混合型缓冲耗能装置研究

崔世堂，梁琳琳，李德龙，张 科

(1.中科院材料力学行为与设计重点实验室 中国科学技术大学, 合肥 230026;2.中国大唐集团科学技术研究院有限公司华东分公司, 合肥 230088)

在工程实践中存在各种各样的撞击，安全问题引起越来越多的关注。为防止冲击力过大，工程上常采用缓冲装置减小碰撞过程中的载荷，其原理是利用缓冲部件吸收撞击产生的能量，使其转化为其他形式的能量，从而达到缓冲吸能降低载荷的目的[1]。

工程上常见的缓冲吸能装置有很多，如油气式缓冲器、胶泥缓冲器、摩擦式缓冲器等[2-6]。这些缓冲装置原理简单，结构装置较大，加工要求高，需要提供较大的空间；其缓冲的碰撞力变化较大，结构或材料本身吸收能量的能力没有充分发挥。余同希[7]提出利用金属塑性变形原理设计新型缓冲吸能装置。戴向胜[8]借助于有限元方法研究金属圆柱壳的缓冲吸能特性，Nader Abedrabbo[9]对方形钢管进行了系列冲击实验，分析了其变形模式和吸能能力。Song[10]等还对复合管进行了实验研究。采用金属柱壳塑性变形吸收能量，压溃载荷与变形模式有关，压溃载荷幅值较高但波动比较大。多孔材料相对密度小、刚度低、变形可控等优点，在缓冲吸能方面得到广泛关注。蒋家桥[11]根据泡沫金属的动态特性，提出用最佳吸能图方法设计新型缓冲器。王力[12]等提出一种螺旋缠绕式圆筒形蜂窝作为新型腿式着陆缓冲器。Yang[13]等应用耐撞性设计思想，根据载荷需求调整多孔金属的密度分布达到缓冲吸能。罗昌杰[14]等研究了泡沫金属填充薄壁金属管塑性耗能缓冲器的吸能特性，冲击载荷相对平稳但幅值不高，缓冲装置结构轴向尺寸较大，不利于缓冲器紧凑设计。本文提出一重基于摩擦和金属塑性变形耗能的紧凑型缓冲吸能装置，实验和数值结果表明压溃载荷幅值较高且相对平稳。该装置结构简单、尺寸小，具有广泛的应用前景。

1 缓冲器的工作原理和理论分析

该型缓冲器由上下锥面内环和外环组成，结构如图1所示。缓冲器在工作时主要依靠锥面内环和外环的摩擦以及外环的塑性变形来消耗外部冲击能量。

由于锥面内环和外环在工作过程中摩擦等因素的影响，受力状态比较复杂，为简化分析做如下假设：

1) 外环仅考虑环向应变，环向应力沿厚度方向均匀分布；

2) 压缩过程中不考虑锥面内环的的变形；

在如图2所示坐标系下，取1/2外环角度为dφ的一个微元，根据静力平衡

(1)

(2)

其中:Fa为轴向压力，Fn为单位角度的法向力，f=μFn为单位角度的摩擦力，μ为摩擦因数，Ft=Sσ为外环切向张力，S为外环的截面积，σ为外环的环向应力。根据假设“1”，在轴向压力作用下，缓冲器的压缩量为h，几何相容关系为：

(3)

其中：dr为外环半径的变化量。根据几何关系，环向应变ε的表达式为：

(4)

外环的材料的应力应变关系为

σ=σ(ε)

(5)

根据方程(1)-(5)，可以得到各个量值如下的表达式

(6)

(7)

(8)

从上述公式可以看出，切向张力、法向力和轴向压力不仅受外环本身材料的性质的影响，还和锥面角度、摩擦因数有关。在相同的最大允许应变下，锥面角度越小，允许的轴向位移越大。从式(8)可知摩擦力对轴向力影响较大，进而影响缓冲器的耗能特性。

2 实验研究和数值分析

2.1 实验结果

为了确定胀环缓冲吸能装置的耗能能力，进一步提高吸能装置的耗能特性，进行了准静态实验。为了降低装置的质量，提高缓冲器单位质量耗能，内环采用硬铝(LY12)，外环采用20号钢，该装置高度约23.5 mm，设计行程约9 mm。内环的质量为19.57 g，外环质量112.67 g，单个缓冲器的质量为151.81 g。为了增大耗能装置的工作行程，采用两个或者三个缓冲器串联，如图3所示。

实验在中国科学技术大学工程实验中心进行，利用材料测试系统MTS809，压头以0.2 mm/s的速度向下运动，单个缓冲器加载的位移幅值为9 mm。实验过程中时间、压头在竖直方向的位移以及压力载荷均由仪器自动采集。实验过程中外环沿环向均匀变形，没有出现鼓包及开裂现象。每组实验各进行三次，以保证重复性，典型实验的载荷位移曲线如图4所示。

图4(a)给出了单个缓冲器的载荷位移曲线。理论分析的结果接近数值分析，理论分析中没有考虑加工误差等因素，平台段的载荷呈线性增加。每组缓冲器均进行三次实验。从图4可以看出，无论是单个缓冲器，还是多个缓冲器串联，载荷位移曲线均明显呈现出三个阶段，初期的加载段、平台段和密实段。在加载初期，载荷急剧上升达到峰值，随着串联的缓冲器个数增多，加载阶段的峰值载荷略有下降。随着变形量的增加，载荷略有减小并趋于稳定，载荷位移曲线上表现出很长的平台段。从图4可以看出，载荷变化的幅值不大，这有利于被保护的对象得到有效防护。

2.2 数值仿真分析

从实验数据中可以得到该装置耗散的能量，该能量由锥形内环和外环锥面上的摩擦耗散的能量以及内、外环塑性变形耗散的能量两部分组成，但从实验中无法确定这两部分耗散能量的具体数值，为明确缓冲器摩擦耗能及塑性变形耗能的比例，进一步优化缓冲器尺寸提高吸能效率，利用有限元软件ABAQUS对实验进行数值仿真。计算中取1/4模型，采用对称边界条件，锥面内环和外环采用面面自动接触，摩擦因数取为0.2，其余摩擦均不计。盖板和底板定义为刚体，锥形内环和塑性外环均采用C3D8实体单元，共划分 26 800个单元，如图5所示。锥形内环和外环采用双线性各向同性硬化模型，材料力学参数如表1所示。

表1 材料参数

图4(a)给出了单个缓冲器实验和数值仿真的载荷位移曲线，数值模拟的结果与准静态实验吻合较好。从计算的结果来看，缓冲器压缩的最大行程为9.60 mm，和设计行程非常接近。压缩位移继续增大，上下锥形内环接触，载荷急剧增大，缓冲器失去缓冲功能，因此只考虑缓冲器在达到最大行程前各量的变化情况。图6(a)为锥形内环和外环沿着壁厚方向的位移，其中“a”代表内径，“b”代表外径，从图上可以看出，锥形内环在压缩位移为9.60 mm时达到最大行程，此时锥形内环和外环内径和外经处的径向位移为0.075 mm和0.080 mm。外环中部沿壁厚进行五等分，等分点分别为1,2,…,6，图6(b)给出了6个等分点处的Mises应力随加载位移的变化曲线。在缓冲器受压初期，外环Mises应力随压头位移的增大而迅速增大，材料仍处于弹性状态。从图6(c)的耗能曲线上可以看出，在此阶段缓冲器耗散的能量完全是由内、外环锥面的摩擦承担。当压缩量超过1.1 mm时，外环开始发生塑性变形，从图6(b)可以看出，外环6个点几乎同时进入塑性状态，Mises应力随压缩位移的增大而缓慢增长，载荷位移曲线上表现较长的平台段。此阶段摩擦耗散的能量以及外环塑性变形耗散的能量均随压缩位移的增大而增大，但摩擦耗散的能量略高于塑性变形吸收的能量。从以上数值计算分析结果来看，文中理论分析的基本假设是可行的。

2.3 缓冲器的吸能特性分析

为了描述缓冲器吸收能量的能力，定义WT为缓冲器吸收的总能量，Wf为摩擦耗散的总能量，Wm为单位质量耗散的能量，WP为塑性变形耗散的总能量。根据能量守恒，吸收器吸收的总能量为

WT=Wf+Wp

(9)

以单个缓冲器为例，由于摩擦力耗散的能量为192.6 J，外环塑性变形耗散的能量为181.5 J，上下两个锥形外环耗散的能量仅为0.6 J。由于锥形内环耗散的能量比较少，锥形内环绝大部分材料处于弹性状态，为简化起见，忽略上下锥形内环塑性变形耗散的能量，下文塑性变形耗散的能量Wp仅指外环耗散的能量。

为了减轻缓冲器的质量，提高材料的利用率。定义缓冲器单位质量吸收的能量为：

(10)

式(10)中m为缓冲器的总质量。

定义压溃载荷为Fm，其表达式为：

(11)

式中δ为缓冲器压缩最大行程，F(x)为压缩距离为x时的载荷。

实验和计算结果如表2所示。从表2可以得到，串联的缓冲器个数增加，可以有效增加缓冲装置的行程和耗散的能量，当缓冲器的个数由1个增至2个或3个时，该装置的最大行程由8.80 mm增至15.96 mm或22.21 mm。其耗散的能量由357.1 J增至648.5 J或915.1 J。不难看出，串联时增加缓冲器的个数，其行程和吸收的能量并非倍数增加，而是有所降低，数值分析也证实了这一点。

表2 缓冲器吸能特性汇总

3 结论

本文提出了一种基于摩擦和塑性变形耗能的缓冲装置，通过实验和数值仿真分析研究，缓冲装置在轴向压缩过程中的载荷位移曲线表现为初期的载荷增长阶段和较长平台段，压溃载荷稳定且幅值高，有利于防护对象得到有效防护。该装置结构简单、尺寸小、造价低、耗散能量多，尤其适用于空间狭小且载荷较大的场所，具有广泛的应用前景。