防爬緩沖裝置中薄壁管的準(zhǔn)靜態(tài)壓潰研究

石建軍

摘 要? 本文針對(duì)防爬緩沖裝置中的薄壁管進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)壓潰試驗(yàn)和仿真分析，相比金屬薄壁管，復(fù)合材料薄壁管可減重40%，比吸能提高17%。并對(duì)復(fù)合材料薄壁管組件應(yīng)用在防爬緩沖裝置中，進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)和仿真，對(duì)整體結(jié)構(gòu)可以有效降低質(zhì)量，提高吸能效率，更好的保護(hù)乘客的生命安全。

關(guān)鍵詞? 防爬緩沖裝置; 薄壁管; 準(zhǔn)靜態(tài)壓潰

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

被動(dòng)安全防護(hù)技術(shù)一般是將沖擊能量轉(zhuǎn)化為被動(dòng)防護(hù)裝置的塑性變形能量，從而保護(hù)車體乘客區(qū)不發(fā)生大的變形或結(jié)構(gòu)的損壞，最大限度降低事故破壞程度。根據(jù)歐洲鐵路應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)《EN 15227 鐵路車輛的耐撞性要求》，兩列同類型的地鐵車輛車頭相對(duì)碰撞時(shí)，車輛要以可控的方式吸收碰撞能量，相撞車輛之間不會(huì)出現(xiàn)爬車現(xiàn)象，能量吸收完成后乘客需要有足夠和完整的生存空間[1， 2]。傳統(tǒng)防爬緩沖裝置由車鉤緩沖裝置、防爬器和車體可控變形結(jié)構(gòu)組成。原有的金屬結(jié)構(gòu)形式，吸收能量有限（一般小于20KJ）且質(zhì)量偏重，已不能滿足日益增加的軌道列車速度和減重輕質(zhì)的要求[3， 4]。以高效吸能和輕量化為代表的先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)逐漸的應(yīng)用在軌道交通領(lǐng)域吸能裝置中[5， 6]。纖維復(fù)合材料由于具有高的比強(qiáng)度、比剛度等力學(xué)特性，以及可設(shè)計(jì)性、輕量化特點(diǎn)，在軌道交通、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛。被動(dòng)防護(hù)結(jié)構(gòu)防爬緩沖裝置如圖1所示。

薄壁管作為防爬緩沖裝置中能量吸收的基本元件，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)了諸多研究。金屬薄壁管在受撞擊后壓潰變形、形成塑性鉸以達(dá)到吸能效果[7]，而復(fù)合材料結(jié)構(gòu)吸能機(jī)理表征為復(fù)合材料纖維變形、基體開(kāi)裂、纖維屈曲和斷裂、層間分層等來(lái)吸收能量[8，9]。相比傳統(tǒng)金屬材料，復(fù)合材料能夠提高結(jié)構(gòu)的吸能能力，同時(shí)又具有減重效果[10]。Wang等[11]對(duì)復(fù)合材料薄壁圓管進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)中0o纖維層分別向內(nèi)外兩側(cè)發(fā)生翻轉(zhuǎn)變形，層面內(nèi)出現(xiàn)大量裂紋；Abramowicz[12，13]等、Pugsley[14]以及Singace[15]開(kāi)展矩形、圓形和多邊形不同截面形狀的薄壁管準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)；武海鵬[16，17]等人針對(duì)四種不同鋪層和觸發(fā)裝置的復(fù)合材料薄壁管進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮，驗(yàn)證鋪層對(duì)比吸能的影響。

本文從薄壁管的準(zhǔn)靜態(tài)壓潰試驗(yàn)和仿真出發(fā)，對(duì)比金屬和復(fù)合材料薄壁管的初始峰值載荷、比吸能等參數(shù)，突出復(fù)合材料薄壁管的優(yōu)勢(shì)，并對(duì)復(fù)合材料薄壁管形成組件應(yīng)用到防爬緩沖裝置中進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)和仿真。

2 薄壁管軸向壓潰吸能特性研究

2.1 薄壁管工藝制備

復(fù)合材料薄壁管采用纏繞工藝成型，纏繞角度[±45o]n。制品纖維選擇日本東麗株式會(huì)社T700–12K碳纖維，樹(shù)脂基體選擇南通星辰合成材料有限公司環(huán)氧-618。復(fù)合材料制品固化時(shí)產(chǎn)生熱量，致使制品受熱膨脹，由于管壁較薄，將模具設(shè)計(jì)成內(nèi)固化纏繞成型模具，使產(chǎn)品內(nèi)部比外表面固化更早，有收縮補(bǔ)強(qiáng)的作用。在模具兩端增加釘盤(pán)，可以通過(guò)釘盤(pán)減少纖維回程距離，同時(shí)避免端部滑紗。模具設(shè)計(jì)如圖2所示。制品纏繞過(guò)程如圖3所示。制品固化后脫模，制得碳纖維薄壁管如圖4所示。

金屬Al管壁厚5mm，外切圓直徑118.6mm，材質(zhì)Al-6008-T4。

2.2 薄壁管準(zhǔn)靜態(tài)壓潰試驗(yàn)

為了表征薄壁管的軸向壓潰吸能性能，采用如下指標(biāo)。

（1）峰值載荷Fmax，即壓潰初始至末端時(shí)的最大載荷；

（2）軸向壓潰試驗(yàn)過(guò)程總吸能量值如公式（1）所示。

依據(jù)GB／T 5352–2005，對(duì)薄壁管進(jìn)行軸向準(zhǔn)靜態(tài)壓潰試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)YY200A型，采用長(zhǎng)春科新測(cè)繪有限公司測(cè)繪軟件。將試件豎立放置在上下端剛性平臺(tái)中心處，加載速度為15mm／min，通過(guò)力、位移傳感器記錄數(shù)據(jù)，試驗(yàn)如圖5所示。

金屬Al薄壁管壓潰試驗(yàn)狀態(tài)結(jié)果如圖6所示。

從金屬Al管壓潰試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在壓縮過(guò)程中Al管首先進(jìn)入彈性階段，后到達(dá)塑性屈服應(yīng)力時(shí)進(jìn)入塑性階段，隨著載荷的增加，在薄壁的棱邊處發(fā)生塑性鉸彎折現(xiàn)象，此時(shí)載荷為峰值載荷，隨著變形增加，Al管整體成鉆石變形模式。

復(fù)合材料薄壁管壓潰試驗(yàn)狀態(tài)結(jié)果如圖7所示。

復(fù)合材料薄壁管纏繞角度[±45o]，無(wú)軸向纖維和橫向纖維分量，試件的軸向承載力較低，隨著壓縮過(guò)程沿45o方向纖維間產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展，在棱邊處發(fā)生面內(nèi)剪切基體開(kāi)裂，繼而在復(fù)材層間發(fā)生基體開(kāi)裂。整體呈塔式逐層壓潰破壞。

2.3材料仿真參數(shù)

Al-6008-T4和復(fù)合材料仿真參數(shù)如表1和表2所示。

2.4薄壁管壓潰過(guò)程有限元仿真

本文對(duì)薄壁管準(zhǔn)靜態(tài)壓潰過(guò)程進(jìn)行仿真，建立薄壁管的全尺寸模型，并用六面體實(shí)體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。有限元模型共設(shè)定三種接觸形式，其中薄壁管的上下端分別與上下剛性板建立面面接觸形式，薄壁管內(nèi)、外側(cè)分別建立節(jié)點(diǎn)-面的自接觸形式，薄壁管外側(cè)與下側(cè)剛性板建立節(jié)點(diǎn)-面的接觸形式。有限元模型如圖8所示。

薄壁管軸向準(zhǔn)靜態(tài)壓潰試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比如圖9和圖10所示。

從圖9和圖10可以看出，有限元仿真模擬了金屬Al管和復(fù)合材料薄壁管壓潰試驗(yàn)結(jié)果，二者的彈塑性變形十分吻合，證實(shí)了非線性有限元仿真技術(shù)的可行性。Al管、復(fù)合材料管峰值載荷Fmax、總吸能E和比吸能?E的試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比如表3所示。

從表3可以看出，Al管、復(fù)合材料管的峰值載荷仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比分別相差了3.9%、6.4%，總吸能分別相差了3.5%、6.6%，仿真模型較好的模擬了薄壁的準(zhǔn)靜態(tài)軸向壓潰過(guò)程。

復(fù)材管質(zhì)量比Al管降低40%，峰值載荷復(fù)材管比Al管低26%，比吸能卻提高17%，證明相同截面的薄壁管，復(fù)材管比Al管質(zhì)量低，壓潰時(shí)峰值載荷低，更容易進(jìn)入壓潰吸能階段，同時(shí)吸能效率更高。

3 復(fù)合材料薄壁管組件在防爬緩沖裝置中應(yīng)用

防爬緩沖裝置是傳統(tǒng)軌道車輛的防調(diào)車沖擊裝置，但其吸收能量有限 ，一般不大于20KJ，僅在低速（小于7km/h）調(diào)車時(shí)才有效。將復(fù)合材料薄壁吸能管形成多邊形的組件，適應(yīng)不同時(shí)速列車的防爬緩沖裝置中，同時(shí)多邊形復(fù)合材料薄壁管組件組成的結(jié)構(gòu)增大了整體結(jié)構(gòu)的截面積，提高碰撞時(shí)緩沖裝置的穩(wěn)定系數(shù)，如圖11所示。

并對(duì)不同組件形式的防爬緩沖裝置的壓潰過(guò)程進(jìn)行了整體仿真，如圖12所示。

將復(fù)合材料薄壁管形成多邊形組件應(yīng)用于防爬緩沖裝置中，可以適應(yīng)不同時(shí)速、不同吸能量值的車輛中，通過(guò)有限元技術(shù)可以模擬薄壁管組件的壓潰過(guò)程。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)金屬、復(fù)合材料薄壁管的準(zhǔn)靜態(tài)壓潰試驗(yàn)和仿真結(jié)果對(duì)比，可以得到以下結(jié)論：（1）相同結(jié)構(gòu)形式下，復(fù)合材料薄壁管質(zhì)量比金屬Al管降低40%，同時(shí)比吸能增加了17%，復(fù)合材料薄壁管吸能效率更高；

（2）金屬Al管的壓潰模式為鉆石模式，鋪層[±45o]的復(fù)合材料薄壁管在棱角處依靠面內(nèi)剪切的主要吸能形式，整體壓潰模式為塔式模式；

（3）將復(fù)合材料薄壁管形成多邊形組件，可以應(yīng)用在不同時(shí)速和不同吸能量值的防爬緩沖模式中，同時(shí)采取有限元技術(shù)較好的模擬了壓潰過(guò)程。

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