非對稱變形模式下薄壁組合結構耐撞性研究

修瑞仙，劉艷文，高允峰，丁 頌

(1.長春師范大學工程學院，吉林長春 130032；2.中國北車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春 130062)

非對稱變形模式下薄壁組合結構耐撞性研究

修瑞仙1，劉艷文2，高允峰1，丁 頌1

(1.長春師范大學工程學院，吉林長春 130032；2.中國北車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春 130062)

基于單一薄壁金屬結構具有穩定的、可控的塑性變形吸能優點及存在碰撞界面力過載缺點的現狀，本文提出承載能力更高、界面力更加穩定的組合結構的設計理念，并對單層薄壁結構及雙層薄壁組合結構進行有限元建模，利用非線性顯示動態有限元軟件LS-DYNA對其耐撞性進行分析。研究表明：在非對稱變形模式下，薄壁組合結構耐撞性特性優于單層結構；對組合結構加工V型誘導槽后，其緩沖特性有較大提高，能進一步有效地控制吸能過程中的過載情況。

薄壁組合結構；非對稱變形模式；耐撞性；誘導槽

根據世界各國鐵路、公路嚴重傷亡事故調查資料介紹，碰撞時車體產生塑性變形大的破壞是導致乘員傷亡的一個主要原因[1]。隨著車速和載重的不斷提高，車輛碰撞事故呈不斷上升趨勢，這對車體結構提出了“耐撞性”的要求。在碰撞過程中，承載區的許多零件都參與碰撞變形，但是保證結構耐撞性的關鍵是能夠控制主要吸能件的變形。

薄壁金屬結構在軸向撞擊作用下具有穩定的、可控的塑性變形模式，不會造成碎片飛裂等次生破壞，且具有結構簡單、加工方便、成本低和良好的吸能特性等優點，被廣泛地應用于耐碰撞軌道車輛吸能結構的設計中。但是單一的薄壁結構吸能增加都存在碰撞力峰值過載的危險，如果能把兩種不同的薄壁結構組合形成組合結構，則整個結構將具有更高的承載能力，載荷曲線更加穩定。

薄壁結構軸向壓潰時，其塑性破壞模式可能是軸對稱的或者是非對稱的[2]。例如，圓管的軸對稱變形模式稱為圓環模式或手風琴模式，而非軸對稱模式稱為鉆石模式或金剛石模式。方管在靜態軸壓下出現對稱變形模式，動態軸向沖擊則出現混合變形模式。本文針對非對稱變形模式下，外層為圓管、方管、蜂窩管，而內層為圓管的組合結構進行準靜態壓縮吸能特性的仿真和研究，首先利用Hypermesh軟件對壓潰管進行實體建模和有限元網格劃分，然后利用LS-DYNA軟件進行碰撞仿真分析。

1 碰撞有限元仿真理論基礎

描述碰撞現象的主要方法有Euler法、Lagrange法和ALE法。Euler法多用于流體力學問題，在固體力學中用得很少；ALE法是處理流體-固體相互作用的較好方法，適用高速碰撞現象的描述，其理論和算法較復雜，在具體編程和工程中不易實現；Lagrange法是目前描述固體碰撞行為的最成熟、最方便的方法。采用Lagrange法描述的有限元法可以處理高速碰撞工程中復雜的邊界條件和復雜的材料本構關系，并且描述接觸滑移面非常方便。LS-DYNA程序主要采用Lagrange描述增量法，利用虛功原理建立非線性大變形的有限元控制方程。

考慮一個運動系統，某質點在初始時刻t=0時位于B處；在固定的笛卡爾坐標系下，其坐標為xα(α=1，2，3)。 經時間t，該質點運動到位置b，在同一笛卡爾坐標系下的坐標為xi(i=1,2,3)。采用Lagrange描述增量法，得到

xα=xi(xα，t).

(1)

在t=0時，初始條件為

xi(xα，0)=xα.

(2)

(3)

其中，Vi為初始速度。

根據連續介質力學原理，整個運動系統必須保持質量守恒、動量守恒和能量守恒。系統的質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程分別如下

ρ=Jρ0.

(5)

(6)

根據虛功原理，可以得出碰撞系統的控制方程

(7)

其中，各個積分項分別表示單位時間內系統的慣性力、內力、體積力和表面力所作的虛功。

對(7)進行離散化，得到離散方程

(8)

考慮到粘性阻尼項，(8)可變為

(9)

2 非對稱變形模式下薄壁元件的吸能特性分析

2.1 圓管吸能特性分析

選取壁厚為3mm，直徑分別為65mm、60mm、55m、50mm、45mm、40mm的圓管，對其進行仿真分析，圓管的一端進行約束，而另一端用剛性墻對其進行壓縮，如圖1所示(以直徑65mm的圓管為例)。仿真中采用的圓管的長度均為150mm，在軸向載荷作用下被壓縮100mm，且各圓管均發生非對稱變形模式(金剛石變形模式)，以便對非對稱變形模式下不同直徑的圓管的吸能特性進行比較。

圖1 直徑65mm圓管有限元仿真模型

圖2至圖4為不同直徑圓管(直徑分別為65mm、60mm、55mm、50mm、45mm、40mm)的最終變形圖、吸能—壓縮行程曲線以及軸壓力(界面力)—行程曲線對比情況。

圖2 不同直徑圓管非對稱模式變形圖

圖3 不同直徑圓管吸能比較圖

圖4 不同直徑圓管界面力比較

直徑(mm)656055504540吸能(KJ)9.599.639.8410.6910.6211.15界面力(KN)292.85288.07276.07279.49269.17266.35質量(KG)0.250.230.210.190.170.15平均界面力(KN)95.9196.3598.42106.9106.2111.5比吸能(KJ/KG)38.6642.0746.8956.0361.8573.05緩沖指數3.052.992.802.612.532.39

表1詳細列出了不同直徑圓管非對稱變形模式下各個耐撞性指標。由表1及圖3、圖4可知，在非對稱變形模式下，長度及厚度相同的圓管隨著直徑的減小，吸能逐漸增大(除直徑45mm圓管外)，這和手風琴變形模式下的吸能特性有很大差別；界面力逐漸減小(除直徑50mm圓管外)。圓管直徑從65mm減小到40mm，比吸能增加了88.96%，緩沖指數減小了21.90%，這說明圓管在非對稱變形模式下，隨著直徑的減小，變形更加穩定，吸能特性更好。由圖2可知，直徑65～55mm的圓管最終的變形只能兩層皺折，直徑50～45mm的圓管有3層皺折，而直徑40mm的圓管有4層皺折，這表明相同長度和厚度的圓管當直徑增大時，非對稱分布的皺折形式也越來越明顯，皺折的長度逐漸增大，皺折數目減小，從而吸能也逐漸減小。

2.2 方管及蜂窩管吸能特性分析

選取邊長分別為60mm、65mm，厚度為3mm，長度為150mm的方管和蜂窩管，對其進行仿真分析(加載方式和上節圓管一樣)，其有限元模型如圖5所示。得到其吸能—壓縮行程曲線及界面力—壓縮行程曲線，為組合結構吸能特性研究打下基礎。

圖5 方管及蜂窩管有限元仿真模型

圖6 方管及蜂窩管最終變形模式

圖7 邊長60mm方管吸能及界面力特性曲線

圖8 邊長65mm蜂窩管吸能及界面力特性曲線

3 非對稱變形模式下組合結構的吸能特性分析

雙層薄壁組合結構在軸向載荷下，其失效形式可以分成兩種情況：(1)內外兩層殼距離較遠，在壓縮過程中兩層殼不發生相互作用；(2)內外兩層殼距離較近，在軸向載荷作用下，內外兩層殼大變形后的皺折相互約束。本文主要針對后者進行研究。選取外層為直徑60mm、邊長分別為60mm、65mm的圓管、方管和蜂窩管，內層為直徑50mm、45mm、40mm的圓管的薄壁組合結構進行仿真分析，并與單層薄壁結構吸能特性進行比較。仿真中內外兩層殼的長度均為150mm，在軸向載荷作用下被壓縮100mm。

表2至表4詳細地給出了組合結構與單層結構耐撞性指標對比。仿真結果表明：(1)非對稱變形模式下組合結構比單層結構的比吸能大，在相同質量條件下吸能能量增加；(2)非對稱變形模式下組合結構比單層結構的緩沖指數小；在相同的沖擊載荷下，軸壓力峰值降低。組合結構在軸壓力作用下發生屈曲時，內外層大變形后的皺折相互約束，變形更加穩定和平緩，吸能和緩沖效果更佳。因此，薄壁組合結構相對于單層結構，更適合用作軌道車輛吸能裝置的元件。

4 帶V型誘導槽組合結構的吸能特性分析

薄壁組合結構在壓縮行程的初始階段(約10mm左右)，產生一個大的軸壓力脈沖，其后進入屈曲變形階段，軸壓力的波動比較平穩。在碰撞初始階段出現大的軸壓力脈沖會引起大的減速度，造成司乘人員與車輛的二次碰撞，所以有必要采用一定的技術來減小此階段的軸壓力峰值。由文獻[3-4]可知，如果薄壁結構的縱向剛度減小，則軸壓力峰值也將降低。利用該原理，同時考慮加工工藝的可行性，可以采用預變形技術，降低薄壁結構某一部位的縱向剛度，以此來降低軸壓力的峰值。

圖9 帶有V型誘導槽的薄壁組合結構局部模型

將上節的薄壁組合結構外層殼在距離上端部25mm的位置進行剛度弱化，形成一個寬度為6mm的V型誘導槽(其中心線距上端部距離為25mm)，V型槽的深度為1.5mm。其有限元局部模型如圖9所示。對其進行仿真分析，并與上節的沒有V型誘導槽的組合結構進行比較。

表5至表7詳細給出了有V型槽、無V型槽組合結構耐撞性指標對比。由仿真結果可知：(1)在相同的軸壓條件下，有V型槽的組合結構相對于無V型槽的組合結構，比吸能有所減小，但減小幅度不大，雙層圓管組合結構比吸能最大減小3.578%；方管、圓管組合結構比吸能最大減小6.0281%；蜂窩管、圓管組合結構比吸能最大減小3.0132%；(2)在相同的軸壓條件下，有V型槽的組合結構相對于無V型槽的組合結構，軸壓力峰值明顯降低，雙層圓管組合結構軸壓力峰值最小降低17.9659%，緩沖指數最小降低16.8190%；方管、圓管組合結構軸壓力峰值最小降低18.9782%，緩沖指數最小降低14.1089%；蜂窩管、圓管組合結構軸壓力峰值最小降低22.8416%；緩沖指數最小降低20.4788%。有V型槽的組合結構與無V型槽的組合結構相比較，其緩沖性能有較大的優勢，能進一步有效地控制吸能過程中的過載情況。

5 結論

(1)圓管在軸向壓縮發生非對稱變形模式下，隨著直徑的減小，皺折的長度逐漸減小，皺折數目增加，變形更加穩定，吸能特性更好。(2)非對稱變形模式下，薄壁組合結構比單層結構比吸能大，軸壓力峰值降低。組合結構在軸壓力作用下發生屈曲時，內外兩層大變形后的皺折相互約束，變形更加穩定和平緩，吸能和緩沖效果更佳。(3)非對稱變形模式下，外層有V型槽的組合結構相對于外層無V型槽的組合結構，比吸能有所減小，但減小幅度很小，而軸壓力峰值明顯降低。有V型槽組合結構的緩沖性能有較大的優勢，能進一步有效地控制吸能過程中的過載情況。

[1]陳漢珍.城際列車耐撞車體研究[D].成都:西南交通大學,2008.

[2]余同希,盧國興.材料與結構的能量吸收[M].北京:化學工業出版社,2006.

[3]賈宇,肖守訥.耐撞性車體吸能裝置的薄壁結構研究[J].鐵道車輛,2005,43(5):6-10.

[4]姚松,田紅旗.車輛吸能部件的薄壁結構碰撞吸能研究[J].中國鐵道科學,2001,22(2):55-60.

Research on Crashworthiness of the Thin-walled Composite Structures Based on the Asymmetric Deformation Mode

XIU Rui-xian1，LIU Yan-wen2，GAO Yun-feng1，DING Song1

(1. School of Mechanical Engineering, Changchun Normal University, Changchun Jilin 130032, China;2. CNR Changchun Railway Vehicles Co., Ltd., Changchun Jilin 130062, China)

Aiming at the situation that the single thin-walled metal structure has advantage of stable and controlled plastic deformation to absorb energy, but it also has the disadvantage of crash force overload, the design concept of composite structures which have higher carrying capacity and are more stable is proposed. The finite element models of single and double thin-walled structures are created, the FEM software LS-DYNA is applied to analysis its crashworthiness. The results show that in the asymmetric deformation mode, the crashworthiness characteristics of thin-walled composite structures are better than single thin-walled structure; when the composite structures are processed V-type induced groove, its buffering property is improved greatly which can further effectively control the overload condition in the process of energy-absorption.

thin-walled composite structures; asymmetric deformation mode; crashworthiness; induced groove

2014-09-20

長春師范大學自然科學基金項目(長師大自科合字[2014]第008號)。

修瑞仙(1987- )，女，遼寧莊河人，長春師范大學工程學院助教，碩士，從事軌道車輛強度及疲勞研究。

TU270.12

A

2095-7602(2014)06-0016-07