非对称变形模式下薄壁组合结构耐撞性研究

修瑞仙，刘艳文，高允峰，丁 颂

(1.长春师范大学工程学院，吉林长春 130032；2.中国北车长春轨道客车股份有限公司，吉林长春 130062)

非对称变形模式下薄壁组合结构耐撞性研究

修瑞仙1，刘艳文2，高允峰1，丁 颂1

(1.长春师范大学工程学院，吉林长春 130032；2.中国北车长春轨道客车股份有限公司，吉林长春 130062)

基于单一薄壁金属结构具有稳定的、可控的塑性变形吸能优点及存在碰撞界面力过载缺点的现状，本文提出承载能力更高、界面力更加稳定的组合结构的设计理念，并对单层薄壁结构及双层薄壁组合结构进行有限元建模，利用非线性显示动态有限元软件LS-DYNA对其耐撞性进行分析。研究表明：在非对称变形模式下，薄壁组合结构耐撞性特性优于单层结构；对组合结构加工V型诱导槽后，其缓冲特性有较大提高，能进一步有效地控制吸能过程中的过载情况。

薄壁组合结构；非对称变形模式；耐撞性；诱导槽

根据世界各国铁路、公路严重伤亡事故调查资料介绍，碰撞时车体产生塑性变形大的破坏是导致乘员伤亡的一个主要原因[1]。随着车速和载重的不断提高，车辆碰撞事故呈不断上升趋势，这对车体结构提出了“耐撞性”的要求。在碰撞过程中，承载区的许多零件都参与碰撞变形，但是保证结构耐撞性的关键是能够控制主要吸能件的变形。

薄壁金属结构在轴向撞击作用下具有稳定的、可控的塑性变形模式，不会造成碎片飞裂等次生破坏，且具有结构简单、加工方便、成本低和良好的吸能特性等优点，被广泛地应用于耐碰撞轨道车辆吸能结构的设计中。但是单一的薄壁结构吸能增加都存在碰撞力峰值过载的危险，如果能把两种不同的薄壁结构组合形成组合结构，则整个结构将具有更高的承载能力，载荷曲线更加稳定。

薄壁结构轴向压溃时，其塑性破坏模式可能是轴对称的或者是非对称的[2]。例如，圆管的轴对称变形模式称为圆环模式或手风琴模式，而非轴对称模式称为钻石模式或金刚石模式。方管在静态轴压下出现对称变形模式，动态轴向冲击则出现混合变形模式。本文针对非对称变形模式下，外层为圆管、方管、蜂窝管，而内层为圆管的组合结构进行准静态压缩吸能特性的仿真和研究，首先利用Hypermesh软件对压溃管进行实体建模和有限元网格划分，然后利用LS-DYNA软件进行碰撞仿真分析。

1 碰撞有限元仿真理论基础

描述碰撞现象的主要方法有Euler法、Lagrange法和ALE法。Euler法多用于流体力学问题，在固体力学中用得很少；ALE法是处理流体-固体相互作用的较好方法，适用高速碰撞现象的描述，其理论和算法较复杂，在具体编程和工程中不易实现；Lagrange法是目前描述固体碰撞行为的最成熟、最方便的方法。采用Lagrange法描述的有限元法可以处理高速碰撞工程中复杂的边界条件和复杂的材料本构关系，并且描述接触滑移面非常方便。LS-DYNA程序主要采用Lagrange描述增量法，利用虚功原理建立非线性大变形的有限元控制方程。

考虑一个运动系统，某质点在初始时刻t=0时位于B处；在固定的笛卡尔坐标系下，其坐标为xα(α=1，2，3)。 经时间t，该质点运动到位置b，在同一笛卡尔坐标系下的坐标为xi(i=1,2,3)。采用Lagrange描述增量法，得到

xα=xi(xα，t).

(1)

在t=0时，初始条件为

xi(xα，0)=xα.

(2)

(3)

其中，Vi为初始速度。

根据连续介质力学原理，整个运动系统必须保持质量守恒、动量守恒和能量守恒。系统的质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程分别如下

ρ=Jρ0.

(5)

(6)

根据虚功原理，可以得出碰撞系统的控制方程

(7)

其中，各个积分项分别表示单位时间内系统的惯性力、内力、体积力和表面力所作的虚功。

对(7)进行离散化，得到离散方程

(8)

考虑到粘性阻尼项，(8)可变为

(9)

2 非对称变形模式下薄壁元件的吸能特性分析

2.1 圆管吸能特性分析

选取壁厚为3mm，直径分别为65mm、60mm、55m、50mm、45mm、40mm的圆管，对其进行仿真分析，圆管的一端进行约束，而另一端用刚性墙对其进行压缩，如图1所示(以直径65mm的圆管为例)。仿真中采用的圆管的长度均为150mm，在轴向载荷作用下被压缩100mm，且各圆管均发生非对称变形模式(金刚石变形模式)，以便对非对称变形模式下不同直径的圆管的吸能特性进行比较。

图1 直径65mm圆管有限元仿真模型

图2至图4为不同直径圆管(直径分别为65mm、60mm、55mm、50mm、45mm、40mm)的最终变形图、吸能—压缩行程曲线以及轴压力(界面力)—行程曲线对比情况。

图2 不同直径圆管非对称模式变形图

图3 不同直径圆管吸能比较图

图4 不同直径圆管界面力比较

直径(mm)656055504540吸能(KJ)9.599.639.8410.6910.6211.15界面力(KN)292.85288.07276.07279.49269.17266.35质量(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缓冲指数3.052.992.802.612.532.39

表1详细列出了不同直径圆管非对称变形模式下各个耐撞性指标。由表1及图3、图4可知，在非对称变形模式下，长度及厚度相同的圆管随着直径的减小，吸能逐渐增大(除直径45mm圆管外)，这和手风琴变形模式下的吸能特性有很大差别；界面力逐渐减小(除直径50mm圆管外)。圆管直径从65mm减小到40mm，比吸能增加了88.96%，缓冲指数减小了21.90%，这说明圆管在非对称变形模式下，随着直径的减小，变形更加稳定，吸能特性更好。由图2可知，直径65～55mm的圆管最终的变形只能两层皱折，直径50～45mm的圆管有3层皱折，而直径40mm的圆管有4层皱折，这表明相同长度和厚度的圆管当直径增大时，非对称分布的皱折形式也越来越明显，皱折的长度逐渐增大，皱折数目减小，从而吸能也逐渐减小。

2.2 方管及蜂窝管吸能特性分析

选取边长分别为60mm、65mm，厚度为3mm，长度为150mm的方管和蜂窝管，对其进行仿真分析(加载方式和上节圆管一样)，其有限元模型如图5所示。得到其吸能—压缩行程曲线及界面力—压缩行程曲线，为组合结构吸能特性研究打下基础。

图5 方管及蜂窝管有限元仿真模型

图6 方管及蜂窝管最终变形模式

图7 边长60mm方管吸能及界面力特性曲线

图8 边长65mm蜂窝管吸能及界面力特性曲线

3 非对称变形模式下组合结构的吸能特性分析

双层薄壁组合结构在轴向载荷下，其失效形式可以分成两种情况：(1)内外两层壳距离较远，在压缩过程中两层壳不发生相互作用；(2)内外两层壳距离较近，在轴向载荷作用下，内外两层壳大变形后的皱折相互约束。本文主要针对后者进行研究。选取外层为直径60mm、边长分别为60mm、65mm的圆管、方管和蜂窝管，内层为直径50mm、45mm、40mm的圆管的薄壁组合结构进行仿真分析，并与单层薄壁结构吸能特性进行比较。仿真中内外两层壳的长度均为150mm，在轴向载荷作用下被压缩100mm。

表2至表4详细地给出了组合结构与单层结构耐撞性指标对比。仿真结果表明：(1)非对称变形模式下组合结构比单层结构的比吸能大，在相同质量条件下吸能能量增加；(2)非对称变形模式下组合结构比单层结构的缓冲指数小；在相同的冲击载荷下，轴压力峰值降低。组合结构在轴压力作用下发生屈曲时，内外层大变形后的皱折相互约束，变形更加稳定和平缓，吸能和缓冲效果更佳。因此，薄壁组合结构相对于单层结构，更适合用作轨道车辆吸能装置的元件。

4 带V型诱导槽组合结构的吸能特性分析

薄壁组合结构在压缩行程的初始阶段(约10mm左右)，产生一个大的轴压力脉冲，其后进入屈曲变形阶段，轴压力的波动比较平稳。在碰撞初始阶段出现大的轴压力脉冲会引起大的减速度，造成司乘人员与车辆的二次碰撞，所以有必要采用一定的技术来减小此阶段的轴压力峰值。由文献[3-4]可知，如果薄壁结构的纵向刚度减小，则轴压力峰值也将降低。利用该原理，同时考虑加工工艺的可行性，可以采用预变形技术，降低薄壁结构某一部位的纵向刚度，以此来降低轴压力的峰值。

图9 带有V型诱导槽的薄壁组合结构局部模型

将上节的薄壁组合结构外层壳在距离上端部25mm的位置进行刚度弱化，形成一个宽度为6mm的V型诱导槽(其中心线距上端部距离为25mm)，V型槽的深度为1.5mm。其有限元局部模型如图9所示。对其进行仿真分析，并与上节的没有V型诱导槽的组合结构进行比较。

表5至表7详细给出了有V型槽、无V型槽组合结构耐撞性指标对比。由仿真结果可知：(1)在相同的轴压条件下，有V型槽的组合结构相对于无V型槽的组合结构，比吸能有所减小，但减小幅度不大，双层圆管组合结构比吸能最大减小3.578%；方管、圆管组合结构比吸能最大减小6.0281%；蜂窝管、圆管组合结构比吸能最大减小3.0132%；(2)在相同的轴压条件下，有V型槽的组合结构相对于无V型槽的组合结构，轴压力峰值明显降低，双层圆管组合结构轴压力峰值最小降低17.9659%，缓冲指数最小降低16.8190%；方管、圆管组合结构轴压力峰值最小降低18.9782%，缓冲指数最小降低14.1089%；蜂窝管、圆管组合结构轴压力峰值最小降低22.8416%；缓冲指数最小降低20.4788%。有V型槽的组合结构与无V型槽的组合结构相比较，其缓冲性能有较大的优势，能进一步有效地控制吸能过程中的过载情况。

5 结论

(1)圆管在轴向压缩发生非对称变形模式下，随着直径的减小，皱折的长度逐渐减小，皱折数目增加，变形更加稳定，吸能特性更好。(2)非对称变形模式下，薄壁组合结构比单层结构比吸能大，轴压力峰值降低。组合结构在轴压力作用下发生屈曲时，内外两层大变形后的皱折相互约束，变形更加稳定和平缓，吸能和缓冲效果更佳。(3)非对称变形模式下，外层有V型槽的组合结构相对于外层无V型槽的组合结构，比吸能有所减小，但减小幅度很小，而轴压力峰值明显降低。有V型槽组合结构的缓冲性能有较大的优势，能进一步有效地控制吸能过程中的过载情况。

[1]陈汉珍.城际列车耐撞车体研究[D].成都:西南交通大学,2008.

[2]余同希,卢国兴.材料与结构的能量吸收[M].北京:化学工业出版社,2006.

[3]贾宇,肖守讷.耐撞性车体吸能装置的薄壁结构研究[J].铁道车辆,2005,43(5):6-10.

[4]姚松,田红旗.车辆吸能部件的薄壁结构碰撞吸能研究[J].中国铁道科学,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

长春师范大学自然科学基金项目(长师大自科合字[2014]第008号)。

修瑞仙(1987- )，女，辽宁庄河人，长春师范大学工程学院助教，硕士，从事轨道车辆强度及疲劳研究。

TU270.12

A

2095-7602(2014)06-0016-07