度方向上不發(fā)生屈曲等明顯的大變形，這就要求其鼓脹軸向力不能觸發(fā)管件軸向屈曲變形力闕值。而管件軸向變形模式及觸發(fā)闕值大小與管件厚度有很大關(guān)系。同時，由于金屬管件主要是通過金屬的塑形變形進行吸能，因此管件的壁厚對膨脹管的吸能特性有很大的影響。因此，膨脹管的厚度是影響膨脹式吸能結(jié)構(gòu)一個重要的因素。

為了研究管的壁厚對鎂合金管膨脹吸能的影響，特針對壁厚分別為4，5，6，7及8 mm的鎂合金管在15°錐角錐頭下的鼓脹行為進行試驗研究。

圖8 為不同壁厚下的鎂合金管鼓脹變形力位移曲線圖。從力位移曲線可以看到，膨脹管厚度的改變沒有改變力的變化規(guī)律。在壓縮初始階段，管件阻抗力迅速上升，達到最大峰值后，阻抗力進入平穩(wěn)階段。不難發(fā)現(xiàn)，隨著管的壁厚增加，其平臺力越大，其吸能量越大。

圖8 不同厚度鎂合金管鼓脹變形力位移曲線Fig.8 Force-displacement curves with different thicknesses

表2 為鼓脹管的吸能特性相關(guān)指數(shù)。從表中可以看到，鼓脹變形中的阻抗平均力、吸能量及比吸能與鎂合金管壁厚成正比大。但是比吸能增長的幅度很小，因此增加鎂合金管的壁厚對管件鼓脹變形中的比吸能影響較小。

表2 不同厚度鎂合金鼓脹管鼓脹變形吸能特性Table 2 Energy absorption characteristics with different thickness

4 比吸能與鋼管、鋁管對比

為了更好地研究鎂合金管在發(fā)生鼓脹變形過程中的吸能特性，試驗設(shè)計了采用錐面角度為15°的錐頭，具有相同幾何參數(shù)的材質(zhì)分別為6061鋁合金管、20號鋼管及AZ31B鎂合金管的鼓脹壓縮對比試驗。圖9為鼓脹過程中6061鋁合金管、20號鋼管及AZ31B鎂合金管的力位移曲線。從圖中可以看到，3種材料具有相同的力位移曲線模式，在鼓脹變形初始階段，阻抗力迅速上升，然后進入穩(wěn)定變形階段，阻抗力基本保持不變。鎂合金、鋁合金及鋼的穩(wěn)定平臺力依次增大。鋁合金及鋼由于具有比鎂合金更高的屈服強度及抗拉強度，因此在發(fā)生相同的應變過程中，其產(chǎn)生的抗力比鎂合金更高，表現(xiàn)在管件的力位移曲線中就是鎂合金的平臺力最小。

圖9 鋼、鋁合金及鎂合金鼓脹變形力位移曲線Fig.9 Force-displacement curves of steel,aluminum and magnesium alloy

表3 為3種材質(zhì)管件的吸能特性參數(shù)對比?？梢钥吹剑嗤瑧兿?，鋼管、鋁合金管及鎂合金管最大峰值力、平均阻抗力及吸能量依次減小。但是鎂合金管具有最大的比吸能，其比吸能為20號鋼的1.3倍。鎂合金的平均力與最大峰值力的比值高達0.90，遠高于鋁合金的0.70及鋼的0.83。這有利于在鼓脹變形中碰撞物體具有穩(wěn)定的減速度，避免由于減速度過大造成的傷害。綜合來看，鎂合金管發(fā)生鼓脹變形過程中，具有較高的比吸能和很好的阻抗力平穩(wěn)性，具有更好的吸能優(yōu)勢。

表3 不同材料鼓脹變形吸能特性Table 3 Energy absorption characteristics with different materials during deformation

5 結(jié)論

1)鎂合金鼓脹管在小角度錐角錐頭下，具有較高的吸能量與比吸能，但是其上升到穩(wěn)定平臺力需要較長的壓縮距離，影響了鼓脹管的長度效率。隨著錐頭錐角的增大，鎂合金管在鼓脹變形過程中產(chǎn)生的最大峰值力、平均力、吸能量及比吸能均增加。

2)在相同角度的錐角錐頭下，鎂合金管鼓脹變形過程中產(chǎn)生的最大峰值力、平均力、吸能量及比吸能均隨著管件壁厚的增加而增大。增大錐頭外徑會改變鎂合金管鼓脹變形吸能特性。隨著錐頭外徑的增大，相同管件在被壓縮過程中產(chǎn)生的最大峰值力、平均力、吸能量及比吸能均變大。

3)鎂合金管在鼓脹變形過程中鼓脹平臺力穩(wěn)定，具有比鋁合金管及鋼管更好的比吸能和很好的阻抗力平穩(wěn)性，具有更好的吸能優(yōu)勢。