蒙皮蜂窩式整體吸能裝置壓縮性能研究

于洋洋 張永貴

摘要：為了保證低成本、短周期，采用仿真與試驗相結合的方法對某蒙皮蜂窩式整體式吸能裝置展開設計;針對吸能裝置設計指標，基于單個蒙皮蜂窩式整體吸能裝置壓縮、兩個相同蒙皮蜂窩式整體吸能裝置對壓等工況，通過有限元仿真分析方法進行結構尺寸、蜂窩強度等參數迭代優化，確定設計參數，并試制全尺寸樣件開展同工況靜壓試驗，試驗結果顯示：仿真結果與試驗結果一致，說明建模方法可靠，可用于防爬器前期設計;蒙皮蜂窩式整體吸能裝置主要性能參數滿足相應技術指標要求。

關鍵詞：鋁蜂窩;整體吸能裝置;仿真分析;靜壓試驗

0 ?引言

根據世界鐵路嚴重事故的統計資料發現，造成重大人員傷亡的火車事故中碰撞事故占到了56%，即碰撞仍然是列車面臨的主要事故風險之一。盡管世界各國采用了先進的通信信號系統、調度控制等主動防護技術來規避列車碰撞事故的發生，但是列車碰撞事故還是無法完全避免，因此英國、歐盟、美國等地區制定了強制性軌道列車耐撞性設計標準，對車輛碰撞耐撞性性能指標提出了新的要求[1]。

防爬/吸能裝置是軌道交通車輛車體耐撞性設計的重要組成部分，本文針對某蒙皮蜂窩式整體吸能裝置設計指標，通過有限元仿真分析方法對蒙皮蜂窩式整體吸能裝置進行參數設計，并采用靜壓試驗開展試驗驗證，結果表明部件各性能參數滿足技術指標。

1 ?吸能裝置結構介紹

蒙皮蜂窩式整體吸能裝置主要由安裝板、蜂窩芯（鋁蜂窩）、蒙皮、前面板四部分組成，如圖1所示。其中，蒙皮蜂窩式整體吸能裝置通過安裝板與車體連接;蜂窩芯在碰撞過程中起緩沖吸能的作用，通過塑性變形將沖擊動能轉換為內能;蒙皮主要為保護蜂窩心的作用，與蜂窩芯共同產生塑性變形，且于接觸界面存在耦合作用以增加穩定性;前面板采用剛度較大的鋼板，以保證蜂窩芯可以均勻壓縮。

對于圖1所示外形尺寸的吸能裝置，如果僅采用試樣試驗進行迭代設計以確定各設計參數，必將造成經濟成本高、設計周期長的困擾，因此，首先采用有限元仿真分析方法對其結構尺寸、蜂窩強度等主要參數進行迭代優化，然后進行試驗驗證;其中，該吸能裝置主要壓縮性能指標如表1所示。

2 ?吸能裝置壓縮仿真

針對表1中吸能裝置吸能指標要求，基于如下工況展開吸能裝置有限元仿真分析，以確定設計參數，具體工況為：

①單個吸能裝置，安裝板固定，移動壁障自前端板向安裝板移動;

②兩個吸能裝置軸向對稱放置，兩前端板對齊貼合，一裝置安裝板固定，移動壁障自另一裝置安裝板向其移動。

2.1 數值計算模型

利用有限元軟件HyperMesh和LS-DYNA構建蜂窩式整體吸能裝置軸向壓縮數值計算模型，如圖2所示;其中，移動剛性墻以1m/s恒定速度沿軸向移動運動壓縮吸能裝置，蜂窩芯、蒙皮、前端板、安裝板等采用4節點殼單元模型（Belytchko-Tsay）建立計算模型，單元厚度方向設置5個積分點，單元尺寸為5mm，其中，蜂窩芯通過擴大孔徑和調整壁厚來控制網格規模，且膠粘面設為單一壁厚的兩倍[2～3];各部件及部件自身均設置為自動接觸，所有接觸摩擦系數均設置為0.2。

對于蜂窩、蒙皮、前端板、安裝板等部件，其材料本構采用LS-dyna中的123號材料模型（MAT_MODIFIED_PIECEWISE_ LINEAR_ PLASTICITY）進行描述，各部件所采用材料型號及力學性能，如表2所示。

2.2 計算結果分析

基于2.1所構建的數值計算模型，開展蒙皮蜂窩式整體吸能裝置相應工況仿真計算，并提取仿真結果中的位移數據和支反力數據來驗證吸能裝置性能參數是否滿足表1要求;通過系統迭代優化計算，確定蒙皮厚度為3mm，蜂窩強度為5MPa。

2.2.1 單個吸能裝置壓縮計算結果

圖3呈現了單個吸能裝置壓縮數值模擬形態變形過程;由圖3可知，蒙皮與蜂窩于壓縮過程中變形協調有效，吸能裝置未產生屈曲失穩，符合設計預期。

圖4為提取吸能裝置壓縮仿真過程中的支反力所繪制壓縮力-位移曲線;由圖4可知，吸能裝置于壓縮初始存在觸發峰值，之后穩定在某一穩態值附近，至壓縮310mm后，壓縮力顯著提高，該現象主要由蜂窩進入密實階段所致;計算可得吸能裝置平均壓縮力約1328kN，與表1設計值偏差約1.6%;通過對壓縮力-位移曲線進行積分，可求得吸能量為461kJ;由此可見，單個吸能裝置壓縮工況下，其有效壓縮行程、平均壓縮力、總吸能量均滿足表1設計指標。

2.2.2 兩個相同吸能裝置對壓計算結果

圖5呈現了兩個相同吸能裝置對壓數值模擬形變變形過程;由圖5可知，吸能裝置蒙皮與蜂窩變形協調有效，且各吸能裝置最終變形形態呈對稱分布，且整體未產生屈曲失穩現象。

圖6為提取吸能裝置壓縮仿真過程中的支反力所繪制壓縮力-位移曲線;由圖6可知，吸能裝置于壓縮初始存在觸發峰值，之后穩定在某一穩態值附近，至壓縮622mm后，壓縮力顯著提高，該現象主要由蜂窩進入密實階段所致;計算可得吸能裝置平均壓縮力約1436kN，與表1設計值偏差約6.3%;通過對壓縮力-位移曲線進行積分，可求得吸能量為900kJ;由此可見，兩個吸能裝置對壓工況下，吸能裝置的有效壓縮行程、平均壓縮力、總吸能量均滿足表1設計指標。

由數值模擬結果可知，經過優化的蒙皮蜂窩式整體吸能裝置于兩種計算工況下變形穩定，且有效壓縮行程、平均壓縮力、總吸能量滿足設計指標。

3 ?吸能裝置壓縮試驗

基于第2章節數值計算所確定設計參數，試制蒙皮蜂窩式整體吸能裝置樣件，并參照計算工況進行試樣靜壓試驗，以驗證吸能裝置壓縮性能。

圖7為蒙皮蜂窩式整體吸能裝置試驗現場，試驗設備為大型油壓機。

圖8為吸能裝置試驗后試樣變形狀態，仿真結果與之基本一致。

圖9為吸能裝置靜壓試驗與仿真的壓縮力-位移曲線對比，兩者趨勢基本一致，但初始觸發峰值誤差較大，該現象主要由于試樣試制過程中蜂窩芯進行了預壓處理。

表3、表4分別為吸能裝值兩種工況下的性能參數比較，仿真與試驗結果除初始峰值力外，誤差均在10%以內，滿足工程設計要求，進而說明所采用的仿真建模方法具有較高的可靠性。

4 ?結論

①通過對比數值模擬結果及試驗結果，發現數值模擬結果較為可靠，防爬器設計初期可通過數值模擬的手段降低試驗成本和試驗周期;②通過試驗結果可以發現，本文中的蒙皮蜂窩式整體吸能裝置在兩種工況下滿足壓縮性能要求。

參考文獻：

[1]雷成，肖守訥，羅世輝，等.軌道車輛耐碰撞性研究進展[J]. 鐵道學報，2013（1）：31-40.

[2]郭正輝，朱西產，李霖.汽車碰撞蜂窩鋁壁障有限元建模方法研究[J].佳木斯大學學報（自然科學版），2013，31（1）：43-47.

[3]Yasuki T， S Kojima. Application of Alumium Honeycomb Model Using Shell Elements to Offset Deformable Barrier Model[J]. International Journal of Crashworthiness， 2009， 14（5）：449-456.

作者簡介：于洋洋（1988-），男，工程師，主要研究方向為軌道車輛被動安全技術。