客車(chē)碰撞緩沖吸能裝置研究＊

孫明英

（鄭州宇通客車(chē)股份有限公司，河南 鄭州 450061）

前言

正面碰撞事故是發(fā)生頻率最高的事故模式[1]。發(fā)生正面碰撞時(shí)，汽車(chē)前部結(jié)構(gòu)需要通過(guò)自身的變形來(lái)減緩碰撞時(shí)的沖擊力，并吸收碰撞能量，為保護(hù)乘員提供穩(wěn)定、平緩的加速度環(huán)境[2]。

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者研究碰撞緩沖吸能裝置種類(lèi)較多，比如金屬薄壁管結(jié)構(gòu)、磁流變吸能結(jié)構(gòu)、填充泡沫鋁結(jié)構(gòu)、剪斷螺栓式吸能結(jié)構(gòu)以及液壓吸能結(jié)構(gòu)等[3～6]。其中，金屬薄壁管以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低成本、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、汽車(chē)等幾乎所有交通工具的碰撞沖擊能量耗散系統(tǒng)中。

因此，本文基于客車(chē)前部耐撞性結(jié)構(gòu)的性能要求，通過(guò)仿真和試驗(yàn)的方法，對(duì)不同截面形狀、加工工藝的鋼制、鋁制碰撞緩沖吸能裝置優(yōu)化研究。

1 碰撞緩沖吸能裝置結(jié)構(gòu)選型

碰撞緩沖吸能裝置的設(shè)計(jì)目標(biāo)為兩個(gè)：① 單位質(zhì)量吸收的能量盡可能大；② 碰撞緩沖吸能裝置的壓潰力曲線(xiàn)波動(dòng)盡可能平緩。參考乘用車(chē)正面碰撞設(shè)計(jì)思路，初定碰撞緩沖吸能裝置吸收的能量不低于整車(chē)碰撞總能量25%。12 米客車(chē)碰撞動(dòng)能約為450kJ，安裝兩個(gè)吸能裝置，則單個(gè)吸能裝置吸收能量應(yīng)不低于56kJ。結(jié)合客車(chē)前部空間限制，有效吸能長(zhǎng)度約為130mm，因此吸能裝置平均壓潰力約為430kN。

常見(jiàn)的金屬薄壁緩沖吸能裝置材料為鋼材、鋁合金等。截面形狀常選擇正方形結(jié)構(gòu)、田字型結(jié)構(gòu)、多邊形結(jié)構(gòu)、嵌套結(jié)構(gòu)等，如圖1 所示。一般厚度為2.0-4.0mm。

圖1 常見(jiàn)碰撞緩沖吸能裝置結(jié)構(gòu)型式

鋁制碰撞緩沖吸能裝置多需要模具擠壓成型，能夠制造截面復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，但模具費(fèi)用較高；鋼制碰撞緩沖吸能裝置可通過(guò)焊接實(shí)現(xiàn)，工藝成本較低，但只能制作截面規(guī)整的結(jié)構(gòu)。結(jié)合設(shè)計(jì)要求、實(shí)車(chē)總布置空間、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和生產(chǎn)工藝等，綜合考慮吸能裝置的結(jié)構(gòu)形式、材料及壁厚等參數(shù)方案如表1 所示。

表1 碰撞緩沖吸能裝置方案列表

2 有限元仿真分析

圖2 碰撞緩沖吸能裝置靜壓仿真

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案要求，分別建立三種吸能裝置的有限元建模，并進(jìn)行靜力加壓仿真分析，如圖2 所示，仿真曲線(xiàn)如圖3 和圖4 所示。通過(guò)力-位移曲線(xiàn)對(duì)比分析可知，鋁制碰撞緩沖吸能裝置壓潰力峰值在550kN 左右，壓潰力曲線(xiàn)較為平緩；田字鋼制碰撞緩沖吸能裝置壓潰力峰值在1000kN 左右，出現(xiàn)第一次潰縮后壓潰力曲線(xiàn)在400kN 左右震蕩；雙目鋼制碰撞緩沖吸能裝置壓潰力峰值在900kN 左右，出現(xiàn)第一次潰縮后壓潰力曲線(xiàn)在400kN 左右震蕩，整體略低于田字鋼制碰撞緩沖吸能裝置。

圖3 鋁制碰撞緩沖吸能裝置靜壓仿真曲線(xiàn)

圖4 鋼制碰撞緩沖吸能裝置靜壓仿真曲線(xiàn)

3 樣件試制及試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)樣件試制

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，采用擠壓成型的工藝試制鋁合金碰撞緩沖吸能裝置型材結(jié)構(gòu)，并在鋁合金碰撞緩沖吸能裝置前部棱邊上增加誘導(dǎo)孔，降低壓潰力的初始峰值。為了便于在車(chē)架上安裝，在鋁合金碰撞緩沖吸能裝置的后部焊接封板，并開(kāi)螺栓孔，如圖4.5 所示。其中，鋁合金分別采用6005、6061 和6063P 三種材料。

圖5 鋁合金碰撞緩沖吸能裝置樣件

采用DP350 的鋼材試制田字型和雙目型鋼碰撞緩沖吸能裝置，鋼制碰撞緩沖吸能裝置外板和內(nèi)板之間采用塞焊和角焊兩種焊接方式，并在棱邊上增加誘導(dǎo)孔，如圖6 所示。

圖6 鋼制碰撞緩沖吸能裝置樣件

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上對(duì)碰撞緩沖吸能裝置進(jìn)行靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，檢測(cè)碰撞緩沖吸能裝置變形情況和壓潰力。在初步方案中鋁合金碰撞緩沖吸能裝置出現(xiàn)了鋁型材結(jié)構(gòu)碎裂，不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

三種不同材質(zhì)的鋁合金吸能裝置壓潰對(duì)比如圖7 所示。6005 鋁型材吸能裝置在靜壓過(guò)程中出現(xiàn)型材碎裂、沒(méi)有褶皺變形，變形模式不穩(wěn)定，不利于碰撞吸能。6061 鋁型材吸能裝置在變形過(guò)程中變形模式較好，但出現(xiàn)局部撕裂現(xiàn)象。6063P 鋁型材吸能裝置變形模式穩(wěn)定，無(wú)裂縫出現(xiàn)，吸能效率高。

圖7 幾種鋁型材吸能器壓潰對(duì)比

6063P 鋁型材吸能裝置壓潰力如圖8 所示，增加前端誘導(dǎo)孔后，初始峰值降低，有利于產(chǎn)生軸向變形；壓潰力在450kN 左右輕微振蕩，壓潰力穩(wěn)定。

圖8 6063P 鋁型材壓潰力曲線(xiàn)

圖9 DP 鋼碰撞緩沖吸能裝置變形

DP 鋼碰撞緩沖吸能裝置軸向壓潰變形如圖9 所示。雙目鋼碰撞緩沖吸能裝置和田字型碰撞緩沖吸能裝置軸向變形過(guò)程中均出現(xiàn)棱邊焊點(diǎn)、焊縫開(kāi)裂失效，部分母材撕裂，變 形模式不穩(wěn)定。從壓潰力曲線(xiàn)上可以看出，雖然在棱邊上增加誘導(dǎo)孔，但DP 鋼碰撞緩沖吸能裝置在變形初始屈服時(shí)刻出現(xiàn)了較高的壓潰力峰值，相對(duì)于產(chǎn)生軸向變形要有超過(guò)初始峰值的壓潰力，對(duì)于車(chē)架結(jié)構(gòu)的支撐力較高，如圖10。在壓潰變形過(guò)程中由于焊點(diǎn)、母材失效，導(dǎo)致壓潰力低于設(shè)計(jì)的目標(biāo)值。

圖10 DP 鋼碰撞緩沖吸能裝置壓潰力曲線(xiàn)

4 結(jié)論

從鋁合金碰撞緩沖吸能裝置和DP 鋼碰撞緩沖吸能裝置的仿真和試驗(yàn)結(jié)果分析可知：

（1）DP 鋼制吸能裝置雖然工藝成本低，但容易焊縫開(kāi)裂，變形模式不穩(wěn)定，壓潰力波動(dòng)較大，不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

（2）鋁合金吸能裝置受材料、工藝影響較大，其中6063P鋁合金吸能裝置變形模式穩(wěn)定，壓潰力曲線(xiàn)平穩(wěn)且在450kN左右輕微振蕩，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。