軌道客車鋁合金蜂窩結(jié)構(gòu)抗沖擊性能研究

李 巍

（長春職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院，長春130000）

0 引 言

鋁合金是飛機(jī)、高鐵等交通工具蒙皮和骨架的重要材料，傳統(tǒng)的鋁合金結(jié)構(gòu)已無法滿足當(dāng)代交通對其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、抗沖擊性能等方面的需求。發(fā)生撞擊時，如果碰撞產(chǎn)生的能量以及交通工具本身具有的動能得不到緩沖和釋放將會對設(shè)備結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重破壞，甚至產(chǎn)生重大生命財產(chǎn)損失，給行駛安全帶來了一定的潛在風(fēng)險。蜂窩芯層結(jié)構(gòu)因其具有輕量化、高強(qiáng)度以及吸能隔熱等優(yōu)點(diǎn)，被逐步應(yīng)用于航空航天、現(xiàn)代建筑和軌道客車等領(lǐng)域［1-6］。蜂窩芯層材料內(nèi)部的芯層可以組成不同的幾何結(jié)構(gòu)，通過芯層結(jié)構(gòu)的組合，會呈現(xiàn)不同的力學(xué)性能。為使鋁合金蜂窩結(jié)構(gòu)應(yīng)用于不同的場合，學(xué)者們對其芯層幾何形式與排列方式進(jìn)行了大量研究。

早期的研究中，為簡化計算過程，通常將蜂窩芯層結(jié)構(gòu)簡化為剛度相同的均勻性板材，大致上可以分為Allen理論和Hoff理論［7］。簡化后的結(jié)構(gòu)模型并不能真實(shí)反映蜂窩結(jié)構(gòu)的內(nèi)部受力情況。隨著有限元理論的發(fā)展，對蜂窩芯層內(nèi)部結(jié)構(gòu)的幾何形狀和排列方式的研究逐漸增多。文獻(xiàn)［8］中研究了蜂窩結(jié)構(gòu)在受到?jīng)_擊和爆炸作用下應(yīng)力-應(yīng)變的變化規(guī)律，分析了蜂窩結(jié)構(gòu)在抗沖擊方面的優(yōu)異性能。文獻(xiàn)［9］中利用有限元方法對正6邊形蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)行了面載荷沖擊，研究了3種載荷形式下蜂窩結(jié)構(gòu)的變形機(jī)理。文獻(xiàn)［10］中通過對蜂窩鋁三明治結(jié)構(gòu)進(jìn)行樣品測試，研究了不同尺寸樣品的彎曲強(qiáng)度、吸能性能以及失效形式方面的變化規(guī)律。文獻(xiàn)［11］中基于泡沫鋁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)性的動態(tài)彎曲測試，研究了板面厚度、芯層高度以及泡沫密度對芯層結(jié)構(gòu)的影響。

本文在現(xiàn)階段蜂窩夾層研究的基礎(chǔ)上，對鋁合金蜂窩結(jié)構(gòu)在受到?jīng)_擊時的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行了分析，討論了蜂窩芯層結(jié)構(gòu)對能量的吸收效果。通過對構(gòu)建的蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)行碰撞仿真，研究了6邊形蜂窩芯層的抗沖擊性能，旨在為鋁合金蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及軌道客車等交通工具的設(shè)計提供參考。

1 有限元仿真

1.1 幾何模型

如圖1所示為典型的鋁合金蜂窩芯層正六邊形結(jié)構(gòu)示意圖。鋁合金蜂窩結(jié)構(gòu)面板整體尺寸為66 mm×66 mm，厚度h＝6 mm，其中上下面板厚度均為0.2 mm，芯層中相鄰蜂窩的壁厚t＝54 μm，正六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)邊長b＝7 mm，沖擊作用的金屬球直徑為20 mm，密度為7.8 g／cm3。

圖1 蜂窩芯層結(jié)構(gòu)示意圖

為研究不同蜂窩芯層結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能，在圖1所示六邊形蜂窩芯層的基礎(chǔ)上，又增添了正三角形、正方形和平行四邊形蜂窩芯層結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 不同蜂窩芯層結(jié)構(gòu)

1.2 材料本構(gòu)模型

鋁合金蜂窩結(jié)構(gòu)的上下兩部分鋁合金面板，中間為鋁合金蜂窩芯層，仿真中使用Johnson-Cook本構(gòu)模型對材料屬性進(jìn)行設(shè)置，該模型對受到的高速沖擊和載荷具有較強(qiáng)的力學(xué)響應(yīng)［12］：

式中：σ為材料受到的流動應(yīng)力；A為材料的屈服強(qiáng)度；B為材料的極限強(qiáng)度；ε為等效塑性應(yīng)變；c為應(yīng)變敏感率；n為應(yīng)變硬化指數(shù)；m為溫度敏感系數(shù)；˙ε為試驗(yàn)中獲得的應(yīng)變率為參考應(yīng)變速率；T為試驗(yàn)獲得的溫度；Tr為參考溫度；Tm為材料的熔點(diǎn)。

鋁合金的Johnson-Cook本構(gòu)模型具體參數(shù)見表1。

表1 鋁合金材料屬性

用金屬球與鋁合金碰撞來模擬蜂窩結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊的情形，當(dāng)二者接觸時，鋁合金材料將受到剪應(yīng)力的作用，定義累計損傷參數(shù)D＞1時材料發(fā)生失效［13］：

式中：D為無量綱的累計損傷參數(shù)；εip為每一增量步的等效塑性應(yīng)變增量；為材料的失效應(yīng)變；i為當(dāng)前增量步數(shù)；n為最大增量步數(shù)。

1.3 接觸屬性設(shè)置

將鋁合金蜂窩結(jié)構(gòu)的上下面板和芯層材料之間分別進(jìn)行“Tie”，模擬層合板中的粘接屬性。此外金屬球設(shè)置為剛體結(jié)構(gòu)，不考慮金屬球在仿真中的應(yīng)力應(yīng)變情況，降低仿真中不必要的干擾，以提高計算速度。

忽略鋁合金蜂窩板和金屬球之間的壓強(qiáng)和傳熱關(guān)系，在法向的接觸屬性中設(shè)置為“硬”接觸，模擬金屬球?qū)γ姘宓淖矒?，在切向的接觸屬性中設(shè)置為“罰”接觸，并對接觸中的摩擦因數(shù)進(jìn)行定義，由庫倫摩擦定律可知：

式中：τ為摩擦剪切應(yīng)力；σ為金屬球和鋁合金之間的應(yīng)力；τmax為最大摩擦剪切應(yīng)力；μ為摩擦因數(shù)。

1.4 仿真分析

在仿真中對鋁合金蜂窩芯層結(jié)構(gòu)的側(cè)面進(jìn)行完全約束，模擬實(shí)際的工況環(huán)境，防止金屬球沖擊時產(chǎn)生側(cè)面變形和移動。同時，對金屬球進(jìn)行速度載荷設(shè)置，為模擬金屬球彈射后的運(yùn)動狀態(tài)，在不考慮重力因素的影響下，參考車輛行駛速度設(shè)置初始約束為20 m／s。以平行四邊形結(jié)構(gòu)為例，對有限元模型的變形、分離以及失效形式進(jìn)行分析，圖3所示為蜂窩結(jié)構(gòu)受沖擊時的應(yīng)力云圖。

“寒冬期正是我們的機(jī)遇期。2016年西北油田加大內(nèi)部管理體制機(jī)制改革力度時，我廠順勢將采油隊改革為作業(yè)區(qū)，并在作業(yè)區(qū)內(nèi)創(chuàng)新實(shí)施項(xiàng)目化管理，效果十分明顯。”采油一廠采油管理二區(qū)經(jīng)理詹新說。

圖3 平行四邊形蜂窩結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

由圖3（a）可見，金屬球和蜂窩板接觸的瞬間，在巨大的沖擊力作用下蜂窩板中心位置出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力升高情況，由于金屬球和蜂窩接觸的時間太短，此時應(yīng)力范圍還沒有擴(kuò)散到整個蜂窩板。如圖3（b）所示，對蜂窩芯層結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，在蜂窩板內(nèi)部垂直的平行四邊形板材受到的應(yīng)力明顯高于表面蒙皮結(jié)構(gòu)，說明垂直放置的芯層對于沖擊載荷起到了更好的緩沖作用，對整體結(jié)構(gòu)來說起到了很好的抵抗變形能力。如圖3（c）所示，金屬球繼續(xù)向下運(yùn)動，此時應(yīng)力范圍幾乎充滿整個蜂窩芯層結(jié)構(gòu)，但和金屬球接觸的蒙皮上表面依舊沒有出現(xiàn)破裂情況，而芯層結(jié)構(gòu)和蒙皮之間的粘接部分出現(xiàn)輕微的脫離。如圖3（d）所示，此時金屬球已經(jīng)完全穿過了蜂窩芯層結(jié)構(gòu)，其中蒙皮結(jié)構(gòu)被撕裂，內(nèi)部的蜂窩芯層結(jié)構(gòu)被壓潰，整體上出現(xiàn)了一個略大于金屬球的孔洞。

2 芯層結(jié)構(gòu)受沖擊性能分析

分別分析金屬球沖擊正六邊形、正三角形、正方形以及平行四邊形蜂窩芯層結(jié)構(gòu)時產(chǎn)生的損傷情況，并利用凹坑深度、損傷面積以及質(zhì)量比吸能分析結(jié)構(gòu)的性能，以此優(yōu)化最佳的蜂窩芯層結(jié)構(gòu)。

2.1 凹坑深度分析

在未穿透情況下，金屬球沖擊蜂窩芯層時會產(chǎn)生凹坑，通過分析凹坑深度H對不同芯層結(jié)構(gòu)的緩沖效果進(jìn)行評價。如圖4所示，在正三角形蜂窩芯層結(jié)構(gòu)中，金屬球形成的凹坑深度相對較小，只有2.5 mm左右，這是因?yàn)槿切谓Y(jié)構(gòu)組織密度較大，單位質(zhì)量大，抵抗沖擊的能力較強(qiáng)，但發(fā)生碰撞時結(jié)構(gòu)的緩沖效果最差。而采用正六邊形、正方形和平行四邊形芯層時，凹坑最大深度明顯增加，正六邊形的凹坑深度達(dá)到3.8 mm，說明該結(jié)構(gòu)在受到?jīng)_擊時可起到很好緩沖。

圖4 不同芯層結(jié)構(gòu)受沖擊時凹坑深度H情況

2.2 損傷面積分析

當(dāng)金屬球穿透鋁合金時，蜂窩芯層會產(chǎn)生一定大小的損傷面積，如圖5所示。在正六邊形蜂窩芯層結(jié)構(gòu)中，金屬球穿透時形成的破損面積最小，并且沒有產(chǎn)生額外的邊緣破損。正三角形蜂窩芯層結(jié)構(gòu)邊緣破損面積略高于正六邊形，且形狀不規(guī)則。而使用正方形和平行四邊形芯層結(jié)構(gòu)時，破損區(qū)域呈現(xiàn)出擴(kuò)大的趨勢，邊緣破損程度進(jìn)一步加大。

圖5 不同芯層結(jié)構(gòu)的損傷情況

對圖5中蜂窩面板穿透后的破損面積Sp進(jìn)行測量，分析各結(jié)構(gòu)受沖擊的損傷情況，如圖6所示。

由圖6可見，受金屬球沖擊后正六邊形和正三角形芯層結(jié)構(gòu)破損面積幾乎相同，且遠(yuǎn)低于正方形和平行四邊形芯層結(jié)構(gòu)的破損面積。這是由于正三角形和正六邊形結(jié)構(gòu)在上下面板中具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)支撐，在受到?jīng)_擊時芯層不存在受力薄弱方向，因此金屬球造成的破壞并不會發(fā)生傳遞和轉(zhuǎn)移。對于正方形和平行四邊形芯層結(jié)構(gòu)，由于蜂窩板之間結(jié)構(gòu)相互平行，在受到單一方向的力時并不能起到穩(wěn)定支撐的作用，并且還會造成芯層和面板之間的撕裂，導(dǎo)致破損面積增大。

圖6 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的破損面積Sp情況

2.3 比吸能分析

圖7 不同芯層結(jié)構(gòu)的比吸能Em情況

可見，正六邊形蜂窩芯層結(jié)構(gòu)在受到?jīng)_擊時的比吸能值最高，正三角形蜂窩芯層結(jié)構(gòu)的比吸能最低。對于正方形和平行四邊形芯層結(jié)構(gòu)的比吸能處于中間位置。結(jié)果表明，正六邊形結(jié)構(gòu)在受到?jīng)_擊載荷時能最大程度的降低金屬球的動力勢能，與其他結(jié)構(gòu)相比，在受到?jīng)_擊穿透時的質(zhì)量比吸能最大提高了166%左右，加之該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，重量輕等特點(diǎn)，正六邊形蜂窩夾層是性能最佳的蜂窩結(jié)構(gòu)。

3 蜂窩結(jié)構(gòu)抗沖擊性能測試

通過分析不同芯層結(jié)構(gòu)的抗沖擊情況，可以看出正六邊形結(jié)構(gòu)在緩沖和吸能方面具有明顯的優(yōu)勢。在高速軌道客車的設(shè)計上，正六邊形鋁合金蜂窩夾層板的使用既可以減小客車本身的質(zhì)量，降低碰撞發(fā)生時的慣性，又可以最大程度的吸收沖擊產(chǎn)生的能量，保護(hù)車體的整體結(jié)構(gòu)。本文選用正六邊形蜂窩芯層結(jié)構(gòu)作為客車前端緩沖材料，對客車進(jìn)行碰撞測試，分析碰撞發(fā)生過程中車體的受力情況和能量變化，以此驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)對車體的保護(hù)效果。

建立軌道客車碰撞幾何模型，進(jìn)行抗沖擊測試，如圖8所示。將正六邊形鋁合金蜂窩材料作為車頭內(nèi)部材料，施加在車頭上的初始速度載荷為79 m／s，剛性墻體進(jìn)行完全約束。

圖8 軌道客車碰撞仿真幾何模型

碰撞發(fā)生后，客車前端整體的動能E變化情況如圖9所示。

圖9 軌道客車前端動能E變化情況

由圖9可見，車頭在初始載荷的作用下以較大的動能運(yùn)動，當(dāng)車頭前端和剛性墻體接觸時，動能呈現(xiàn)出迅速下降趨勢。這是由于客車觸碰到墻體過程中動能被墻體和蜂窩外層板材吸收。隨著客車前端繼續(xù)運(yùn)動，蜂窩材料的緩沖作用開始顯現(xiàn)，此時蜂窩材料吸收了客車運(yùn)動中的大部分動能，當(dāng)前端的蜂窩材料被完全破壞后動能已經(jīng)下降到較低的水平。之后由于沒有蜂窩材料對能量進(jìn)行吸收，動能呈現(xiàn)出平穩(wěn)且緩慢的下降趨勢。

如圖10所示為碰撞發(fā)生后軌道客車前端受力F的變化情況。

圖10 軌道客車撞擊力F的變化情況

由圖10可見，當(dāng)碰撞發(fā)生后客車在初始載荷的作用下撞擊力迅速增加，在此過程中主要是外殼體承受了大部分的撞擊力。隨后蜂窩結(jié)構(gòu)和墻體接觸，在慣性作用下撞擊力緩慢且平穩(wěn)上升到一個新的峰值。由于蜂窩結(jié)構(gòu)的緩沖作用撞擊力開始迅速下降，減少了撞擊力對車體的破壞和損傷。

4 結(jié) 語

本文通過ABAQUS軟件建立金屬球沖擊鋁合金蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的幾何模型，以4種不同形狀的蜂窩芯層結(jié)構(gòu)為研究對象，通過本構(gòu)方程對鋁合金蜂窩材料進(jìn)行模擬分析。

（1）采用凹坑深度、損傷面積以及單位質(zhì)量比吸能3個指標(biāo)對不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行緩沖效果評價。仿真結(jié)果表明，與其他幾何結(jié)構(gòu)相比，正六邊形夾層結(jié)構(gòu)損傷面積小，具有良好的緩沖作用，吸能效果提高了166%左右。

（2）利用正六邊形鋁合金蜂窩結(jié)構(gòu)建立軌道客車碰撞模型，進(jìn)行抗沖擊測試。測試結(jié)果表明，該模型能有效吸收客車撞擊后的動能，大大降低了撞擊力對車輛的作用。