列车车体铝合金动态力学性能及其对吸能的影响

杨超，朱涛，肖守讷



列车车体铝合金动态力学性能及其对吸能的影响

杨超，朱涛，肖守讷

(西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都，610031)

为了研究车用5083H111铝合金材料的动态力学性能及其对结构吸能的影响，分别对该材料进行动态冲击拉伸和动态冲击压缩试验，获得不同应变率下的材料本构关系。以车辆防爬吸能结构为载体，采用3种材料模型，对比分析该铝合金材料的动态力学性能对车体吸能结构吸能容量的影响。研究结果表明：5083H111铝合金材料在低应变率情况下存在应变率软化效应，在中低应变率范围内存在应变率软化再强化特性；在高应变率情况下，这种材料表现出明显的应变率强化效应；列车碰撞的应变率数量级范围为0~2，属于中低应变率范围；对于5083H111铝合金制成的车体吸能结构，考虑应变率效应的结构的实际吸能量要比不考虑应变率效应的相同结构的吸能量小。

5083H111铝合金；动态力学性能；应变率；能量

铝合金是部分地铁列车和高速列车车体结构的主要材料之一，除了CRH1动车组，国内高速动车组车体都是以铝合金为主要材料。在列车被动安全性研究中，车体结构在碰撞过程中会发生大变形，铝合金材料在塑性变形区的力学性质对车体结构的变形和吸能有很大的影响。在列车碰撞研究中，吸能结构一般都未考虑材料的应变率效应[1−5]，钢质车体结构通常采用Cowper−Symonds本构模型来描述材料的应变率效应[6−8]。文献[9]以Johnson−Cook模型研究了一种新型的铁路车辆吸能装置。一般观点认为铝合金是应变率不敏感的材料，2024，6061，7050，7A04，LC9和LY12-cz等铝合金[10−13]在高应变率情况下的塑性流动应力几乎对应变率不敏感。然而，高强阻尼铝合金[14]和纯铝L2[15]具有明显的应变率强化效应，普通铸造铝合金、高温阻尼铝合金和铝锂合金[14, 16−17]却具有独特的应变率软化特性，即应变率负敏感效应。由于铝合金各成分所占比例的不同导致材料性质存在着巨大差异，所以对于列车车体铝合金动态力学性质的研究是非常必要的。列车碰撞是结构动态变形响应的过程，碰撞过程中，结构各点处的应力和应变率都不相同，并且应力和应变率随着时间变化而变化。以往的列车碰撞研究工作主要考虑铝合金的静态力学性质，对冲击载荷下材料的动态力学性能研究较少，少数研究工作采用了考虑应变率的材料本构模型，但材料模型参数都是以经验值为主。由于大多数列车碰撞事故的碰撞速度不高[8]，车体结构的动态力学响应主要是中低应变率下的响应过程[18]。本文作者以高速列车车体中常见的5083H111铝合金为研究对象，分别对该材料进行动态冲击压缩和动态冲击拉伸试验。通过冲击加载，获取铝合金在各个数量级应变率下的应力−应变曲线，展示不同应变率下的铝合金材料的动态冲击力学性能，并且对比分析这种材料的动态力学性能对车体吸能结构吸能容量的影响。

1 试验材料与方法

试验材料为车用5083H111铝合金，该铝合金具有良好的抗腐蚀和焊接性能，其主要化学成分如表1所示。

表1 5083H111铝合金的化学成分(质量分数)

准静态试验和动态冲击拉伸试验的试件为哑铃形片状，详见文献[15]。准静态试验采用MTS材料试验机。中低应变率的动态拉伸试验采用INSTRON试验机,可测试应变率范围为1~1 000 s−1。

动态压缩试验试件是直径×高为10 mm×8 mm的圆柱体。高应变率动态压缩试验采用自制的分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验装置，该装置包括炮管、子弹、入射杆(输入杆)、透射杆(输出杆)、缓冲器、超动态应变仪以及计算机等，如图1所示，其中子弹、入射杆、透射杆直径均为14.5 mm，入射杆长度为400 mm，透射杆长度为525 mm，弹速最高可达60 m/s。SHPB装置的基本工作原理是：子弹高速撞击输入杆，产生的弹性应力波(入射波)传入输入杆，被输入杆上的应变片接收到；当入射波到达输入杆与试件的界面时，发生反射和透射，反射回去的反射波再次被输入杆上的应变片接收，透射到试件中的应力波在试件与透射杆的界面再次发生反射和透射，透射波被透射杆的应变片接收。超动态应变仪记录了入射波、反射波和透射波信号。根据一维应力波理论，利用记录的应力波信号就可以得到试件的应变率、平均应变和平均应力。根据均匀性假设得到经典的二波法公式为

图1 动态冲击压缩试验装置

Fig. 1 Test device of dynamic impact compression

2 试验结果与分析

在MTS试验机上所得的静态试验的应力−应变曲线被用于与动态冲击拉伸和动态冲击压缩试验结果的比较。动态冲击拉伸和动态冲击压缩试验中，对相同应变率进行了多次试验，下面采用试验结果较好且处于中间位置的曲线。

2.1 动态冲击拉伸试验结果

对5083H111铝合金分别进行应变率为5，10，100和400 s−1的动态冲击拉伸试验，所有的拉伸试件都进行到拉断为止。动态冲击拉伸试验得到的应力−应变曲线如图2所示，图2还给出了MTS试验机的准静态材料试验结果。从图2可以看出：材料的屈服强度基本未发生变化，都在150 MPa左右，材料的失效应变随着应变率的增大而增大，该材料具有应变率增塑效应。5，10和100 s−1等中低应变率的应力−应变曲线明显低于准静态结果，相同应变下的塑性流动应力明显低于准静态情况，但随着应变率增大至400 s−1时，动态拉伸曲线有接近准静态的应力−应变曲线的趋势。

应变率/s−1：1—2×10−4; 2—5; 3—10; 4—100; 5—400

为了验证试验的有效性，在INSTRON试验机上又进行了2次应变率为10 s−1的拉伸试验，并与准静态结果进行比较，结果如图3所示。低应变率的拉伸试验的应力−应变曲线仍然低于准静态情况。综上所述，对于5083H111铝合金，应变率在某值以下时动态试验曲线是低于准静态试验曲线的；随着应变率的进一步增加，当高于这个值时，动态试验的应力−应变曲线就可能会接近或高于准静态试验的应力−应变曲线，所以，这种铝合金材料在低应变率情况下存在应变率软化效应，即应变率负敏感效应，在中低应变率范围内存在应变率软化再强化特性。

应变率/s−1：1—2×10−4; 2—10; 3—10

2.2 动态冲击压缩试验结果

用SHPB装置对5083H111铝合金做了高应变率的动态冲击压缩试验，相同尺寸的试样在不同的冲击速度下产生不同的应力应变结果，子弹速度为20.6 m/s时的应变率分别为1 064 s−1和1 171 s−1，子弹速度为23.5 m/s时的应变率为2 317 s−1，结果如图4所示。从图4可见：与准静态应力−应变曲线相比，高应变率动态压缩试验的屈服强度提高至200 MPa左右，2 317 s−1时的失效应变大于1 171 s−1时的失效应变，前者的失效应变和强度极限比后者的大。相同应变时，高应变率的塑性流动应力基本重合且高于准静态的结果，所以5083H111铝合金在高应变率下具有明显的应变率强化效应。

应变率/s−1：1—2×10−4; 2—1 064; 3—1 171; 4—2 317

3 动态本构关系适用性讨论

在考虑应变率效应的动态塑性本构关系中，Cowper−Symonds模型和Johnson−Cook模型是最经典的模型，公式分别为：

(3)

Cowper−Symonds模型的应变率效应只与材料常数和有关，一般只用于描述材料的应变率强化效应，不适于描述材料的应变率弱化效应。Johnson−Cook模型可以适用于大多数金属材料的低应变率和高应变率变形，当为负数时可以描述材料的应变率弱化效应，但是对于5083H111铝合金在中低应变率下先软化后强化的特殊性质，Johnson−Cook模型也无法进行描述。

为了准确描述5083H111铝合金的这种特殊性质，本文主要使用列表插值法来描述这种材料的软化再强化效应，即将试验得到的材料本构关系曲线列于表格中，每个应变率对应一条材料本构关系曲线，未知应变率下的应力−应变曲线通过已知的相邻曲线进行平滑插值获得，这样就可以直接得到该应变率下某应变对应的应力。塑性流动应力与应变率之间一般存在对数或指数关系，所以只要给出各个数量级应变率的应力应变关系就可以达到一定的精度。列表插值法不受材料本构关系变化趋势的影响，适用性强，只要有足够多的不同应变率下的材料本构关系试验曲线，就可以描述材料的特殊应变率效应。

4 头车吸能装置特性分析

列车碰撞时，应变率一般只对产生塑性大变形的部分车体结构产生影响，而占绝大部分的弹性小变形车体结构的材料特性不随应变率变化，所以产生塑性大变形的车体吸能结构的应变率变化可以代表列车碰撞的应变率情况。假设列车碰撞时，不考虑材料破坏，耗散的能量主要被钩缓装置与车体的吸能结构吸收，则只需要在车体吸能结构上使用考虑应变率的材料模型，其他车体结构部分可以不考虑应变率效应。

本文采用刚柔混合车辆模型，车体吸能结构考虑为弹塑性体，而车体其他部分考虑为刚体，弹塑性体和刚体之间采用刚性连接，模型如图5所示。因为车体吸能结构是主要的研究对象，所以，可以将刚柔混合车辆模型与刚性墙进行恒速碰撞来研究吸能结构的吸能特性以及该铝合金材料性能对结构吸能的影响。

图5 刚柔混合车辆模型

车体防爬吸能结构如图6所示，吸能管长400 mm，按照75%的压缩行程考虑，吸能长度则为300 mm。图6中还标出了3个考察应变率变化的位置。车辆质量为60 t，碰撞速度设置为36 km/h。

图6 防爬吸能结构

考虑3种材料本构模型：模型1是双线性塑性硬化模型，模型2是分段线性弹塑性模型，模型3是以列表插值法描述应变率效应的分段线性弹塑性模型，前2个模型不考虑应变率效应。根据试验结果，双线性塑性硬化模型中切线模量设置为1 000 MPa，分段线性弹塑性模型采用图2所示的准静态应力−应变曲线，模型3将图2和图4所示的曲线全部输入到列表插值法对应的表格中。

计算分析结果如图7~9所示。图7所示为防爬吸能结构的3个位置的应变率时间历程曲线，应变率随时间不规则变化，应变率的数量级范围为0~2，属于中低应变率。3个位置的应变率在塑性大变形初期都出现了峰值，随后振荡下行，到该位置的结构变形稳定后降为0，这与霍普金森杆试验中金属材料的应变率变化趋势是一致的。图8所示为3种材料模型的界面力比较，力随位移增长而不断振荡，最小界面力基本相同，但出现的位置不同；模型2 最大界面力最大，模型3的最大界面力次之，模型1的最大界面力最小。图9所示为3种材料模型的结构吸能比较，能量大小顺序与最大界面力的趋势是一致的，模型3的吸能量比模型2的吸能量少7.05%。模型1的吸能量是最小的，因为该模型对应的结构变形模式不稳定，没有形成多个完整的叠缩。由于5083H111铝合金在中低应变率下的弱化再强化特性，考虑应变率效应的模型3的吸能量要少于不考虑应变率效应的相同材料模型的吸能量，简言之，实际中的结构碰撞时存在应变率效应的，不考虑应变率效应的设计用吸能容量要比实际的吸能容量大。由于车体吸能结构设计一般都是基于准静态材料特性，考虑到材料的特殊应变率效应，在设计5083H111铝合金吸能结构时，建议将其额定吸能容量至少增加10%。

1—位置1；2—位置2；3—位置3

1—材料模型1；2—材料模型2；3—材料模型3

图9 3种材料模型的结构吸能比较

5 结论

1) 在中低应变率情况下，5083H111铝合金材料在动态拉伸试验中的应力−应变曲线基本上都比准静态的应力−应变曲线低，但是随着应变率的继续增大，动态曲线逐渐接近准静态曲线。这种铝合金材料在低应变率情况下存在应变率软化效应，在中低应变率范围内存在应变率软化再强化特性。

2) 在高应变率情况下，5083H111铝合金材料在动态压缩试验中表现出明显的应变率强化效应。高应变率的材料屈服应力和塑性流动应力比准静态时的高。

3) 在中低速碰撞时，5083H111铝合金吸能结构的动态力学响应大部分集中于中低应变率范围，数量级为0~2。由于这种铝合金在中低应变率下的软化再强化特性，考虑应变率效应的结构的实际吸能量要少于不考虑应变率效应的相同结构的吸能量，但相差较小。

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Dynamic mechanical properties of aluminum alloy used in carbodies of trains and effect on energy absorption

YANG Chao, ZHU Tao, XIAO Shoune

(State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

In order to study dynamic mechanical properties of the aluminum alloy 5083H111 and the influence on energy absorption characteristics, dynamic impact tension tests and dynamic impact compression tests were conducted on the material. The material constitutive relations of different strain rates were obtained in terms of the tests. Three material models were performed on the anti-climbing energy absorption structure of railway vehicles. The influence of the material dynamic mechanical properties on the structure energy absorption was investigated. The results show that the aluminum alloy 5083H111 exhibits strain rate softening effect at low strain rates, and possesses the characteristic of first softening and then strengthening in the range of low-middle strain rates. The material presents distinct strengthening effect on the strain rate under the condition of high strain rates. The order of magnitudes of the strain rate for the train collision is 0−2, which belongs to the range of low-middle strain rates. For the energy absorption structure made of the aluminum alloy 5083H111, the practical absorbed energy of the structural model considering the strain rate effect is less than that of the same model without regarding the strain rate effect.

aluminum alloy 5083H111; dynamic mechanical property; strain rate; energy

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.07.049

O313.4；U270.4

A

1672−7207(2015)07−2744−06

2014−07−04；

2014−10−02

国家自然科学基金资助项目(51275432)；牵引动力国家重点实验室自主研究课题(2014TPL_T04) (Project(51275432) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2014TPL_T04) supported by the Independent Research Project of State Key Laboratory of Traction Power)

肖守讷，研究员，从事机车车辆结构设计及车体耐撞性研究；E-mail: snxiao@home.swjtu.edu.cn

(编辑 杨幼平)