膨脹薄壁圓管吸能特性研究

杜云龍,郝偉江,石業(yè)勇,李 瑞,王亞鵬,王忠平

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司,山東 青島 266111)

隨著社會(huì)的發(fā)展,乘客越來(lái)越重視所乘坐列車的安全防護(hù)性能,列車的碰撞安全是一個(gè)重要的參考指標(biāo),所以需要在車輛中安裝能量吸收構(gòu)件,這類構(gòu)件在沖擊碰撞過(guò)程中通過(guò)發(fā)生塑性大變形來(lái)耗散沖擊動(dòng)能。薄壁圓管具有質(zhì)量輕、便于安裝等特點(diǎn),并能以一種可控的方式發(fā)生塑性大變形來(lái)吸收沖擊動(dòng)能,因此被廣泛地應(yīng)用于交通運(yùn)輸工具的能量耗散系統(tǒng)中[1-2]。同時(shí),薄壁圓管在不同的載荷作用下能發(fā)生多種變形模式,且每種變形模式各有各的特點(diǎn),可以適用于不同的工作環(huán)境[3-5]。因此,對(duì)不同的變形模式下圓管的力學(xué)響應(yīng)和吸能特性進(jìn)行分析和比較,得出總結(jié)性的規(guī)律,具有較高的研究意義和工程價(jià)值。

1 數(shù)值模擬參數(shù)選擇

膨脹薄壁圓管主要承受軸向沖擊載荷,對(duì)圓管膨脹吸能過(guò)程進(jìn)行仿真,材料參數(shù)的設(shè)置對(duì)數(shù)值模擬的結(jié)果影響很大,所以選擇合理的材料模型參數(shù)是進(jìn)行深入探究的前提。

數(shù)值模擬采用LS-DYNA軟件[6],薄壁圓管材料選擇鋁合金Al6061,采用Johnson-Cook本構(gòu)模型[7-8],屈服應(yīng)力Y的表達(dá)式如下:

(1)

參考應(yīng)變率ε0的表達(dá)式如下:

(2)

式中:s為時(shí)間,單位s。

無(wú)量綱化溫度TH表達(dá)式如下:

TH=(T-Troom)/(Tmelt-Troom)

(3)

式中:Troom為室溫,Tmelt為材料熔點(diǎn)溫度。

由于在車輛碰撞時(shí)材料的溫度影響不大,所以本文采用簡(jiǎn)化的Johnson-Cook本構(gòu)模型進(jìn)行模擬,簡(jiǎn)化后的屈服應(yīng)力Y的表達(dá)式如下:

(4)

失效應(yīng)變?chǔ)舊表達(dá)式如下:

(5)

式中:σ*為應(yīng)力三軸度,是靜水壓力與Mises等效應(yīng)力的比值;D1、D2、D3、D4為材料失效參數(shù)[9],具體參數(shù)值[10]如表1所示。

表1 鋁合金Johnson-Cook本構(gòu)模型參數(shù)

列車連掛處的膨脹吸能結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)列車上的膨脹吸能結(jié)構(gòu)建立簡(jiǎn)化的薄壁膨脹圓管原理圖[11]如圖2所示。其中Dd為壓模直徑,D0為膨脹薄壁圓管直徑,V為下壓速度,α為壓模角度,L為圓管長(zhǎng)度,t為膨脹圓管壁厚。薄壁圓管膨脹吸能模型如圖3所示。壓模和地板設(shè)置成剛體,對(duì)壓模施加強(qiáng)制位移,速度為5 m/s。下剛性板固定,并且與薄壁圓管固連。

圖1 列車上的膨脹吸能結(jié)構(gòu)

圖2 薄壁膨脹圓管原理圖和壓潰模型

圖3 薄壁圓管膨脹吸能模型

2 膨脹圓管載荷特征分析

設(shè)計(jì)的膨脹吸能數(shù)值模擬工況如表2所示。

表2 數(shù)值模擬工況

一共設(shè)計(jì)了6種壓模直徑,分別為61 mm、62 mm、64 mm、65 mm、66 mm、68 mm。在這5種工況下,薄壁圓管的變形模式如圖4所示。

圖4 不同壓模直徑時(shí)薄壁圓管變形模式

從薄壁圓筒的變形模式可以看出,當(dāng)壓模直徑為61 mm、62 mm、64 mm、65 mm時(shí),圓管是穩(wěn)定的膨脹變形模式;當(dāng)壓模直徑增加到66 mm時(shí),圓管出現(xiàn)了撕裂的變形模式;當(dāng)壓模直徑為68 mm時(shí),圓管出現(xiàn)了壓潰變形模式。也就是說(shuō),當(dāng)壓模直徑大于65 mm時(shí),圓管出現(xiàn)了不穩(wěn)定的變形模式。

對(duì)計(jì)算結(jié)果輸出上部剛性壓模的接觸反力,結(jié)果顯示,在壓模直徑小于65 mm工況下,膨脹變形過(guò)程中接觸力有持續(xù)穩(wěn)定的平臺(tái)段。而在壓模直徑為66 mm工況下,接觸力曲線在保持一段時(shí)間穩(wěn)定的平臺(tái)段接觸力之后,出現(xiàn)了急劇的下滑,原因是在壓模的膨脹作用下,薄壁圓筒的徑向變形很大,達(dá)到了材料的失效應(yīng)變值,圓筒出現(xiàn)撕裂變形模式。在壓模直徑為68 mm時(shí),壓模的下壓力大于圓管的初始?jí)簼⒘?所以圓管出現(xiàn)壓潰行為,故在設(shè)計(jì)膨脹吸能薄壁圓管時(shí),壓模直徑存在一個(gè)閾值。引入無(wú)量綱量Dd/D0,其中Dd是壓模直徑,D0是薄壁圓管直徑。當(dāng)壓模直徑為65 mm時(shí),薄壁圓管出現(xiàn)穩(wěn)定膨脹吸能的最大直徑,即當(dāng)Dd/D0<1.3時(shí),薄壁圓管的變形模式是穩(wěn)定可控的。

3 膨脹圓管吸能特征分析

本節(jié)從吸能量角度來(lái)分析薄壁管的吸能特性,5種工況下的行程-吸能曲線如圖5所示。

圖5 不同壓模直徑工況下的行程-吸能曲線

從薄壁圓管吸能量曲線可以看出,當(dāng)壓模直徑小于65 mm、行程為15 cm時(shí),圓管的吸能量逐漸增加;當(dāng)壓模直徑增加至66 mm時(shí),圓管的行程-吸能曲線在行程為6 cm時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn),這是因?yàn)樵诖藭r(shí)薄膨脹圓管出現(xiàn)了撕裂變形模式,圓管之后將會(huì)出現(xiàn)位移,變形量大大減小,圓管的的吸能效率降低;在膨脹圓管直徑增加至68 mm、圓管行程為15 cm時(shí),吸能量也明顯低于65 mm時(shí)的吸能量,主要原因是此時(shí)膨脹圓管出現(xiàn)了漸進(jìn)壓潰的變形模式,也就是說(shuō),圓管在出現(xiàn)撕裂或壓潰等不穩(wěn)定變形模式時(shí),膨脹圓管的吸能量開(kāi)始下降。所以當(dāng)壓模直徑為65 mm,即Dd/D0=1.3時(shí),薄壁膨脹圓管的吸能效果做好。

由于在列車吸能結(jié)構(gòu)中,漸進(jìn)壓潰薄壁圓管也是常用的吸能構(gòu)件,對(duì)比膨脹和漸進(jìn)壓潰2種變形模式下圓管的吸能效果對(duì)工程應(yīng)用有比較重要的參考價(jià)值,所以本節(jié)對(duì)圓管的漸進(jìn)壓潰進(jìn)行數(shù)值模擬,建立的有限元模型和壓潰后的圓管結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 薄壁圓管壓潰模型及變形模型

在下壓速度為5 m/s時(shí),相同尺寸的壓潰圓管最大吸能量為5.63 kJ。將6種膨脹薄壁圓管的最大吸能量與壓潰圓管的最大吸能量對(duì)比,膨脹和壓潰2種變形模式的吸能量對(duì)比曲線如圖7所示。

圖7 膨脹薄壁圓管與壓潰圓管吸能量對(duì)比

當(dāng)壓模直徑為61 mm時(shí),膨脹管和壓潰管的吸能量基本一致。隨著壓模直徑的增大,膨脹管的吸能量逐漸增加。也就是說(shuō),比較2種變形模式下的吸能效果,當(dāng)壓模直徑大于61 mm時(shí),膨脹圓管有更好的吸能效果;但是當(dāng)壓模直徑超過(guò)65 mm時(shí),膨脹圓管出現(xiàn)撕裂、壓潰等不穩(wěn)定變形模式,所以當(dāng)壓模直徑大于65 mm時(shí),膨脹圓管的吸能效果開(kāi)始變差。

此外,在利用以上吸能指標(biāo)對(duì)結(jié)構(gòu)吸能性能進(jìn)行評(píng)估時(shí),首先要保證圓管變形過(guò)程中的初始峰值載荷在承載結(jié)構(gòu)的可承受范圍內(nèi),然后,優(yōu)化結(jié)構(gòu)才有意義。由于當(dāng)壓模直徑為61 mm時(shí),膨脹管和壓潰管的吸能量基本一致,對(duì)比2種工況下的軸向壓潰力曲線發(fā)現(xiàn),膨脹圓管的軸向壓潰力峰值載荷為65 kN,而漸進(jìn)壓潰圓管的軸向壓潰力峰值載荷為70 kN,在變形過(guò)程中膨脹圓管的峰值載荷更小,相對(duì)于漸進(jìn)壓潰圓管來(lái)說(shuō),膨脹圓管作為吸能結(jié)構(gòu)綜合性能更好。

4 結(jié)論

本文選取合適的材料模型,使用ls-dyna軟件對(duì)薄壁圓管的吸能特性進(jìn)行了仿真。得到了在壓模角度為30°、下壓速度為5 m/s時(shí),壓模直徑與膨脹薄壁圓管吸能特性的關(guān)系,得出當(dāng)吸能特性最好時(shí)壓模直徑與膨脹圓管直徑之間的比值Dd/D0。對(duì)相同尺寸的薄壁圓管在漸進(jìn)壓潰與膨脹2種變形模式下的吸能量對(duì)比可知,當(dāng)Dd/D0=1.22時(shí),2種變形模式下圓管的吸能量基本相同;當(dāng)1.22