圆管数量对金属圆管撕裂耗能影响的研究

圆管数量对金属圆管撕裂耗能影响的研究

胡雪峰1,程海帆1,董美伶2,张绍理2,高水德2

(1.吉林省交通规划设计院,吉林 长春130021; 2.北京深华达交通工程检测有限公司,北京102208)

摘要:安全有效的消能防护装置的研究对交通安全事业的发展具有深远意义,金属撕裂消能因其稳定可靠的消能效果广泛应用于可导向防撞垫、避险车道阻尼装置、消能防护端头等诸多交通安全防护装置中。在防护装置设计过程中,为了节省布设安装空间,多采用多根管代替单管。文章采用台车实验与LS-DNYA有限元仿真结合的方法对金属圆管数量与金属圆管撕裂耗能的影响情况进行研究，总结金属圆管数量与金属圆管撕裂过程中撕裂长度间对应关系,为消能防护装置设计提供依据。

关键词:撕裂耗能;金属圆管;台车;碰撞;LS-DNYA有限元仿真

收稿日期：2014-10-04；修回日期：2014-12-10

基金项目：交通运输部建设科技基金资助项目(2013318J05170)

作者简介：胡雪峰(1970-),男,吉林长春人,吉林省交通规划设计院研究员.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2015.10.003

中图分类号:U491

Influence of the number of circular tube on dissipation energy

of splitting thin-walled metal circular tube

HU Xue-feng1,CHENG Hai-fan1, DONG Mei-ling2, ZHANG Shao-li2, GAO Shui-de2

(1.Jilin Provincial Traffic Planning and Design Institute, Changchun 130021, China; 2.Beijing Shenhuada Traffic Engineering Test Co.， Ltd., Beijing 102208, China)

Abstract:Research on passive safety by better energy absorbers is significant for the development of transport industry. With the stable and reliable dissipation of energy, the metal splitting energy dissipation is applied to redirective crash cushions, truck escape ramps, terminal end treatment system and so on. In the design process of absorbers, the multiple tubes are always used instead of single one in order to save space. The influence of tube number on the dissipation energy of splitting thin-walled metal circular tube is studied by using the trolley collision a nd LS-DNYA finite element simulation. The correspondence of tube number with the splitting length during the process of splitting circular tube is found out, which can provide a theoretical basis for the design of energy absorbers.

Key words:dissipation energy by splitting; metal circular tube; trolley; collision; LS-DNYA finite element simulation

近年来,随着我国交通事业的不断发展,交通事故不断增加,研究设计安全有效的防护消能装置对提高交通防护能力具有重要意义。防护消能装置设计过程中大多是通过不同的消能方式消耗失控车辆动能,所以防护过程中能量消耗机理的研究尤为重要。金属撕裂消能因其稳定可靠的消能效果广泛应用于可导向防撞垫、避险车道阻尼装置、消能防护端头等诸多交通安全防护装置中[1]。

近年来，研究人员对薄壁结构撕裂机理进行了相关研究。文献[2]集中对撕裂圆管的渐进弯曲、撕裂和撕裂卷曲等现象进行研究;文献[3]主要对可折叠吸能装置中采用的圆管、方管、墩柱、蜂窝和三明治板等常见变形结构的消能情况进行研究;文献[4]讨论了不同动态塑性变形的圆管和方管所能承受的最大轴向冲击载荷情况；文献[5]对壁厚为1.6 mm的HT30铝制圆管进行了实验研究和理论分析,实验采用了特制的喇叭口型模具,得到了试件裂片沿轴向卷曲的撕裂卷曲残余变形模态,通过分析得出主要的吸能因素为塑性弯曲变形能和摩擦能[5-8]。

本文在文献[5]的基础上主要采用台车碰撞实验及LS-DNYA仿真的方法研究薄壁金属圆管数量对金属圆管撕裂耗能的影响情况。研究过程中,首先利用台车碰撞实验对圆管撕裂模拟参数进行调整校准,然后利用HyperMesh及LS-DNYA软件进行有限元仿真,根据仿真结果分析薄壁金属圆管数量对其撕裂耗能影响情况,总结变化规律。

1台车实验及结果

1.1试件参数及实验设备

实验试件选取同批钢材中长为1 000 mm,外径d=48 mm,壁厚t=3.0 mm的无缝圆钢管,所用材料为Q235普通碳素钢。Q235普通碳素钢的材料参数如下：密度为7 850 kg/m3；泊松比为0.3；屈服强度为0.235 GPa。

所用实验试件与特质刀具接触端沿圆管轴线方向均匀设置4个预留槽,用以诱导撕裂卷曲变形。实验所用刀具采用45号钢加工,刀具安装在圆管预留槽中与固定装置相连。测力传感器安装于刀具后方,具体结构如图1所示。

图1　刀具固定装置

实验所用台车空车质量为600 kg,速度为30 km/h,台车通过重锤系统加速,如图2所示。根据重锤提升高度与台车质量关系公式,计算达到设计初始速度要求所需的提升高度。利用光电测速仪测量实验台车实际初始速度,撕裂过程中金属圆管所受冲击力时程曲线利用测力传感器记录。

图2　重锤加速系统

图3　实验台车

1.2实验结果分析

将加速重锤提升到1.1 m,开启各记录仪器设备后,台车后端固定装置脱钩,碰撞台车行驶加速，碰撞前端金属消能圆管发生撕裂。撕裂完成后记录消能圆管残余状态如图4所示。

图4　台车试件结果图

从图4中可以看出金属消能圆管在撕裂完成后发生卷曲变形,实验过程中分别测量每组3次实验中所用金属消能圆管初始长度，实验结束后测量金属消能圆管撕裂剩余长度。误差分析后得出单根圆管撕裂长度为643.5 mm,双根圆管撕裂的总长度为775.83 mm。

2有限元仿真

2.1有限元模型建立

LS-DYNA软件是目前世界通用的显示非线性动力仿真分析软件。LS-DYNA以Lagrange算法为主,兼有ALE和Euler 算法;以显式求解为主,兼有隐式求解功能;以结构分析为主,兼有热分析、流体-结构耦合功能;以非线性动力分析为主,兼有静力分析功能。其作为有限元求解器在汽车工业、航空航天、制造业、国防工业等重要领域有着广泛运用,也是目前失控车辆碰撞仿真模拟的主要工具之一[9-10]。

HyperMesh 软件具有有限元网格前处理和后处理功能,在网格自动生成、单元质量检查以及不合格单元修改等方面独具特色，可直接输入已有的三维CAD几何模型和导入已有的有限元模型,并可对导入的几何模型进行有效的几何清理

工作,对几何模型中的缺陷进行有效修补。

仿真模型与台车实验所用刀具、金属消能圆管及后端支撑圆管尺寸参数相同,刀具及支撑圆钢采用刚性材料MATL20,考虑到撕裂卷曲变化,金属消能圆管采用塑性材料MATL98。

金属消能圆管及刀具均采用壳单元,金属消能圆管与刀具接触采用自接触处理,根据台车实验数据将两者间摩擦系数调整为0.3。

将碰撞模拟台车质量设置为600 kg,速度为30 km/h。单根圆管长度为1 000 mm,其余2～9根金属圆管长度为500 mm。

有限元仿真模型如图5所示。

图5　有限元仿真模型

2.2有限元分析结果

将HyperMesh中建立的刀具、消能圆管及碰撞台车模型及其他材料参数，初始速度以及其他参数导入LS-DNYA软件中进行计算，得出不同数量金属圆管模拟结果如图6所示。

图6　金属圆管仿真结果图

台车碰撞金属消能圆管后,圆管发生撕裂,随共同作用圆管数量的不同，撕裂长度发生变化。

在后处理软件LS-PrePost中观察金属消能圆管撕裂情况,测量撕裂完成后金属消能圆管剩余长度,根据金属消能圆管初始长度计算出碰撞过程中金属消能圆管撕裂长度之和,结果如图7所示。

图7　金属圆管个数与撕裂长度关系图

3结论

2根圆管共同碰撞撕裂的过程中,撕裂长度最长达到770.67 mm,比单根圆管长度增加121.65 mm。从2根圆管开始随着圆管数量的增加圆管的撕裂长度逐渐降低。2～6根圆管撕裂长度随圆管数量增加变化明显，接近线性递减趋势,6根以上圆管撕裂长度对圆管数量的增加变化缓慢。在消能结构设计过程中,若采用多根圆管代替单根圆管撕裂消能,所采用圆管数量应在4根圆管以上。

[参考文献]

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[8]刘志芳, 张善元. 钢管撕裂卷曲变形的实验研究与理论分析[J].太原理工大学学报,2005，36(5):557-560.

[9]侯永康. 基于LS-DYNA的电动汽车正面碰撞仿真研究[D].合肥：合肥工业大学,2012.

[10]罗云华. 翻转变形机理及翻转成型极限的研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2007.

(责任编辑马国锋)