列車車體鋁合金動態(tài)力學(xué)性能及其對吸能的影響

楊超，朱濤，肖守訥

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列車車體鋁合金動態(tài)力學(xué)性能及其對吸能的影響

楊超，朱濤，肖守訥

(西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室，四川成都，610031)

為了研究車用5083H111鋁合金材料的動態(tài)力學(xué)性能及其對結(jié)構(gòu)吸能的影響，分別對該材料進行動態(tài)沖擊拉伸和動態(tài)沖擊壓縮試驗，獲得不同應(yīng)變率下的材料本構(gòu)關(guān)系。以車輛防爬吸能結(jié)構(gòu)為載體，采用3種材料模型，對比分析該鋁合金材料的動態(tài)力學(xué)性能對車體吸能結(jié)構(gòu)吸能容量的影響。研究結(jié)果表明：5083H111鋁合金材料在低應(yīng)變率情況下存在應(yīng)變率軟化效應(yīng)，在中低應(yīng)變率范圍內(nèi)存在應(yīng)變率軟化再強化特性；在高應(yīng)變率情況下，這種材料表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率強化效應(yīng)；列車碰撞的應(yīng)變率數(shù)量級范圍為0~2，屬于中低應(yīng)變率范圍；對于5083H111鋁合金制成的車體吸能結(jié)構(gòu)，考慮應(yīng)變率效應(yīng)的結(jié)構(gòu)的實際吸能量要比不考慮應(yīng)變率效應(yīng)的相同結(jié)構(gòu)的吸能量小。

5083H111鋁合金；動態(tài)力學(xué)性能；應(yīng)變率；能量

鋁合金是部分地鐵列車和高速列車車體結(jié)構(gòu)的主要材料之一，除了CRH1動車組，國內(nèi)高速動車組車體都是以鋁合金為主要材料。在列車被動安全性研究中，車體結(jié)構(gòu)在碰撞過程中會發(fā)生大變形，鋁合金材料在塑性變形區(qū)的力學(xué)性質(zhì)對車體結(jié)構(gòu)的變形和吸能有很大的影響。在列車碰撞研究中，吸能結(jié)構(gòu)一般都未考慮材料的應(yīng)變率效應(yīng)[1?5]，鋼質(zhì)車體結(jié)構(gòu)通常采用Cowper?Symonds本構(gòu)模型來描述材料的應(yīng)變率效應(yīng)[6?8]。文獻[9]以Johnson?Cook模型研究了一種新型的鐵路車輛吸能裝置。一般觀點認為鋁合金是應(yīng)變率不敏感的材料，2024，6061，7050，7A04，LC9和LY12-cz等鋁合金[10?13]在高應(yīng)變率情況下的塑性流動應(yīng)力幾乎對應(yīng)變率不敏感。然而，高強阻尼鋁合金[14]和純鋁L2[15]具有明顯的應(yīng)變率強化效應(yīng)，普通鑄造鋁合金、高溫阻尼鋁合金和鋁鋰合金[14, 16?17]卻具有獨特的應(yīng)變率軟化特性，即應(yīng)變率負敏感效應(yīng)。由于鋁合金各成分所占比例的不同導(dǎo)致材料性質(zhì)存在著巨大差異，所以對于列車車體鋁合金動態(tài)力學(xué)性質(zhì)的研究是非常必要的。列車碰撞是結(jié)構(gòu)動態(tài)變形響應(yīng)的過程，碰撞過程中，結(jié)構(gòu)各點處的應(yīng)力和應(yīng)變率都不相同，并且應(yīng)力和應(yīng)變率隨著時間變化而變化。以往的列車碰撞研究工作主要考慮鋁合金的靜態(tài)力學(xué)性質(zhì)，對沖擊載荷下材料的動態(tài)力學(xué)性能研究較少，少數(shù)研究工作采用了考慮應(yīng)變率的材料本構(gòu)模型，但材料模型參數(shù)都是以經(jīng)驗值為主。由于大多數(shù)列車碰撞事故的碰撞速度不高[8]，車體結(jié)構(gòu)的動態(tài)力學(xué)響應(yīng)主要是中低應(yīng)變率下的響應(yīng)過程[18]。本文作者以高速列車車體中常見的5083H111鋁合金為研究對象，分別對該材料進行動態(tài)沖擊壓縮和動態(tài)沖擊拉伸試驗。通過沖擊加載，獲取鋁合金在各個數(shù)量級應(yīng)變率下的應(yīng)力?應(yīng)變曲線，展示不同應(yīng)變率下的鋁合金材料的動態(tài)沖擊力學(xué)性能，并且對比分析這種材料的動態(tài)力學(xué)性能對車體吸能結(jié)構(gòu)吸能容量的影響。

1 試驗材料與方法

試驗材料為車用5083H111鋁合金，該鋁合金具有良好的抗腐蝕和焊接性能，其主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 5083H111鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))

準靜態(tài)試驗和動態(tài)沖擊拉伸試驗的試件為啞鈴形片狀，詳見文獻[15]。準靜態(tài)試驗采用MTS材料試驗機。中低應(yīng)變率的動態(tài)拉伸試驗采用INSTRON試驗機,可測試應(yīng)變率范圍為1~1 000 s?1。

動態(tài)壓縮試驗試件是直徑×高為10 mm×8 mm的圓柱體。高應(yīng)變率動態(tài)壓縮試驗采用自制的分離式Hopkinson壓桿(SHPB)實驗裝置，該裝置包括炮管、子彈、入射桿(輸入桿)、透射桿(輸出桿)、緩沖器、超動態(tài)應(yīng)變儀以及計算機等，如圖1所示，其中子彈、入射桿、透射桿直徑均為14.5 mm，入射桿長度為400 mm，透射桿長度為525 mm，彈速最高可達60 m/s。SHPB裝置的基本工作原理是：子彈高速撞擊輸入桿，產(chǎn)生的彈性應(yīng)力波(入射波)傳入輸入桿，被輸入桿上的應(yīng)變片接收到；當(dāng)入射波到達輸入桿與試件的界面時，發(fā)生反射和透射，反射回去的反射波再次被輸入桿上的應(yīng)變片接收，透射到試件中的應(yīng)力波在試件與透射桿的界面再次發(fā)生反射和透射，透射波被透射桿的應(yīng)變片接收。超動態(tài)應(yīng)變儀記錄了入射波、反射波和透射波信號。根據(jù)一維應(yīng)力波理論，利用記錄的應(yīng)力波信號就可以得到試件的應(yīng)變率、平均應(yīng)變和平均應(yīng)力。根據(jù)均勻性假設(shè)得到經(jīng)典的二波法公式為

圖1 動態(tài)沖擊壓縮試驗裝置

Fig. 1 Test device of dynamic impact compression

2 試驗結(jié)果與分析

在MTS試驗機上所得的靜態(tài)試驗的應(yīng)力?應(yīng)變曲線被用于與動態(tài)沖擊拉伸和動態(tài)沖擊壓縮試驗結(jié)果的比較。動態(tài)沖擊拉伸和動態(tài)沖擊壓縮試驗中，對相同應(yīng)變率進行了多次試驗，下面采用試驗結(jié)果較好且處于中間位置的曲線。

2.1 動態(tài)沖擊拉伸試驗結(jié)果

對5083H111鋁合金分別進行應(yīng)變率為5，10，100和400 s?1的動態(tài)沖擊拉伸試驗，所有的拉伸試件都進行到拉斷為止。動態(tài)沖擊拉伸試驗得到的應(yīng)力?應(yīng)變曲線如圖2所示，圖2還給出了MTS試驗機的準靜態(tài)材料試驗結(jié)果。從圖2可以看出：材料的屈服強度基本未發(fā)生變化，都在150 MPa左右，材料的失效應(yīng)變隨著應(yīng)變率的增大而增大，該材料具有應(yīng)變率增塑效應(yīng)。5，10和100 s?1等中低應(yīng)變率的應(yīng)力?應(yīng)變曲線明顯低于準靜態(tài)結(jié)果，相同應(yīng)變下的塑性流動應(yīng)力明顯低于準靜態(tài)情況，但隨著應(yīng)變率增大至400 s?1時，動態(tài)拉伸曲線有接近準靜態(tài)的應(yīng)力?應(yīng)變曲線的趨勢。

應(yīng)變率/s?1：1—2×10?4; 2—5; 3—10; 4—100; 5—400

為了驗證試驗的有效性，在INSTRON試驗機上又進行了2次應(yīng)變率為10 s?1的拉伸試驗，并與準靜態(tài)結(jié)果進行比較，結(jié)果如圖3所示。低應(yīng)變率的拉伸試驗的應(yīng)力?應(yīng)變曲線仍然低于準靜態(tài)情況。綜上所述，對于5083H111鋁合金，應(yīng)變率在某值以下時動態(tài)試驗曲線是低于準靜態(tài)試驗曲線的；隨著應(yīng)變率的進一步增加，當(dāng)高于這個值時，動態(tài)試驗的應(yīng)力?應(yīng)變曲線就可能會接近或高于準靜態(tài)試驗的應(yīng)力?應(yīng)變曲線，所以，這種鋁合金材料在低應(yīng)變率情況下存在應(yīng)變率軟化效應(yīng)，即應(yīng)變率負敏感效應(yīng)，在中低應(yīng)變率范圍內(nèi)存在應(yīng)變率軟化再強化特性。

應(yīng)變率/s?1：1—2×10?4; 2—10; 3—10

2.2 動態(tài)沖擊壓縮試驗結(jié)果

用SHPB裝置對5083H111鋁合金做了高應(yīng)變率的動態(tài)沖擊壓縮試驗，相同尺寸的試樣在不同的沖擊速度下產(chǎn)生不同的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果，子彈速度為20.6 m/s時的應(yīng)變率分別為1 064 s?1和1 171 s?1，子彈速度為23.5 m/s時的應(yīng)變率為2 317 s?1，結(jié)果如圖4所示。從圖4可見：與準靜態(tài)應(yīng)力?應(yīng)變曲線相比，高應(yīng)變率動態(tài)壓縮試驗的屈服強度提高至200 MPa左右，2 317 s?1時的失效應(yīng)變大于1 171 s?1時的失效應(yīng)變，前者的失效應(yīng)變和強度極限比后者的大。相同應(yīng)變時，高應(yīng)變率的塑性流動應(yīng)力基本重合且高于準靜態(tài)的結(jié)果，所以5083H111鋁合金在高應(yīng)變率下具有明顯的應(yīng)變率強化效應(yīng)。

應(yīng)變率/s?1：1—2×10?4; 2—1 064; 3—1 171; 4—2 317

3 動態(tài)本構(gòu)關(guān)系適用性討論

在考慮應(yīng)變率效應(yīng)的動態(tài)塑性本構(gòu)關(guān)系中，Cowper?Symonds模型和Johnson?Cook模型是最經(jīng)典的模型，公式分別為：

(3)

Cowper?Symonds模型的應(yīng)變率效應(yīng)只與材料常數(shù)和有關(guān)，一般只用于描述材料的應(yīng)變率強化效應(yīng)，不適于描述材料的應(yīng)變率弱化效應(yīng)。Johnson?Cook模型可以適用于大多數(shù)金屬材料的低應(yīng)變率和高應(yīng)變率變形，當(dāng)為負數(shù)時可以描述材料的應(yīng)變率弱化效應(yīng)，但是對于5083H111鋁合金在中低應(yīng)變率下先軟化后強化的特殊性質(zhì)，Johnson?Cook模型也無法進行描述。

為了準確描述5083H111鋁合金的這種特殊性質(zhì)，本文主要使用列表插值法來描述這種材料的軟化再強化效應(yīng)，即將試驗得到的材料本構(gòu)關(guān)系曲線列于表格中，每個應(yīng)變率對應(yīng)一條材料本構(gòu)關(guān)系曲線，未知應(yīng)變率下的應(yīng)力?應(yīng)變曲線通過已知的相鄰曲線進行平滑插值獲得，這樣就可以直接得到該應(yīng)變率下某應(yīng)變對應(yīng)的應(yīng)力。塑性流動應(yīng)力與應(yīng)變率之間一般存在對數(shù)或指數(shù)關(guān)系，所以只要給出各個數(shù)量級應(yīng)變率的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系就可以達到一定的精度。列表插值法不受材料本構(gòu)關(guān)系變化趨勢的影響，適用性強，只要有足夠多的不同應(yīng)變率下的材料本構(gòu)關(guān)系試驗曲線，就可以描述材料的特殊應(yīng)變率效應(yīng)。

4 頭車吸能裝置特性分析

列車碰撞時，應(yīng)變率一般只對產(chǎn)生塑性大變形的部分車體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，而占絕大部分的彈性小變形車體結(jié)構(gòu)的材料特性不隨應(yīng)變率變化，所以產(chǎn)生塑性大變形的車體吸能結(jié)構(gòu)的應(yīng)變率變化可以代表列車碰撞的應(yīng)變率情況。假設(shè)列車碰撞時，不考慮材料破壞，耗散的能量主要被鉤緩裝置與車體的吸能結(jié)構(gòu)吸收，則只需要在車體吸能結(jié)構(gòu)上使用考慮應(yīng)變率的材料模型，其他車體結(jié)構(gòu)部分可以不考慮應(yīng)變率效應(yīng)。

本文采用剛?cè)峄旌宪囕v模型，車體吸能結(jié)構(gòu)考慮為彈塑性體，而車體其他部分考慮為剛體，彈塑性體和剛體之間采用剛性連接，模型如圖5所示。因為車體吸能結(jié)構(gòu)是主要的研究對象，所以，可以將剛?cè)峄旌宪囕v模型與剛性墻進行恒速碰撞來研究吸能結(jié)構(gòu)的吸能特性以及該鋁合金材料性能對結(jié)構(gòu)吸能的影響。

圖5 剛?cè)峄旌宪囕v模型

車體防爬吸能結(jié)構(gòu)如圖6所示，吸能管長400 mm，按照75%的壓縮行程考慮，吸能長度則為300 mm。圖6中還標出了3個考察應(yīng)變率變化的位置。車輛質(zhì)量為60 t，碰撞速度設(shè)置為36 km/h。

圖6 防爬吸能結(jié)構(gòu)

考慮3種材料本構(gòu)模型：模型1是雙線性塑性硬化模型，模型2是分段線性彈塑性模型，模型3是以列表插值法描述應(yīng)變率效應(yīng)的分段線性彈塑性模型，前2個模型不考慮應(yīng)變率效應(yīng)。根據(jù)試驗結(jié)果，雙線性塑性硬化模型中切線模量設(shè)置為1 000 MPa，分段線性彈塑性模型采用圖2所示的準靜態(tài)應(yīng)力?應(yīng)變曲線，模型3將圖2和圖4所示的曲線全部輸入到列表插值法對應(yīng)的表格中。

計算分析結(jié)果如圖7~9所示。圖7所示為防爬吸能結(jié)構(gòu)的3個位置的應(yīng)變率時間歷程曲線，應(yīng)變率隨時間不規(guī)則變化，應(yīng)變率的數(shù)量級范圍為0~2，屬于中低應(yīng)變率。3個位置的應(yīng)變率在塑性大變形初期都出現(xiàn)了峰值，隨后振蕩下行，到該位置的結(jié)構(gòu)變形穩(wěn)定后降為0，這與霍普金森桿試驗中金屬材料的應(yīng)變率變化趨勢是一致的。圖8所示為3種材料模型的界面力比較，力隨位移增長而不斷振蕩，最小界面力基本相同，但出現(xiàn)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。圖9所示為3種材料模型的結(jié)構(gòu)吸能比較，能量大小順序與最大界面力的趨勢是一致的，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，因為該模型對應(yīng)的結(jié)構(gòu)變形模式不穩(wěn)定，沒有形成多個完整的疊縮。由于5083H111鋁合金在中低應(yīng)變率下的弱化再強化特性，考慮應(yīng)變率效應(yīng)的模型3的吸能量要少于不考慮應(yīng)變率效應(yīng)的相同材料模型的吸能量，簡言之，實際中的結(jié)構(gòu)碰撞時存在應(yīng)變率效應(yīng)的，不考慮應(yīng)變率效應(yīng)的設(shè)計用吸能容量要比實際的吸能容量大。由于車體吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計一般都是基于準靜態(tài)材料特性，考慮到材料的特殊應(yīng)變率效應(yīng)，在設(shè)計5083H111鋁合金吸能結(jié)構(gòu)時，建議將其額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

圖9 3種材料模型的結(jié)構(gòu)吸能比較

5 結(jié)論

1) 在中低應(yīng)變率情況下，5083H111鋁合金材料在動態(tài)拉伸試驗中的應(yīng)力?應(yīng)變曲線基本上都比準靜態(tài)的應(yīng)力?應(yīng)變曲線低，但是隨著應(yīng)變率的繼續(xù)增大，動態(tài)曲線逐漸接近準靜態(tài)曲線。這種鋁合金材料在低應(yīng)變率情況下存在應(yīng)變率軟化效應(yīng)，在中低應(yīng)變率范圍內(nèi)存在應(yīng)變率軟化再強化特性。

2) 在高應(yīng)變率情況下，5083H111鋁合金材料在動態(tài)壓縮試驗中表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率強化效應(yīng)。高應(yīng)變率的材料屈服應(yīng)力和塑性流動應(yīng)力比準靜態(tài)時的高。

3) 在中低速碰撞時，5083H111鋁合金吸能結(jié)構(gòu)的動態(tài)力學(xué)響應(yīng)大部分集中于中低應(yīng)變率范圍，數(shù)量級為0~2。由于這種鋁合金在中低應(yīng)變率下的軟化再強化特性，考慮應(yīng)變率效應(yīng)的結(jié)構(gòu)的實際吸能量要少于不考慮應(yīng)變率效應(yīng)的相同結(jié)構(gòu)的吸能量，但相差較小。

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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

國家自然科學(xué)基金資助項目(51275432)；牽引動力國家重點實驗室自主研究課題(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)

肖守訥，研究員，從事機車車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計及車體耐撞性研究；E-mail: snxiao@home.swjtu.edu.cn

(編輯 楊幼平)