材料特性參數(shù)對金屬薄壁元件耐撞性的影響*

陳淑琴，周利強(qiáng)

(1．蘭州交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070;2．青藏鐵路公司，青海西寧 810000)

0 引言

吸能結(jié)構(gòu)作為軌道車輛被動安全防護(hù)系統(tǒng)的重要組成部分，其耐撞性關(guān)系到司乘人員的安全及車體結(jié)構(gòu)的完整，從而成為軌道車輛被動安全領(lǐng)域中重要的研究課題。吸能結(jié)構(gòu)通常由各種薄壁元件組成，因此，其耐撞性主要取決于這些薄壁元件的性能。金屬薄壁元件因其結(jié)構(gòu)簡單、強(qiáng)重比高、成本低，受到碰撞載荷作用時，破壞模式穩(wěn)定，能以可控的方式通過自身不可逆的塑性變形吸收車輛的碰撞動能，從而成為最傳統(tǒng)、最有效的吸能元件廣泛用于汽車、鐵路列車、船舶和飛機(jī)等幾乎所有交通工具的碰撞能量耗散系統(tǒng)中［1-3］。因此，筆者主要對金屬薄壁元件的耐撞性進(jìn)行研究。

1 吸能元件常用的耐撞性評價指標(biāo)

吸能元件的耐撞性通常用以下參數(shù)來評價［1］:

(1)總能量Ez:吸能元件在碰撞載荷作用下所吸收的總能量為:

式中:δ為吸能元件的壓潰行程;F(s)為碰撞力。

(2)比吸能Es:吸能元件吸收的能量與其質(zhì)量之比，該值越大，吸能元件的吸能能力越強(qiáng)，公式表示為:

式中:Ms為吸能元件的質(zhì)量。

(3)初始碰撞力峰值Fcr:吸能元件接觸碰撞的瞬間，碰撞力波動較大而變形很小，該區(qū)域不利于吸收碰撞能量，減小碰撞減速度，因此，對于耐撞性研究，初始碰撞力峰值應(yīng)盡可能小。

2 吸能元件在軸向載荷作用下的變形模式

金屬薄壁元件在碰撞載荷作用下也會通過橫向塑性變形來吸收能量，但橫向變形的吸能量大約比軸向差一個數(shù)量級［4］。因此，下文主要對金屬薄壁元件的軸向變形模式進(jìn)行介紹，軸向載荷作用下，金屬薄壁元件的變形模式主要有以下3種［2］。

(1)漸進(jìn)屈曲變形，薄壁元件被軸向壓縮時，從受壓縮的一端開始，逐漸發(fā)生屈曲變形，形成多個塑性鉸，這種變形模式是吸能元件的最佳變形模式。

(2)整體Euler屈曲變形，這種變形的第一個塑性鉸通常發(fā)生在吸能元件中部，之后產(chǎn)生較大的橫向位移，這種變形模式的吸能效率極低。

(3)混合變形，元件被壓縮的初始階段發(fā)生漸進(jìn)屈曲變形，隨后轉(zhuǎn)變?yōu)檎wEuler屈曲變形，吸能量介于漸進(jìn)屈曲變形和整體Euler屈曲變形之間。

上述幾種變形模式主要取決于薄壁元件的直徑與壁厚之比(D/t)和長度L。研究表明，要使薄壁元件發(fā)生漸進(jìn)屈曲變形，應(yīng)將徑壁比(D/t)控制在30左右，且 L/D 應(yīng)該小于 5［5］。

3 吸能元件碰撞仿真分析

為了研究材料特性參數(shù)對金屬薄壁元件耐撞性的影響，利用ANSYS/LS-DYNA軟件對彈性模量E、泊松比μ、屈服應(yīng)力σ0和剪切向模Etan不同的薄壁圓管進(jìn)行碰撞仿真，其碰撞模型如圖1所示，圓管長L=400 mm，根據(jù)薄壁元件發(fā)生漸進(jìn)屈曲變形的條件，取圓管直徑D=80 mm，壁厚t=2 mm，剛性板以v=15 km/h(4．17m/s)的速度碰撞一端完全固定的薄壁圓管，圓管及剛性板的材料參數(shù)如表1所列。

圖1 薄壁管碰撞模型

表1 材料參數(shù)

3．1 彈性模量與耐撞性

當(dāng)薄壁圓管的彈性模量E=50～200 GPa，增幅間隔為50 GPa，屈服應(yīng)力 σ0=110．3 MPa，泊松比 μ=0．3，切向模量Etan=450 MPa時，通過數(shù)值仿真得到其碰撞力-位移曲線和能量-位移曲線分別如圖2和圖3所示。從圖2中看出，在其他參數(shù)相同的條件下，初始碰撞力峰值基本是隨彈性模量的增大而增大。從圖3中看出，薄壁圓管的壓潰行程相同時，彈性模量越大的圓管吸收的能量相對越多。

圖2 碰撞力-位移曲線

圖3 能量-位移曲線

3．2 泊松比與耐撞性

當(dāng)薄壁圓管的泊松比μ=0．25～0．35，增幅間隔為0．05，彈性模量 E=70 GPa，屈服應(yīng)力 σ0=110．3 MPa，切向模量Etan=450 MPa時，通過數(shù)值仿真得到其碰撞力-位移曲線和能量-位移曲線分別如圖4和圖5所示。從圖中看出，在其他參數(shù)相同的條件下，泊松比對薄壁圓管的耐撞性影響不大。

圖4 碰撞力-位移曲線

圖5 能量-位移曲線

3．3 屈服應(yīng)力與耐撞性

當(dāng)薄壁圓管的屈服應(yīng)力σ0=100～250 MPa，增幅間隔為50 MPa，彈性模量E=70 GPa，泊松比μ=0．3，剪切模量Etan=450 MPa時，通過數(shù)值仿真得到其碰撞力-位移曲線和能量-位移曲線分別如圖6和圖7所示，從圖6中看出，屈服應(yīng)力增大時，整個曲線的波動幅度增大，初始碰撞力峰值也增大，對應(yīng)誘發(fā)其發(fā)生塑性變形的碰撞力也增大，不利于減小碰撞減速度。從圖7中看出，薄壁圓管的壓潰行程相同時，其屈服應(yīng)力越大，吸收的能量越多。

圖6 碰撞力-位移曲線

圖7 能量-位移曲線

3．4 剪切模量與耐撞性

當(dāng)薄壁圓管的剪切模量Etan=300～600 MPa，增幅間隔為100 MPa，彈性模量E=70 GPa，屈服應(yīng)力σ0=110．3 MPa，泊松比 μ =0．3 時，通過數(shù)值仿真得到其碰撞力-位移曲線和能量-位移曲線分別如圖8和圖9所示。

從圖8 中看出，切向模量增大時，整個曲線的波動幅度增大，初始碰撞力峰值也增大。從圖9 中看出，薄壁圓管的壓潰行程相同時，剪切模量越大，吸收的能量越多。

4 結(jié)語

通過對同種材料、不同材料特性參數(shù)的金屬薄壁元件進(jìn)行碰撞仿真分析，得出結(jié)論: 彈性模量、屈服應(yīng)力及剪切模量對金屬薄壁元件的耐撞性影響較大，而泊松比對其影響較小，這為選擇性能良好的吸能結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)，對保護(hù)司乘人員和車體結(jié)構(gòu)在碰撞事故中的安全有著重要的作用。

［1］ 柳艷杰． 汽車低速碰撞吸能部件的抗撞性能研究［D］． 大連: 哈爾濱工程大學(xué)，2012．

［2］ 張宗華． 輕質(zhì)吸能材料和結(jié)構(gòu)的耐撞性分析與設(shè)計優(yōu)化［D］． 大連: 大連理工大學(xué)，2010．

［3］ 謝素超． 鐵道車輛結(jié)構(gòu)耐撞性影響因素及優(yōu)化研究［D］． 長沙:中南大學(xué)，2012．

［4］ 陳秉智，傘軍民，孫彥彬，等． 薄壁構(gòu)件的抗碰撞吸能［J］，大連交通大學(xué)學(xué)報，2008，29( 5) : 99 - 104．

［5］ 杜星文，宋宏偉． 圓柱殼沖擊動力學(xué)及耐撞性設(shè)計［M］． 北京: 科學(xué)出版社，2004．