基于3D打印的吸能式防爬器方案對(duì)比分析

楊 田，熊天楚，盧晨旸

(同濟(jì)大學(xué) 鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804)

1 引 言

近年來(lái)，我國(guó)軌道交通事業(yè)取得了快速發(fā)展。其中，鐵道車(chē)輛具有質(zhì)量大、速度快的特點(diǎn)，一旦發(fā)生碰撞事故，就會(huì)造成非常嚴(yán)重的后果。因此，鐵道車(chē)輛的被動(dòng)安全性作為其整體安全性能的重要組成部分，一直是軌道交通行業(yè)研究的重點(diǎn)。近幾十年中，形成了GM/RT2100、TSI、EN15227等技術(shù)規(guī)范[1-3]。相關(guān)研究表明，列車(chē)在碰撞過(guò)程中，相鄰車(chē)輛相互爬升的程度直接影響著碰撞事故的傷亡程度。因此，如何抑制爬升程度，對(duì)于車(chē)輛運(yùn)行安全的保障至關(guān)重要。

吸能式防爬器是列車(chē)碰撞過(guò)程中抑制垂向爬車(chē)的關(guān)鍵部件，相關(guān)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究。但是，由于經(jīng)濟(jì)條件的限制，這些研究只能通過(guò)仿真軟件進(jìn)行，這極大地限制了吸能式防爬器的發(fā)展。近年來(lái)，3D打印技術(shù)取得了快速發(fā)展。3D打印具有設(shè)計(jì)上的隨意性，這為新型防爬器的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供了嶄新的設(shè)計(jì)平臺(tái)。本文利用3D打印這一新興技術(shù)，對(duì)4種防爬器設(shè)計(jì)方案在3D打印技術(shù)條件下進(jìn)行優(yōu)化及吸能效果分析。

2 研究方法

本文主要采用有限元理論和試驗(yàn)相結(jié)合的仿真分析方法。首先，設(shè)計(jì)合理的防爬器模型方案，利用CR-3040準(zhǔn)工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)進(jìn)行打印，采用熔積成型法進(jìn)行樣件打印。3D打印耗材材料為30%摻雜木質(zhì)纖維的聚乳酸PLA，擁有比普通PLA更好的韌性，具有更加良好的可靠性。之后將獲取的樣件放置于萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行壓潰試驗(yàn)，根據(jù)得到的載荷位移曲線，進(jìn)一步探究吸能式防爬器壓潰的動(dòng)態(tài)受力過(guò)程。

3 設(shè)計(jì)方案對(duì)比

以下幾種方案是列車(chē)防爬器吸能的常用結(jié)構(gòu)，本文選用較為典型的幾種方案進(jìn)行3D打印，并加以試驗(yàn)驗(yàn)證。4種方案的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(a)薄壁多角管 (b)雙極嵌套管

3.1 薄壁多角管方案

近年來(lái)的研究表明，薄壁管軸向沖擊下產(chǎn)生的折疊變形，在薄壁管折角附近的彎曲和薄膜變形最為劇烈，是沖擊能量吸收的主要區(qū)域。孫宏圖等[4]指出，多角管截面折角的數(shù)量與折角最短邊的長(zhǎng)度對(duì)吸能特性有重要的影響。然而，過(guò)多的折角也容易導(dǎo)致樣件失穩(wěn)，降低其吸能特性。因此，選用圓內(nèi)接六芒星作為本方案的代表。

3.2 雙極嵌套管方案

雙極嵌套管作為一種由單極薄壁管發(fā)展而來(lái)的吸能結(jié)構(gòu)，不僅可以提高比吸能的能力，還能夠降低碰撞時(shí)的峰值力。谷圓圓[5]指出，對(duì)于雙極嵌套管，外低內(nèi)高型的吸能效果相較其他形式更為優(yōu)異。在此基礎(chǔ)上，對(duì)內(nèi)管頂部改用倒圓錐的設(shè)計(jì)能夠進(jìn)一步提高其壓潰時(shí)的吸能效果。因此，采用經(jīng)過(guò)倒圓錐加強(qiáng)的雙極嵌套管作為本方案的代表。

3.3 波紋錐形管方案

對(duì)于不同截面的薄壁吸能管件的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者更多關(guān)注的是圓管、方形管件或規(guī)則多邊形管件的研究，對(duì)于截面形狀為正方形的薄壁錐形管件研究較少。侯淑娟[6]指出，綜合考慮輕量化及比吸能兩種因素，方直管構(gòu)形是這簡(jiǎn)單構(gòu)形中耐碰撞性能最差的結(jié)構(gòu)，而圓錐管是簡(jiǎn)單構(gòu)形中耐碰撞性能最優(yōu)的結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)比無(wú)波紋的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，波紋結(jié)構(gòu)可以以更受控的方式塌陷，具有顯著的能量吸收效率。因此，結(jié)合3D打印技術(shù)，選擇了波紋錐形管作為本方案的代表。

3.4 蜂窩結(jié)構(gòu)管方案

蜂窩結(jié)構(gòu)是平面內(nèi)最優(yōu)秀的幾何構(gòu)形設(shè)計(jì)，其擁有出眾的幾何力學(xué)性能，具有質(zhì)量輕、用料少、抗沖擊緩沖性好、阻隔噪聲和污染等優(yōu)勢(shì)，目前廣泛應(yīng)用在農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域。蜂窩結(jié)構(gòu)擁有質(zhì)量輕、比吸能大的特點(diǎn)，符合現(xiàn)代軌道交通車(chē)輛輕量化的發(fā)展理念。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 破壞形式

將4種設(shè)計(jì)樣件依次放入萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)中加載，進(jìn)行壓潰試驗(yàn)，如圖2所示。

圖2 壓潰試驗(yàn)

圖3顯示了在不同的設(shè)計(jì)方案下，不同樣件的破壞形式。測(cè)試結(jié)果表明，對(duì)于薄壁多角管方案和雙極嵌套管方案這類(lèi)嵌套形式的樣件，壓潰的動(dòng)態(tài)過(guò)程總是伴隨著外嵌部分的破壞。而對(duì)于錐形管方案和蜂窩結(jié)構(gòu)管方案這類(lèi)單極薄壁管，其壓潰的動(dòng)態(tài)過(guò)程總是伴隨著整體樣件失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。就破壞形式而言，蜂窩結(jié)構(gòu)管的破壞形式相對(duì)其他3樣件種更為均勻和充分。

(a)薄壁多角管

在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)，除蜂窩結(jié)構(gòu)管以外，其他方案有明顯的垂向分層破壞。這是FDM工藝下3D打印的缺陷導(dǎo)致的。FDM工藝下的原材料呈線狀，材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化。噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將熔化的材料擠出，材料迅速凝固，并與周?chē)牟牧夏Y(jié)。由于FDM是由下往上累積成形的，層與層之間的連接只能依托于重力實(shí)現(xiàn)，這就導(dǎo)致FDM工藝下3D打印的試件垂向強(qiáng)度較低，容易垂向破壞[7]。

4.2 力-位移曲線

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到上述4種方案樣件的力-位移曲線，如圖4所示。可以發(fā)現(xiàn)，波紋錐形管受層間破壞的影響最嚴(yán)重。在常規(guī)工藝下，波紋錐形管結(jié)構(gòu)由于金屬良好的延展性而擁有很好的吸能特性。因此，在設(shè)計(jì)初衷被制作工藝極大影響的情況下，其受應(yīng)力的平均值相較于其他方案非常小。而蜂窩管沒(méi)有顯現(xiàn)出明顯的層間破壞影響，其結(jié)構(gòu)的特性也能夠較好地表現(xiàn)出來(lái)。

圖4 4種方案的力-位移曲線

4.3 比吸能分析

比吸能為元件所吸收的能量與其質(zhì)量之比，是衡量材料吸能特性的一種重要形式。比吸能越大，表明元件吸收能量的能力越大。利用比吸能衡量結(jié)構(gòu)的吸能特性，進(jìn)行不同方案的對(duì)比。上述4種方案的比吸能如表1所示。

表1 4種方案的比吸能

從表中可以發(fā)現(xiàn)，在FDM工藝下3D打印的4種結(jié)構(gòu)的吸能能力為：蜂窩結(jié)構(gòu)管方案>薄壁多角管方案>雙極嵌套管方案>波紋錐形管方案。究其原因，波紋錐形管方案由于工藝缺陷導(dǎo)致其吸能能力不佳，而雙極嵌套管方案則由于其質(zhì)量過(guò)重，吸能能力略遜于薄壁多角管方案。蜂窩結(jié)構(gòu)管的吸能特性相對(duì)于其他3種方案更為優(yōu)良。

5 試驗(yàn)結(jié)論

(1)在FDM工藝基礎(chǔ)上，蜂窩結(jié)構(gòu)的吸能特性最優(yōu)，而波紋錐形管的吸能特性受工藝影響最大。

(2)層間破壞對(duì)3D打印結(jié)構(gòu)的吸能特性的影響非常嚴(yán)重，常規(guī)工藝下吸能特性優(yōu)良的結(jié)構(gòu)，在FDM工藝下不一定能保持其特性。

(3)3D打印材料不具備常規(guī)材料的柔韌性和延展性。FDM工藝應(yīng)用的材料為塑料(如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC和聚乳酸PLA等)，且塑料材料的韌性較差，應(yīng)當(dāng)選用合適的3D打印耗材，例如加入纖維提高韌性的PLA材料等。

(4)3D打印為廣大研究者提供了設(shè)計(jì)更復(fù)雜結(jié)構(gòu)的平臺(tái)，但是其具有一定的局限性，與仿真及試驗(yàn)的情況有一定差距。

(5)本文的壓潰試驗(yàn)未考慮爬車(chē)速度，未來(lái)仍需要通過(guò)進(jìn)一步的試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行研究。