铝合金薄壁元件的吸能特性分析

张永贵 于洋洋

(南车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东 青岛 266111)

铝合金薄壁元件的吸能特性分析

张永贵 于洋洋

(南车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东 青岛 266111)

利用结构非线性有限元计算程序LS-DYNA，对具有相同截面积，但不同形式的铝合金薄壁元件进行轴向低速冲击仿真计算，分析各种元件的吸能特性，获得一种适用于轨道车辆前端大吸能量要求的吸能元件。

薄壁元件；截面形状；变形模式；吸能特性

根据世界各国铁路伤亡事故调查资料介绍，碰撞过程中车体产生的塑性大变形是导致乘员伤亡的主要原因之一[1-2]。因此，在提高机动车辆主动安全保护措施的前提下，改进车辆自身结构，增加前端吸能部件，降低车辆乘客区的大塑性变形，对提高车辆运营安全性具有重要意义。

在车辆被动安全保护装置设计中，薄壁金属元件作为一种高强重比、高比吸能、低成本的吸能元件得到广泛应用，但其材料多集中于碳钢[3-5]。下面针对不同截面形式的铝合金薄壁元件进行轴向压溃仿真计算分析，以研究其吸能特性。

1 冲击动力学基础

采用拉格朗日(Lagrange)格式的连续介质动力学控制方程组描述材料/结构冲击动力行为，不考虑热传导和热源项时Lagrange形式的连续介质动力学控制方程组的积分形式如下：

质量守恒方程

(1)

动量守恒方程

(2)

能量守恒方程

(3)

其中：ρ—介质密度；ρ0—介质初始密度；v—介质运动速度矢量；bi—作用于介质单位质量上的力；σ—介质承受的应力张量；w—单位质量介质内能；V—介质的微元体积；V0—介质的微元初始体积；A—介质的面元面积。

结合上述守恒方程的边界条件，利用数值计算方法从微分方程的弱形式出发，取δvi(其中：δvi|Av=0)作为权函数并利用加权余量法对动量守恒方程进行换算可得：

(4)

(5)

2 计算模型

2.1 数值计算模型

这里所用薄壁元件模型的壁厚为5mm，长度为500mm，截面积为1 720mm2，其中，包括具有圆形、正六边形、正方形等相同截面面积但不同截面形状的薄壁元件，各元件结构示意图如图1所示。

图1 不同截面形状薄壁元件几何模型示意图

利用HyperMesh软件详细构建薄壁元件的有限元模型，单元类型为壳单元，网格尺寸为2.5mm，通过非线性有限元计算程序LS-DYNA中自动单面接触算法对其进行轴向冲击仿真计算，以研究相同截面面积但不同截面形状的薄壁元件的吸能特性。

2.2 材料参数

计算模型通过输入材料的真实应力-应变曲线来描述其力学本构，具体数据由材料的准静态拉伸试验获得，试验得到的真实应力-应变曲线如图2所示。

图2 铝合金材料应力-应变曲线

图3 元件计算边界条件示意图

3 数值计算工况及分析

为考察薄壁元件的吸能特性，其边界条件如图3所示，将薄壁元件一端固定，让物体m以一定的速度v撞击薄壁元件的另一端。

通过LS-DYNA对不同截面形状薄壁元件进行了轴向冲击仿真计算。其中，图4～图6为各截面形状的铝合金薄壁元件在压缩行程为400mm时的压溃力-位移曲线及其变形形态。

图4 正方形截面

图5 正六边形截面

图6 圆形截面

由仿真结果来看，正方形、正六边形及圆形截面管件均呈现“手风琴”状的褶皱变形形式，即圆环模式[6]，并且，随着正多边形边数的增加，薄壁元件圆环褶皱变形越明显且圆环褶皱数增多。

通过对以上各截面薄壁元件压溃力-位移曲线的分析，求得的各计算模型的吸能特性物理量如图7及表1所示。

图7 铝合金各截面薄壁元件吸能特性曲线

截面形状压溃触发力/kN平均压溃力/kN质量/kg吸能量/kJ比吸能/(kJ·kg-1)波动比正方形 3.40×1021.93×1022.3377.3033.181.76正六边形3.49×1022.12×1022.3384.8036.391.65圆形 3.48×1022.25×1022.3389.8938.581.55

注：(1)表1中的吸能量为假定各计算模型压缩率为0.8时能量吸收值(压缩率为薄壁元件轴向压缩量与其轴向初始长度的比值)。

(2)波动比为薄壁元件压溃触发力与平均压溃力的比值。

综合表1及图7可知，具有相同压溃变形模式的正方形、正六边形及圆形截面薄壁元件，其压溃触发力(第1峰值力)近似相等，吸能能力(比吸能)增加，波动比降低，即随着截面形状趋于圆化，比吸能增加，波动比降低，相同截面面积下，圆形薄壁吸能元件的吸能特性最好。

4 轨道车辆前端主吸能元件

轨道车辆前端吸能部件需满足大吸能量、高触发力等特点，单个薄壁吸能元件难以满足要求。根据上述分析，结合当前铝合金型材制备工艺，拟采用正六边形铝蜂窝型材结构(多圆孔铝型材无法实现)，其吸能特性如图8所示，具体如下：

压溃触发力为1 330kN，平均压溃力995kN，质量11.48kg，吸能量398kJ，比吸能为34.67kJ/kg，波动比为1.33。

由此可知，5个正六边形铝蜂窝型材结构的压溃触发力(第1峰值力)比单个正六边形结构提高3.81倍，吸能能力(比吸能)降低4.7%，波动比提高19.4%，变形更为稳定。因此，采用正六边形或多泡铝型材结构对提高轨道车辆前端吸能结构的吸能力极为有效。

图8 正六边形截面薄壁元件吸能特性曲线

5 结论

(1)对于相同截面面积条件下的铝合金薄壁元件，其截面形状对吸能特性有一定影响。就文中计算模型而言，随着截面形状趋于圆化，比吸能增加，波动比降低，吸能能力加强。

(2)结合当前铝合金型材制备工艺及吸能需要，通过合理配置铝蜂窝结构形式，可实现轨道车辆前端吸能结构的高触发力、大吸能量要求，提升前端吸能能力。

[1] 冯 钰.碰撞事故历史篇[J].轻型汽车技术，2006(11)：54-55.

[2] 刘金朝，王成国.城市轨道车辆防碰撞性研究[J].现代城市轨道交通，2005(2):36-40.

[3] 田红旗，姚 松.新型耐冲击铁路客车[J].铁道知识，2004(2):10-11.

[4] 贾 宇，肖守讷.耐碰撞车体吸能装置的薄壁结构研究[J].铁道车辆，2005,43(5):6-9.

[5] 陈秉智，伞军民，孙彦彬，等.薄壁元件构件的抗碰撞吸能[J].大连交通大学学报，2008(5):99-104.

[6] 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.□

(编辑：李琳琳)

Analysis of the Energy Absorption Characteristics of Aluminum Thin-wall Components

ZHANG Yonggui; YU Yangyang

Axial low velocity impact simulating calculation is implemented on the aluminum thin-wall components with the same sectional area but different forms, the energy absorption characteristics of various components are analyzed and an energy absorption component with large absorption capacity applicable to the front ends of railcars is developed by means of structural non-linear FEM calculation procedure LS-DYNA.

thin-wall component; cross-section shape; deformation form; energy absorption characteristics

2095-5251(2016)01-0001-03

2015-06-09

张永贵(1984-)，男，硕士研究生学历，工程师，从事铁道车辆设计工作。

U270.4

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