膨脹薄壁圓管吸能特性研究

杜云龍,郝偉江,石業勇,李 瑞,王亞鵬,王忠平

(中車青島四方機車車輛股份有限公司,山東 青島 266111)

隨著社會的發展,乘客越來越重視所乘坐列車的安全防護性能,列車的碰撞安全是一個重要的參考指標,所以需要在車輛中安裝能量吸收構件,這類構件在沖擊碰撞過程中通過發生塑性大變形來耗散沖擊動能。薄壁圓管具有質量輕、便于安裝等特點,并能以一種可控的方式發生塑性大變形來吸收沖擊動能,因此被廣泛地應用于交通運輸工具的能量耗散系統中[1-2]。同時,薄壁圓管在不同的載荷作用下能發生多種變形模式,且每種變形模式各有各的特點,可以適用于不同的工作環境[3-5]。因此,對不同的變形模式下圓管的力學響應和吸能特性進行分析和比較,得出總結性的規律,具有較高的研究意義和工程價值。

1 數值模擬參數選擇

膨脹薄壁圓管主要承受軸向沖擊載荷,對圓管膨脹吸能過程進行仿真,材料參數的設置對數值模擬的結果影響很大,所以選擇合理的材料模型參數是進行深入探究的前提。

數值模擬采用LS-DYNA軟件[6],薄壁圓管材料選擇鋁合金Al6061,采用Johnson-Cook本構模型[7-8],屈服應力Y的表達式如下:

(1)

參考應變率ε0的表達式如下:

(2)

式中:s為時間,單位s。

無量綱化溫度TH表達式如下:

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

(3)

式中:Troom為室溫,Tmelt為材料熔點溫度。

由于在車輛碰撞時材料的溫度影響不大,所以本文采用簡化的Johnson-Cook本構模型進行模擬,簡化后的屈服應力Y的表達式如下:

(4)

失效應變εf表達式如下:

(5)

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

表1 鋁合金Johnson-Cook本構模型參數

列車連掛處的膨脹吸能結構如圖1所示。根據列車上的膨脹吸能結構建立簡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。壓模和地板設置成剛體,對壓模施加強制位移,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構

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

設計的膨脹吸能數值模擬工況如表2所示。

表2 數值模擬工況

一共設計了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 不同壓模直徑時薄壁圓管變形模式

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

對計算結果輸出上部剛性壓模的接觸反力,結果顯示,在壓模直徑小于65 mm工況下,膨脹變形過程中接觸力有持續穩定的平臺段。而在壓模直徑為66 mm工況下,接觸力曲線在保持一段時間穩定的平臺段接觸力之后,出現了急劇的下滑,原因是在壓模的膨脹作用下,薄壁圓筒的徑向變形很大,達到了材料的失效應變值,圓筒出現撕裂變形模式。在壓模直徑為68 mm時,壓模的下壓力大于圓管的初始壓潰力,所以圓管出現壓潰行為,故在設計膨脹吸能薄壁圓管時,壓模直徑存在一個閾值。引入無量綱量Dd/D0,其中Dd是壓模直徑,D0是薄壁圓管直徑。當壓模直徑為65 mm時,薄壁圓管出現穩定膨脹吸能的最大直徑,即當Dd/D0<1.3時,薄壁圓管的變形模式是穩定可控的。

3 膨脹圓管吸能特征分析

本節從吸能量角度來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,當壓模直徑小于65 mm、行程為15 cm時,圓管的吸能量逐漸增加;當壓模直徑增加至66 mm時,圓管的行程-吸能曲線在行程為6 cm時出現拐點,這是因為在此時薄膨脹圓管出現了撕裂變形模式,圓管之后將會出現位移,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,吸能量也明顯低于65 mm時的吸能量,主要原因是此時膨脹圓管出現了漸進壓潰的變形模式,也就是說,圓管在出現撕裂或壓潰等不穩定變形模式時,膨脹圓管的吸能量開始下降。所以當壓模直徑為65 mm,即Dd/D0=1.3時,薄壁膨脹圓管的吸能效果做好。

由于在列車吸能結構中,漸進壓潰薄壁圓管也是常用的吸能構件,對比膨脹和漸進壓潰2種變形模式下圓管的吸能效果對工程應用有比較重要的參考價值,所以本節對圓管的漸進壓潰進行數值模擬,建立的有限元模型和壓潰后的圓管結構如圖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,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比,膨脹和壓潰2種變形模式的吸能量對比曲線如圖7所示。

圖7 膨脹薄壁圓管與壓潰圓管吸能量對比

當壓模直徑為61 mm時,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,比較2種變形模式下的吸能效果,當壓模直徑大于61 mm時,膨脹圓管有更好的吸能效果;但是當壓模直徑超過65 mm時,膨脹圓管出現撕裂、壓潰等不穩定變形模式,所以當壓模直徑大于65 mm時,膨脹圓管的吸能效果開始變差。

此外,在利用以上吸能指標對結構吸能性能進行評估時,首先要保證圓管變形過程中的初始峰值載荷在承載結構的可承受范圍內,然后,優化結構才有意義。由于當壓模直徑為61 mm時,膨脹管和壓潰管的吸能量基本一致,對比2種工況下的軸向壓潰力曲線發現,膨脹圓管的軸向壓潰力峰值載荷為65 kN,而漸進壓潰圓管的軸向壓潰力峰值載荷為70 kN,在變形過程中膨脹圓管的峰值載荷更小,相對于漸進壓潰圓管來說,膨脹圓管作為吸能結構綜合性能更好。

4 結論

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