預(yù)折疊蜂窩結(jié)構(gòu)吸能特性仿真研究

牛旭,盧嘉茗,陳秉智,秦睿賢

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連 116028;2.大連交通大學(xué) 機(jī)車車輛工程學(xué)院,遼寧 大連 116028)

隨著我國高速列車的發(fā)展,被動安全性問題已經(jīng)成為備受關(guān)注的課題[1-6]。被動防護(hù)系統(tǒng)是高速列車的最后一道安全防線。車輛碰撞動能以可控變形耗散,確保乘客安全。結(jié)構(gòu)受到的沖擊載荷以合理的方式吸收,以降低乘客損傷[7]。

重量輕、強(qiáng)度高的蜂窩結(jié)構(gòu),被廣泛用于吸能結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計中。預(yù)折疊設(shè)計是提升蜂窩結(jié)構(gòu)耐撞性的有效方法之一,與傳統(tǒng)蜂窩結(jié)構(gòu)相比,預(yù)折疊結(jié)構(gòu)具有更好的能量吸收能力和更高的抗破碎能力。Ha等[8]提出一種仿生分層圓形蜂窩結(jié)構(gòu),通過準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗和有限元分析研究其耐撞性能,結(jié)果表明與相似厚度的圓形蜂窩機(jī)構(gòu)相比,新結(jié)構(gòu)比吸能提升45.3%,比同體積的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)提升71.2%。Xiang等[9]設(shè)計了一種新型仿生蜂窩結(jié)構(gòu),研究了在軸向沖擊載荷下的能量吸收特性,發(fā)現(xiàn)在蜂窩節(jié)點添加圓柱管,其能量吸收特性優(yōu)于在蜂窩中間添加圓柱管的情形。Ajdari等[10]通過小尺寸的六邊形替換正六邊形蜂窩網(wǎng)格的每個頂點,構(gòu)造一級和二級分層蜂窩結(jié)構(gòu),通過數(shù)值模擬和試驗方法研究其力學(xué)行為,并調(diào)整分層蜂巢的結(jié)構(gòu)組織,實現(xiàn)控制各向同性面內(nèi)彈性特性。Zhang等[11]使用AlSi10Mg材料制備了單尺度蜂窩結(jié)構(gòu)、兩層和三層蜂窩結(jié)構(gòu),并對蜂窩結(jié)構(gòu)在準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)壓縮下的響應(yīng)進(jìn)行了模擬和試驗分析。結(jié)果表明:在質(zhì)量相同的前提下,分級蜂窩比單尺度蜂窩具有更好的能量吸收能力,在面外壓縮下蜂窩結(jié)構(gòu)的初始峰值力對結(jié)構(gòu)分級不敏感。

蜂窩結(jié)構(gòu)具有較高的軸向強(qiáng)度,能改善能量吸收效率,但同時也可能引起初始峰值載荷的升高。預(yù)折疊結(jié)構(gòu)可降低初始峰值載荷,常用于變形誘導(dǎo),來控制薄壁結(jié)構(gòu)坍塌后的變形模式,是提升薄壁結(jié)構(gòu)能量吸收特性的有效手段。通過預(yù)折疊與蜂窩結(jié)構(gòu)相結(jié)合來優(yōu)化蜂窩結(jié)構(gòu)的研究相對較少。因此,本文設(shè)計了一種具有預(yù)折疊單元的蜂窩結(jié)構(gòu)(GHPF),研究其軸向的壓縮性能,為高速動車吸能結(jié)構(gòu)提供設(shè)計參考。

1 預(yù)折疊單元的蜂窩結(jié)構(gòu)

將預(yù)折疊結(jié)構(gòu)單元引入蜂窩結(jié)構(gòu)中,有利于降低初始峰值載荷,控制結(jié)構(gòu)變形模式。新結(jié)構(gòu)中相鄰的預(yù)折疊板與六邊形管單元連接,以抵消預(yù)折疊結(jié)構(gòu)間幾何上的干涉。GHPF結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)見圖1,結(jié)構(gòu)整體由15個等效單元組成,以3×5的方式排布。結(jié)構(gòu)整體高度為H,預(yù)折疊角度為θ,半個折疊周期的高度為h;在截面方向上,結(jié)構(gòu)整體截面寬度為X,截面長度為Y, 等效單元壁長度為L,其中,預(yù)折疊壁長度為l, 六邊形單元管壁長度為c。折疊角度θ與六邊形管壁長度c和半折疊周期高度h之間存在的幾何關(guān)系為:

圖1 GHPF結(jié)構(gòu)參數(shù)

(1)

(2)

等效單元壁長度L與六邊形管壁長度c及折疊壁長度l之間的關(guān)系為:

(3)

等效六邊形單元和六邊形管之間呈現(xiàn)功能梯度分級,本文為研究它們之間的比例關(guān)系對結(jié)構(gòu)性能的影響,提出單元比例K,K的定義為:

(4)

式中:L為等效六邊形單元壁長度;c為六邊形管壁長度。

2 GHPF結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能

本文采用選區(qū)激光熔化技術(shù)(SLM)制備AlSi10Mg合金拉伸試件(圖2),進(jìn)行熱處理(530 ℃下保溫2 h,隨后水淬至室溫)提高塑性。材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖3。材料楊氏模量E=70 GPa,泊松比μ=0.3,初始屈服極限σy=112.7 MPa。

圖2 試件尺寸及SLM打印試件

圖3 熱處理后AlSi10Mg的工程與真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3 數(shù)值模擬

3.1 有限元建模

本文采用LS-DYNA軟件進(jìn)行蜂窩的吸能模擬,有限元模型見圖4。蜂窩底部固定位移自由度,頂部被剛性壓板以10 mm/ms 的恒定速度進(jìn)行軸向壓縮。考慮管件自接觸,剛性壓板與管件之間為自動面面接觸關(guān)系,接觸動摩擦系數(shù)與靜摩擦系數(shù)均設(shè)為0.15,管件總高度H為80 mm。

圖4 有限元模型

擬定GHPF蜂窩結(jié)構(gòu)的壁厚為0.5 mm,單元尺寸由3 mm逐漸減小,以蜂窩結(jié)構(gòu)的初始峰值力PCF和模型計算時間作為收斂性評價指標(biāo)。計算不同單元尺寸的GHPF蜂窩模型,結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)單元尺寸從1 mm降低至0.5 mm時,CPU計算時間由856 s增加到2 658 s,平均碰撞力由135.28 kN降低至134.73 kN,平均碰撞力變化率為0.4%,可以認(rèn)定模型結(jié)果收斂。模型細(xì)化帶來的結(jié)果精度提升較小,計算效率大幅降低,故本文選擇1 mm作為GHPF蜂窩有限元模型的單元尺寸。

3.2 模型參數(shù)

GHPF結(jié)構(gòu)仿真模型單元比例因子K= 2,折疊周期N= 4。GHPF結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為203.2 g,總高度為80 mm,截面寬度和長度分別為120 mm和90.93 mm。

需要注意的是,當(dāng)K= 1時,相鄰六邊形管壁重合,等效單元壁長度L與六邊形管中心連線長度相等,GHPF結(jié)構(gòu)退化為傳統(tǒng)六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)(圖5)。

圖5 傳統(tǒng)六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)

3.3 響應(yīng)結(jié)果分析

GHPF仿真響應(yīng)見表1。與傳統(tǒng)蜂窩結(jié)構(gòu)相比,GHPF結(jié)構(gòu)的初始峰值力(PCF)顯著降低,降幅為24.9%;比吸能(SEA)和平均壓潰力(MCF)均提升12.6%。同時,GHPF結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)蜂窩結(jié)構(gòu)具有更高的載荷一致性,平均壓潰力效率(CFE)提高了40.9%。

從圖6中可以看出,傳統(tǒng)蜂窩結(jié)構(gòu)經(jīng)歷初始峰值載荷后,壓潰力迅速下降至平臺階段,并始終處于較低水平,直至進(jìn)入致密化階段。而GHPF結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷峰值載荷后,出現(xiàn)周期震蕩,在進(jìn)入平臺階段后,平臺力始終高于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖6 GHPF結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)蜂窩結(jié)構(gòu)的力-位移曲線

GHPF結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)蜂窩結(jié)構(gòu)的變形對比見圖7。從圖7的對比可知, 兩者差距明顯。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出典型蜂窩結(jié)構(gòu)變形,在受到面外壓力時,結(jié)構(gòu)從端部開始變形,逐步進(jìn)入漸進(jìn)屈曲,直至壓潰結(jié)束。從云圖可以看出,傳統(tǒng)蜂窩塑性區(qū)分布均勻,高應(yīng)變塑性區(qū)相對較少。而預(yù)折疊單元的變形誘導(dǎo)使結(jié)構(gòu)整體產(chǎn)生了4個完整的褶皺,這是GHPF結(jié)構(gòu)峰值載荷較低的主要原因。同時,結(jié)構(gòu)中的六邊形單元軸向變形未受到較大影響,除周邊單元表現(xiàn)出整體屈曲模式外,其余六邊形單元變形穩(wěn)定,軸向支撐效果明顯。GHPF結(jié)構(gòu)的預(yù)折疊單元與六邊形單元間相互作用使結(jié)構(gòu)性能有所提升。

(a) 傳統(tǒng)蜂窩

綜上,GHPF結(jié)構(gòu)耐撞性能良好,在能量吸收、比吸能、平均壓潰力及平均壓潰力效率等方面優(yōu)勢明顯。

4 結(jié)論

本文將預(yù)折疊結(jié)構(gòu)與蜂窩結(jié)構(gòu)相結(jié)合,設(shè)計了一種具有預(yù)折疊單元的新型蜂窩結(jié)構(gòu)(GHPF),使用非線性有限元軟件LS-DYNA模擬了結(jié)構(gòu)的面外沖擊過程。數(shù)值結(jié)果表明,與傳統(tǒng)蜂窩結(jié)構(gòu)相比,新型蜂窩在提升SEA的同時,有效降低了PCF。分析發(fā)現(xiàn),GHPF結(jié)構(gòu)在壓縮變形過程中,六邊形單元主要起支撐作用,預(yù)制疊單元主要起變形誘導(dǎo)作用,實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)性能強(qiáng)化。

軸向載荷作用下,具有預(yù)折疊單元的蜂窩結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出優(yōu)異的耐撞性能。新結(jié)構(gòu)可以作為現(xiàn)有填充蜂窩的替代結(jié)構(gòu),以提高列車吸能特性,為吸能系統(tǒng)元件的選型提供有益參考。