軌道交通車輛金屬蜂窩式防爬吸能器的設(shè)計(jì)

姜士鴻

（長春軌道客車股份有限公司，長春 132000）

0 引 言

金屬蜂窩材料是一種多胞蜂窩巢穴的材料，具有密度小、剛度低、抗沖擊能力強(qiáng)且壓縮變形可控等優(yōu)點(diǎn)，是理想的緩沖吸能材料，金屬蜂窩材料在高速列車領(lǐng)域扮演著極為重要的角色，能有效吸收高速列車在發(fā)生碰撞產(chǎn)生的巨大沖擊能量，它是保證乘員或其他有效載荷免受重大傷害的終極安全衛(wèi)士，是高速車被動(dòng)安全防護(hù)技術(shù)的重要組成部分。近年來，由于國內(nèi)高強(qiáng)度金屬蜂窩材料制造比較困難，基于高強(qiáng)度金屬蜂窩材料的吸能材料的研究及其應(yīng)用已成一項(xiàng)重要的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。

金屬蜂窩吸能結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下，發(fā)生漸進(jìn)的屈曲變形，將沖擊能轉(zhuǎn)換為金屬蜂窩的塑性變形能，從而達(dá)到緩沖吸能目的，是理想的吸能器，在各種防撞結(jié)構(gòu)中有廣泛應(yīng)用。

DELLNER 公司設(shè)計(jì)的D-BOX 系統(tǒng)代表了世界列車吸能器的先進(jìn)水平。整個(gè)列車吸能器由多個(gè)部分組成，第一部分為一級吸能器，位于列車最前端，其中二級吸能器為金屬蜂窩材料，金屬蜂窩材料通過塑性變形吸收能量，其吸能效率較高［2］，DELLNER 公司設(shè)計(jì)的D-BOX列車吸能器的一、二級吸能器結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

1 結(jié)構(gòu)原理

圖1 D-BOX 列車吸能器簡圖

金屬蜂窩吸能結(jié)構(gòu)是安裝于列車車頭或列車間，用以在列車發(fā)生意外碰撞情況下對列車及乘客進(jìn)行被動(dòng)安全保護(hù)的一種重要部件，典型吸能器的結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，主要包括吸能器、容納吸能器的輔助件等，由于高速列車的特殊需求，通常要求在較小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)碰撞能量吸收的最大化，同時(shí)還要保證吸能的穩(wěn)定性，而吸能器通常密度很小、吸能穩(wěn)定性好，因此以其特有的吸能特性被成功應(yīng)用于高速列車的被動(dòng)安全防護(hù)。

圖2 吸能器的結(jié)構(gòu)原理

2 設(shè)計(jì)方法

2.1 設(shè)計(jì)條件

高速列車用緩沖吸能器的設(shè)計(jì)條件有很多，大致可以歸納為：

1）設(shè)計(jì)空間要求。緩沖器的設(shè)計(jì)空間主要是指列車可提供的工作空間，包括列車內(nèi)部的形狀及具體尺寸，它是設(shè)計(jì)蜂窩式防爬緩沖器的依據(jù)。因此，在設(shè)計(jì)高速列車用蜂窩式防爬緩沖器時(shí)，必須給出其設(shè)計(jì)空間［3］。

2）工作環(huán)境要求。包括高低溫、震動(dòng)及耐腐蝕等，且不同的工作環(huán)境下蜂窩式防爬緩沖器的緩沖特性往往存在很大區(qū)別，因此，對蜂窩式防爬緩沖器的設(shè)計(jì)，必須考慮其實(shí)際的工作環(huán)境。

3）工作情況。包括高速列車的質(zhì)量、速度、撞擊角度、運(yùn)行震動(dòng)等，這些參數(shù)都將影響著陸用緩沖器的設(shè)計(jì)。

4）各被保護(hù)對象的許用峰值應(yīng)力。必須保證列車在碰撞過程中，各被保護(hù)對象所受的應(yīng)力應(yīng)大于蜂窩式防爬緩沖器許用的峰值應(yīng)力。

5）其它要求。根據(jù)具體的運(yùn)行任務(wù)，有時(shí)候還有一些其它方面的技術(shù)要求，它對于設(shè)計(jì)性能良好的高速列車用蜂窩式防爬緩沖器同樣重要。

2.2 吸能器吸能性能的評價(jià)方法

吸能器吸能性能評價(jià)方法是評價(jià)吸能器的重要指標(biāo)，主要包括吸收能量的能力、在吸能過程中的載荷特性、吸能效率及變形能力等。圖3、圖4 為吸能器在碰撞吸能過程中的載荷-位移（應(yīng)力-應(yīng)變）曲線，F(xiàn)P表示在工作過程中的峰值載荷，F(xiàn)m表示在工作過程中的平均壓潰載荷。相應(yīng)地，σp表示吸能器在吸能過程中的峰值應(yīng)力，σm為吸能器的平均壓潰應(yīng)力。

2.3 吸能器的吸能能力及比吸能分析

圖3 吸能器在碰撞吸能過程中的載荷-位移曲線

圖4 吸能器在碰撞吸能過程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

為描述吸能器的吸能能力，定義3 個(gè)參數(shù)，即吸能器在其變形過程中吸收的總能量Wtotal，單位體積內(nèi)吸收的能量W，單位質(zhì)量內(nèi)吸收的能量Wm。

根據(jù)能量守恒定理，得到吸能器總的吸能能力為

式中：L 為吸能器被壓縮的距離；F（L）為吸能器被壓縮距離為L 時(shí)的力。

總吸能能力是吸能器的一個(gè)重要性能指標(biāo)，在設(shè)計(jì)吸能器時(shí)，必須使吸能器的總吸能能力大于需要吸能的總沖擊能量。

質(zhì)量比吸能是同樣評價(jià)吸能器本身質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，它是評價(jià)吸能器自身重量的重要依據(jù)。定義吸能器單位質(zhì)量吸收的能量為

式中m 為吸能器的質(zhì)量。

吸能器單位體積內(nèi)吸收的能量為

式中：σ 為流動(dòng)應(yīng)力，是應(yīng)變?chǔ)?的函數(shù)；V 為吸能器的體積；ε 為吸能器的在工作過程中的應(yīng)變。

根據(jù)吸能器的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖3、圖4 所示，W相當(dāng)于在應(yīng)變量為ε 時(shí)壓縮曲線以下的面積，故壓縮曲線的形狀和位置可反映出吸能器吸能性能的高低。通過吸能器單位體積內(nèi)吸收的能量W 可表征吸能器在體積方面的性能。

在吸能器的設(shè)計(jì)過程中，峰值載荷Fp（或峰值應(yīng)力σp）是一個(gè)非常重要的參數(shù)，在進(jìn)行吸能器的設(shè)計(jì)時(shí)，必須使吸能器在工作過程中其峰值載荷Fp始終小于許用峰值載荷［Fp］（或峰值應(yīng)力σp始終小于許用峰值載荷［σp］）。

平均壓潰載荷Fm是表征吸能器吸能特性的重要指標(biāo)，通過吸能器的平均壓潰載荷，可方便地預(yù)測該吸能器的吸能能力，其定義為

相應(yīng)地，可以得到吸能器的平均壓縮應(yīng)力為

為使所獲得的評價(jià)方法具有通用性，吸能性能的評價(jià)方法要盡量與吸能器的尺寸無關(guān)，因此應(yīng)從吸能器的應(yīng)力-應(yīng)變曲線入手，探討吸能器吸能性能的評價(jià)方法。

假設(shè)［a］為沖擊過程中被保護(hù)對象許用最大加速度，M 為被保護(hù)對象的總質(zhì)量。理論上，在設(shè)計(jì)吸能器時(shí)，應(yīng)滿足：1）吸能器的總吸能能力大于等于需吸收的總能量E；2）吸能器在工作過程中其峰值載荷FP始終小于許用峰值載荷［FP］，即

設(shè)吸能器的截面積為A，許用峰值應(yīng)力為［σp］，將式（6）轉(zhuǎn)換為應(yīng)力-應(yīng)變形式，即理想吸能效率I=Fm/Fp=σm/σp，極限應(yīng)變?chǔ)臘=LE/L，有

定義吸能器的總吸能效率

則有

由總吸能效率的定義及式（2）、式（3）可得：

1）總吸能效率Itotal是評價(jià)吸能器性能極為重要的一個(gè)指標(biāo)，高效意味著小型化。在相同設(shè)計(jì)條件下，總吸能效率Itotal越高，相應(yīng)地吸能器的體積V 就越小，意味著能夠?qū)崿F(xiàn)吸能器的小型化。吸能器的體積越小，不僅使容納吸能器的輔助件大大減小，從而大大降低系統(tǒng)的質(zhì)量（因?yàn)槿菁{吸能器的輔助件為致密材料，而吸能器本身較輕），而且小型化的吸能器將相應(yīng)地提高系統(tǒng)的載客量/載重量。

2）吸能器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及基體材料是影響吸能器吸能性能的最主要因素。吸能器所固有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及基體材料，除直接決定吸能器的工作可靠性、環(huán)境適應(yīng)能力及成本等，還直接決定了吸能器的理想吸能效率和極限應(yīng)變，進(jìn)而影響吸能器的總吸能效率。同時(shí)，吸能器的基體材料還直接決定了吸能器本身的質(zhì)量，基體材料的比強(qiáng)度越高，在相同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，其峰值應(yīng)力就越大，相應(yīng)的吸能器的體積可以越小［4］。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

以目前國內(nèi)現(xiàn)有的高速列車的車頭的布局及安裝為參考，基于蜂窩吸能器的吸能設(shè)計(jì)，本文給出了一種新型蜂窩吸能器的設(shè)計(jì)實(shí)例［5］：

列車車頭左右各安裝一套蜂窩吸能系統(tǒng)，此蜂窩吸能防爬器主要由前后連接的吸能部和導(dǎo)向部組成，導(dǎo)向部固定于車體下方，吸能部和導(dǎo)向部之間填充有緩沖吸能部件——蜂窩芯，列車在發(fā)生碰撞時(shí)，前端的防爬齒受到?jīng)_擊，剪切銷受到?jīng)_擊發(fā)生失效，因而防爬部在沖擊載荷作用下沿導(dǎo)向部向后運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而壓縮內(nèi)部填充的蜂窩芯發(fā)生塑性變形，整個(gè)蜂窩吸能器的緩沖距離取決于蜂窩芯的有效壓縮行程，有效吸能行程可以達(dá)到蜂窩總長的70%，從而通過蜂窩芯的塑性變形吸收能量。

圖5 為蜂窩吸能器示意圖，圖6 為蜂窩及能器吸能部示意圖。

其中蜂窩材料主要參數(shù)見表1，參數(shù)主要包括：材料、胞元規(guī)格、共面平均壓縮強(qiáng)度、鋁箔材料、材料厚度、蜂窩高度、蜂窩高度等，圖7 所示為表1 所涉及的鋁蜂窩結(jié)構(gòu)尺寸圖。

4 結(jié) 論

圖5 蜂窩吸能器示意圖

圖6 蜂窩吸能器吸能部示意圖

本文基于金屬蜂窩的特性，結(jié)合高速列車用蜂窩吸能器的需求，探討了其設(shè)計(jì)條件，同時(shí)深入展開了金屬蜂窩吸能能力的分析，以及高速列車用蜂窩吸能器的設(shè)計(jì)評價(jià)指標(biāo)，最后結(jié)合現(xiàn)有國內(nèi)高速列車的需求，給出了一種新型蜂窩吸能器的設(shè)計(jì)方案。

表1 鋁蜂窩材料的設(shè)計(jì)指標(biāo)

圖7 鋁蜂窩結(jié)構(gòu)尺寸圖

本文在理論方面，建立了金屬蜂窩包括吸能能力、總吸能效率、應(yīng)力應(yīng)變等理論模型，在深入研究各種吸能器吸能特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合所提出的吸能器吸能特性的評價(jià)方法，系統(tǒng)分析了蜂窩結(jié)構(gòu)吸能器的吸能性能，為金屬蜂窩吸能器的精確設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

此外，為了提高鋁蜂窩吸能器的吸能效率，以提高鋁蜂窩吸能器的性能，在深入系統(tǒng)研究金屬蜂窩吸能機(jī)理的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性地提出了兩種提高鋁蜂窩吸能器吸能效率的方法，為高速列車用輕量化的吸能器設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

［1］ 尹漢鋒，文桂林，馬傳帥，等.蜂窩結(jié)構(gòu)緩沖裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.中國機(jī)械工程，2011，22（10）：1155-1158.

［2］ 王曉光.大型金屬蜂窩部件工藝質(zhì)量控制［J］.航天工藝，1994（4）：52-54.

［3］ 王闖，劉榮強(qiáng)，鄧宗全，等.鋁蜂窩材料的沖擊動(dòng)力學(xué)性能的試驗(yàn)及數(shù)值研究［J］.振動(dòng)與沖擊，2008，27（11）：56-62.

［4］ Gibson L J，Ashby M F.Cellular Solid：Structure and Properties［M］.Cambridge：Cambridge University Press，1997.

［5］ Miltz J，Gruenbaum G..Evaluation of Cushion Properties of Plastic Foams Compressive Measurements［J］.Polymer Engineering and Science，1981，21：1010-1024.