混合型緩沖耗能裝置研究

崔世堂，梁琳琳，李德龍，張 科

(1.中科院材料力學行為與設計重點實驗室 中國科學技術大學, 合肥 230026;2.中國大唐集團科學技術研究院有限公司華東分公司, 合肥 230088)

在工程實踐中存在各種各樣的撞擊，安全問題引起越來越多的關注。為防止沖擊力過大，工程上常采用緩沖裝置減小碰撞過程中的載荷，其原理是利用緩沖部件吸收撞擊產(chǎn)生的能量，使其轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，從而達到緩沖吸能降低載荷的目的[1]。

工程上常見的緩沖吸能裝置有很多，如油氣式緩沖器、膠泥緩沖器、摩擦式緩沖器等[2-6]。這些緩沖裝置原理簡單，結構裝置較大，加工要求高，需要提供較大的空間；其緩沖的碰撞力變化較大，結構或材料本身吸收能量的能力沒有充分發(fā)揮。余同希[7]提出利用金屬塑性變形原理設計新型緩沖吸能裝置。戴向勝[8]借助于有限元方法研究金屬圓柱殼的緩沖吸能特性，Nader Abedrabbo[9]對方形鋼管進行了系列沖擊實驗，分析了其變形模式和吸能能力。Song[10]等還對復合管進行了實驗研究。采用金屬柱殼塑性變形吸收能量，壓潰載荷與變形模式有關，壓潰載荷幅值較高但波動比較大。多孔材料相對密度小、剛度低、變形可控等優(yōu)點，在緩沖吸能方面得到廣泛關注。蔣家橋[11]根據(jù)泡沫金屬的動態(tài)特性，提出用最佳吸能圖方法設計新型緩沖器。王力[12]等提出一種螺旋纏繞式圓筒形蜂窩作為新型腿式著陸緩沖器。Yang[13]等應用耐撞性設計思想，根據(jù)載荷需求調(diào)整多孔金屬的密度分布達到緩沖吸能。羅昌杰[14]等研究了泡沫金屬填充薄壁金屬管塑性耗能緩沖器的吸能特性，沖擊載荷相對平穩(wěn)但幅值不高，緩沖裝置結構軸向尺寸較大，不利于緩沖器緊湊設計。本文提出一重基于摩擦和金屬塑性變形耗能的緊湊型緩沖吸能裝置，實驗和數(shù)值結果表明壓潰載荷幅值較高且相對平穩(wěn)。該裝置結構簡單、尺寸小，具有廣泛的應用前景。

1 緩沖器的工作原理和理論分析

該型緩沖器由上下錐面內(nèi)環(huán)和外環(huán)組成，結構如圖1所示。緩沖器在工作時主要依靠錐面內(nèi)環(huán)和外環(huán)的摩擦以及外環(huán)的塑性變形來消耗外部沖擊能量。

由于錐面內(nèi)環(huán)和外環(huán)在工作過程中摩擦等因素的影響，受力狀態(tài)比較復雜，為簡化分析做如下假設：

1) 外環(huán)僅考慮環(huán)向應變，環(huán)向應力沿厚度方向均勻分布；

2) 壓縮過程中不考慮錐面內(nèi)環(huán)的的變形；

在如圖2所示坐標系下，取1/2外環(huán)角度為dφ的一個微元，根據(jù)靜力平衡

(1)

(2)

其中:Fa為軸向壓力，F(xiàn)n為單位角度的法向力，f=μFn為單位角度的摩擦力，μ為摩擦因數(shù)，F(xiàn)t=Sσ為外環(huán)切向張力，S為外環(huán)的截面積，σ為外環(huán)的環(huán)向應力。根據(jù)假設“1”，在軸向壓力作用下，緩沖器的壓縮量為h，幾何相容關系為：

(3)

其中：dr為外環(huán)半徑的變化量。根據(jù)幾何關系，環(huán)向應變ε的表達式為：

(4)

外環(huán)的材料的應力應變關系為

σ=σ(ε)

(5)

根據(jù)方程(1)-(5)，可以得到各個量值如下的表達式

(6)

(7)

(8)

從上述公式可以看出，切向張力、法向力和軸向壓力不僅受外環(huán)本身材料的性質(zhì)的影響，還和錐面角度、摩擦因數(shù)有關。在相同的最大允許應變下，錐面角度越小，允許的軸向位移越大。從式(8)可知摩擦力對軸向力影響較大，進而影響緩沖器的耗能特性。

2 實驗研究和數(shù)值分析

2.1 實驗結果

為了確定脹環(huán)緩沖吸能裝置的耗能能力，進一步提高吸能裝置的耗能特性，進行了準靜態(tài)實驗。為了降低裝置的質(zhì)量，提高緩沖器單位質(zhì)量耗能，內(nèi)環(huán)采用硬鋁(LY12)，外環(huán)采用20號鋼，該裝置高度約23.5 mm，設計行程約9 mm。內(nèi)環(huán)的質(zhì)量為19.57 g，外環(huán)質(zhì)量112.67 g，單個緩沖器的質(zhì)量為151.81 g。為了增大耗能裝置的工作行程，采用兩個或者三個緩沖器串聯(lián)，如圖3所示。

實驗在中國科學技術大學工程實驗中心進行，利用材料測試系統(tǒng)MTS809，壓頭以0.2 mm/s的速度向下運動，單個緩沖器加載的位移幅值為9 mm。實驗過程中時間、壓頭在豎直方向的位移以及壓力載荷均由儀器自動采集。實驗過程中外環(huán)沿環(huán)向均勻變形，沒有出現(xiàn)鼓包及開裂現(xiàn)象。每組實驗各進行三次，以保證重復性，典型實驗的載荷位移曲線如圖4所示。

圖4(a)給出了單個緩沖器的載荷位移曲線。理論分析的結果接近數(shù)值分析，理論分析中沒有考慮加工誤差等因素，平臺段的載荷呈線性增加。每組緩沖器均進行三次實驗。從圖4可以看出，無論是單個緩沖器，還是多個緩沖器串聯(lián)，載荷位移曲線均明顯呈現(xiàn)出三個階段，初期的加載段、平臺段和密實段。在加載初期，載荷急劇上升達到峰值，隨著串聯(lián)的緩沖器個數(shù)增多，加載階段的峰值載荷略有下降。隨著變形量的增加，載荷略有減小并趨于穩(wěn)定，載荷位移曲線上表現(xiàn)出很長的平臺段。從圖4可以看出，載荷變化的幅值不大，這有利于被保護的對象得到有效防護。

2.2 數(shù)值仿真分析

從實驗數(shù)據(jù)中可以得到該裝置耗散的能量，該能量由錐形內(nèi)環(huán)和外環(huán)錐面上的摩擦耗散的能量以及內(nèi)、外環(huán)塑性變形耗散的能量兩部分組成，但從實驗中無法確定這兩部分耗散能量的具體數(shù)值，為明確緩沖器摩擦耗能及塑性變形耗能的比例，進一步優(yōu)化緩沖器尺寸提高吸能效率，利用有限元軟件ABAQUS對實驗進行數(shù)值仿真。計算中取1/4模型，采用對稱邊界條件，錐面內(nèi)環(huán)和外環(huán)采用面面自動接觸，摩擦因數(shù)取為0.2，其余摩擦均不計。蓋板和底板定義為剛體，錐形內(nèi)環(huán)和塑性外環(huán)均采用C3D8實體單元，共劃分 26 800個單元，如圖5所示。錐形內(nèi)環(huán)和外環(huán)采用雙線性各向同性硬化模型，材料力學參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

圖4(a)給出了單個緩沖器實驗和數(shù)值仿真的載荷位移曲線，數(shù)值模擬的結果與準靜態(tài)實驗吻合較好。從計算的結果來看，緩沖器壓縮的最大行程為9.60 mm，和設計行程非常接近。壓縮位移繼續(xù)增大，上下錐形內(nèi)環(huán)接觸，載荷急劇增大，緩沖器失去緩沖功能，因此只考慮緩沖器在達到最大行程前各量的變化情況。圖6(a)為錐形內(nèi)環(huán)和外環(huán)沿著壁厚方向的位移，其中“a”代表內(nèi)徑，“b”代表外徑，從圖上可以看出，錐形內(nèi)環(huán)在壓縮位移為9.60 mm時達到最大行程，此時錐形內(nèi)環(huán)和外環(huán)內(nèi)徑和外經(jīng)處的徑向位移為0.075 mm和0.080 mm。外環(huán)中部沿壁厚進行五等分，等分點分別為1,2,…,6，圖6(b)給出了6個等分點處的Mises應力隨加載位移的變化曲線。在緩沖器受壓初期，外環(huán)Mises應力隨壓頭位移的增大而迅速增大，材料仍處于彈性狀態(tài)。從圖6(c)的耗能曲線上可以看出，在此階段緩沖器耗散的能量完全是由內(nèi)、外環(huán)錐面的摩擦承擔。當壓縮量超過1.1 mm時，外環(huán)開始發(fā)生塑性變形，從圖6(b)可以看出，外環(huán)6個點幾乎同時進入塑性狀態(tài)，Mises應力隨壓縮位移的增大而緩慢增長，載荷位移曲線上表現(xiàn)較長的平臺段。此階段摩擦耗散的能量以及外環(huán)塑性變形耗散的能量均隨壓縮位移的增大而增大，但摩擦耗散的能量略高于塑性變形吸收的能量。從以上數(shù)值計算分析結果來看，文中理論分析的基本假設是可行的。

2.3 緩沖器的吸能特性分析

為了描述緩沖器吸收能量的能力，定義WT為緩沖器吸收的總能量，Wf為摩擦耗散的總能量，Wm為單位質(zhì)量耗散的能量，WP為塑性變形耗散的總能量。根據(jù)能量守恒，吸收器吸收的總能量為

WT=Wf+Wp

(9)

以單個緩沖器為例，由于摩擦力耗散的能量為192.6 J，外環(huán)塑性變形耗散的能量為181.5 J，上下兩個錐形外環(huán)耗散的能量僅為0.6 J。由于錐形內(nèi)環(huán)耗散的能量比較少，錐形內(nèi)環(huán)絕大部分材料處于彈性狀態(tài)，為簡化起見，忽略上下錐形內(nèi)環(huán)塑性變形耗散的能量，下文塑性變形耗散的能量Wp僅指外環(huán)耗散的能量。

為了減輕緩沖器的質(zhì)量，提高材料的利用率。定義緩沖器單位質(zhì)量吸收的能量為：

(10)

式(10)中m為緩沖器的總質(zhì)量。

定義壓潰載荷為Fm，其表達式為：

(11)

式中δ為緩沖器壓縮最大行程，F(xiàn)(x)為壓縮距離為x時的載荷。

實驗和計算結果如表2所示。從表2可以得到，串聯(lián)的緩沖器個數(shù)增加，可以有效增加緩沖裝置的行程和耗散的能量，當緩沖器的個數(shù)由1個增至2個或3個時，該裝置的最大行程由8.80 mm增至15.96 mm或22.21 mm。其耗散的能量由357.1 J增至648.5 J或915.1 J。不難看出，串聯(lián)時增加緩沖器的個數(shù)，其行程和吸收的能量并非倍數(shù)增加，而是有所降低，數(shù)值分析也證實了這一點。

表2 緩沖器吸能特性匯總

3 結論

本文提出了一種基于摩擦和塑性變形耗能的緩沖裝置，通過實驗和數(shù)值仿真分析研究，緩沖裝置在軸向壓縮過程中的載荷位移曲線表現(xiàn)為初期的載荷增長階段和較長平臺段，壓潰載荷穩(wěn)定且幅值高，有利于防護對象得到有效防護。該裝置結構簡單、尺寸小、造價低、耗散能量多，尤其適用于空間狹小且載荷較大的場所，具有廣泛的應用前景。