防爬缓冲装置中薄壁管的准静态压溃研究

石建军

摘 要  本文针对防爬缓冲装置中的薄壁管进行了准静态压溃试验和仿真分析，相比金属薄壁管，复合材料薄壁管可减重40%，比吸能提高17%。并对复合材料薄壁管组件应用在防爬缓冲装置中，进行了初步设计和仿真，对整体结构可以有效降低质量，提高吸能效率，更好的保护乘客的生命安全。

关键词  防爬缓冲装置; 薄壁管; 准静态压溃

ABSTRACT In this paper， the quasi-static crushing test and simulation analysis of the thin-walled tube in the anti-climbing buffer device are carried out. Compared with the metal thin-walled tube， the composite thin-walled tube can reduce weight by 40% and increase specific energy absorption by 17%. The composite thin-walled tube assembly is applied in the anti-climbing buffer device， and the preliminary design and simulation are carried out. The overall structure can effectively reduce the mass， improve the energy absorption efficiency， and better protect the life safety of passengers.

KEYWORDS anti-climbing buffers; thin-walled tube; quasi-static crushing

1 引言

被动安全防护技术一般是将冲击能量转化为被动防护装置的塑性变形能量，从而保护车体乘客区不发生大的变形或结构的损坏，最大限度降低事故破坏程度。根据欧洲铁路应用标准《EN 15227 铁路车辆的耐撞性要求》，两列同类型的地铁车辆车头相对碰撞时，车辆要以可控的方式吸收碰撞能量，相撞车辆之间不会出现爬车现象，能量吸收完成后乘客需要有足够和完整的生存空间[1， 2]。传统防爬缓冲装置由车钩缓冲装置、防爬器和车体可控变形结构组成。原有的金属结构形式，吸收能量有限（一般小于20KJ）且质量偏重，已不能满足日益增加的轨道列车速度和减重轻质的要求[3， 4]。以高效吸能和轻量化为代表的先进复合材料结构逐渐的应用在轨道交通领域吸能装置中[5， 6]。纤维复合材料由于具有高的比强度、比刚度等力学特性，以及可设计性、轻量化特点，在轨道交通、航空航天等领域应用越来越广泛。被动防护结构防爬缓冲装置如图1所示。

薄壁管作为防爬缓冲装置中能量吸收的基本元件，国内外学者展开了诸多研究。金属薄壁管在受撞击后压溃变形、形成塑性铰以达到吸能效果[7]，而复合材料结构吸能机理表征为复合材料纤维变形、基体开裂、纤维屈曲和断裂、层间分层等来吸收能量[8，9]。相比传统金属材料，复合材料能够提高结构的吸能能力，同时又具有减重效果[10]。Wang等[11]对复合材料薄壁圆管进行准静态压缩试验，试验中0o纤维层分别向内外两侧发生翻转变形，层面内出现大量裂纹；Abramowicz[12，13]等、Pugsley[14]以及Singace[15]开展矩形、圆形和多边形不同截面形状的薄壁管准静态和动态冲击试验；武海鹏[16，17]等人针对四种不同铺层和触发装置的复合材料薄壁管进行准静态压缩，验证铺层对比吸能的影响。

本文从薄壁管的准静态压溃试验和仿真出发，对比金属和复合材料薄壁管的初始峰值载荷、比吸能等参数，突出复合材料薄壁管的优势，并对复合材料薄壁管形成组件应用到防爬缓冲装置中进行了初步设计和仿真。

2 薄壁管轴向压溃吸能特性研究

2.1 薄壁管工艺制备

复合材料薄壁管采用缠绕工艺成型，缠绕角度[±45o]n。制品纤维选择日本东丽株式会社T700–12K碳纤维，树脂基体选择南通星辰合成材料有限公司环氧-618。复合材料制品固化时产生热量，致使制品受熱膨胀，由于管壁较薄，将模具设计成内固化缠绕成型模具，使产品内部比外表面固化更早，有收缩补强的作用。在模具两端增加钉盘，可以通过钉盘减少纤维回程距离，同时避免端部滑纱。模具设计如图2所示。制品缠绕过程如图3所示。制品固化后脱模，制得碳纤维薄壁管如图4所示。

金属Al管壁厚5mm，外切圆直径118.6mm，材质Al-6008-T4。

2.2 薄壁管准静态压溃试验

为了表征薄壁管的轴向压溃吸能性能，采用如下指标。

（1）峰值载荷Fmax，即压溃初始至末端时的最大载荷；

（2）轴向压溃试验过程总吸能量值如公式（1）所示。

依据GB／T 5352–2005，对薄壁管进行轴向准静态压溃试验。试验设备万能试验机YY200A型，采用长春科新测绘有限公司测绘软件。将试件竖立放置在上下端刚性平台中心处，加载速度为15mm／min，通过力、位移传感器记录数据，试验如图5所示。

金属Al薄壁管压溃试验状态结果如图6所示。

从金属Al管压溃试验结果可以看出，在压缩过程中Al管首先进入弹性阶段，后到达塑性屈服应力时进入塑性阶段，随着载荷的增加，在薄壁的棱边处发生塑性铰弯折现象，此时载荷为峰值载荷，随着变形增加，Al管整体成钻石变形模式。

复合材料薄壁管压溃试验状态结果如图7所示。

复合材料薄壁管缠绕角度[±45o]，无轴向纤维和横向纤维分量，试件的轴向承载力较低，随着压缩过程沿45o方向纤维间产生裂纹并扩展，在棱边处发生面内剪切基体开裂，继而在复材层间发生基体开裂。整体呈塔式逐层压溃破坏。

2.3材料仿真参数

Al-6008-T4和复合材料仿真参数如表1和表2所示。

2.4薄壁管压溃过程有限元仿真

本文对薄壁管准静态压溃过程进行仿真，建立薄壁管的全尺寸模型，并用六面体实体单元划分网格。有限元模型共设定三种接触形式，其中薄壁管的上下端分别与上下刚性板建立面面接触形式，薄壁管内、外侧分别建立节点-面的自接触形式，薄壁管外侧与下侧刚性板建立节点-面的接触形式。有限元模型如图8所示。

薄壁管轴向准静态压溃试验与仿真结果对比如图9和图10所示。

从图9和图10可以看出，有限元仿真模拟了金属Al管和复合材料薄壁管压溃试验结果，二者的弹塑性变形十分吻合，证实了非线性有限元仿真技术的可行性。Al管、复合材料管峰值载荷Fmax、总吸能E和比吸能?E的试验结果与仿真结果对比如表3所示。

从表3可以看出，Al管、复合材料管的峰值载荷仿真结果与试验结果相比分别相差了3.9%、6.4%，总吸能分别相差了3.5%、6.6%，仿真模型较好的模拟了薄壁的准静态轴向压溃过程。

复材管质量比Al管降低40%，峰值载荷复材管比Al管低26%，比吸能却提高17%，证明相同截面的薄壁管，复材管比Al管质量低，压溃时峰值载荷低，更容易进入压溃吸能阶段，同时吸能效率更高。

3 复合材料薄壁管组件在防爬缓冲装置中应用

防爬缓冲装置是传统轨道车辆的防调车冲击装置，但其吸收能量有限 ，一般不大于20KJ，仅在低速（小于7km/h）调车时才有效。将复合材料薄壁吸能管形成多边形的组件，适应不同时速列车的防爬缓冲装置中，同时多边形复合材料薄壁管组件组成的结构增大了整体结构的截面积，提高碰撞时缓冲装置的稳定系数，如图11所示。

并对不同组件形式的防爬缓冲装置的压溃过程进行了整体仿真，如图12所示。

将复合材料薄壁管形成多边形组件应用于防爬缓冲装置中，可以适应不同时速、不同吸能量值的车辆中，通过有限元技术可以模拟薄壁管组件的压溃过程。

4 结语

通过对金属、复合材料薄壁管的准静态压溃试验和仿真结果对比，可以得到以下结论：（1）相同结构形式下，复合材料薄壁管质量比金属Al管降低40%，同时比吸能增加了17%，复合材料薄壁管吸能效率更高；

（2）金属Al管的压溃模式为钻石模式，铺层[±45o]的复合材料薄壁管在棱角处依靠面内剪切的主要吸能形式，整体压溃模式为塔式模式；

（3）将复合材料薄壁管形成多边形组件，可以应用在不同时速和不同吸能量值的防爬缓冲模式中，同时采取有限元技术较好的模拟了压溃过程。

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