自由外翻式组合吸能装置的设计及优化

刘 彬1 肖守讷1 朱 涛1 阳光武1 车全伟2 1.西南交通大学牵引动力国家重点实验室,成都, 610031 2.中车青岛四方机车车辆股份有限公司,青岛, 266111

China Mechanical Engineering - - CONTENTS - 刘 彬 肖守讷 朱 涛等

摘要:为研究三节直翻卷圆管轴向压缩下的吸能特性,采用非线性有限元软件LS⁃DYNA进行了仿真分析,发现当上圆管、下圆管壁厚越接近且上圆管厚度略大于下圆管时,载荷-位移曲线统一于一条平稳的水平线,圧缩力效率乘积可达0.838 7,比吸能可达15.342 8 J/g,冲程效率高达76%,接近理论值。针对三节直翻卷圆管冲程效率高、载荷十分平稳但比吸能欠缺的特点,在其内部填充波纹管和多胞管以提高总吸能及比吸能。结果表明:填充后形成的组合吸能装置延续了冲程效率高、载荷平稳的特性,相比单一直翻卷管,总吸能提高了105.75%,比吸能提高了26.28%。利用径向基函数代理模型及遗传算法对组合吸能装置的比吸能进行寻优,优化结果显示,最大比吸能在多胞管、波纹管壁厚分别取上限值、下限值时达到,且相比单一直翻卷管,其值提高了30.86%。

关键词:三节直翻卷管;组合吸能装置;圧缩力效率;冲程效率;比吸能

中图分类号: U270.1;TH122

DOI:10.3969/j.issn.1004⁃132X.2018.17.006 开放科学(资源服务)标识码(OSID) :

收稿日期: 2017-08-23

基金项目:国家重点研发计划资助项目( 2016YFB1200505)

0 引言列车发生碰撞时伴随着巨大的冲击动能,给

Design and Optimization of Combined Energy Absorption Devices

Based on Free Inversion

LIU Bin1 XIAO Shoune1 ZHU Tao1 YANG Guangwu1 CHE Quanwei2

1.State Key Laboratory of Traction Power,Southwest Jiaotong University,Chengdu,610031

2.CRRC Qingdao Sifang Co.,Ltd.,Qingdao,Shandong,266111

Abstract: To study the energy absorption characteristics of the three ⁃ section straight ⁃ turned tubes under axial compression,the nonlinear finite element software LS ⁃ DYNA was used for simulation and analysis. It is found that the force ⁃ displacement curve is unified in a very stable horizontal line when the thickness of the upper tube is slightly larger than that of the lower tube,with the product of compression force efficiency up to 0.838 7,SEA equals to 15.342 8 J/g and the stroke efficiency up to 76%,which are close to the theoretical values respectively. Due to the characteristics of high stroke efficiency,smooth force⁃displacement curve but deficient in SEA,bellows and multicellular tube were filled inside the three⁃ section straight⁃turn tubes to improve the SEA,whose results show that the combined energy absorption device maintains the characteristics of high stroke efficiency and stable load,while creating an increase by 105.75% in total energy absorption and 26.28% in SEA,comparing with the single three⁃section straight ⁃turn tubes. Then the radial basis function proxy model and the genetic algorithm were applied to optimize the SEA of the combined energy absorbing devices. Optimization results show that the maximum SEA is obtained with the multicellular tube,bellows taking the upper limit and lower limit of thickness individual⁃ ly;the value increases by 30.86%,comparing with the single three⁃section straight⁃turn tubes.

Key words: three ⁃ section straight ⁃ turn tube; combined energy absorbing device; compression force efficiency;stroke efficiency;specific energy absorption(SEA)

司乘人员的安全带来巨大的潜在风险,列车被动安全技术的应用在主动防护措施失去作用时,可以大大降低这种安全风险,因此,开发出一种能有效吸收列车碰撞初始动能的装置极其重要。在过去几十年里,国内外专家对各类吸能装置进行了

大量研究。ALEXANDER 对圆形薄壁管的轴向

[] 1压缩性能进行了研究。ABRAMOWICZ等 对准

[] 2静态和动态下的方形薄壁管轴向压缩吸能行为进行了研究,提出了超折叠单元理论。张涛等 对高

[] 3速冲击下薄壁结构的吸能特性进行对比研究,发现方形截面薄壳的吸能比不如圆截面薄壳,但稳定性却高于后者。雷成等 研究了适用于高速列

[] 4车的切削式吸能装置,得出了切削深度等参数对吸能特性的影响关系。CHEN等 对单胞管和多

[] 5胞管轴向压缩的理论研究和仿真分析发现,多胞管的比吸能远高于单胞管。张雄 对金属多胞管

[] 6的轴向吸能特性进行了研究,发现相同质量下,其能量吸收效率较金属泡沫填充管高出近一倍。美国通用汽车公司将翻卷机制应用到汽车驾驶杆中 ,在汽车发生碰撞时对乘员起到很好的保护作

[] 7

用。余建立 对泡沫铝填充翻卷管进行了吸能特

[] 8性的多目标优化,得到了泡沫铝孔隙率与管壁厚的最优Pareto解集。

大多数传统金属薄壁结构在受轴向压缩时,载荷波动比较剧烈,在用作轨道车辆吸能装置时,会使传递到乘员身上的载荷显著变化,不利于人身安全。基于金属圆管发生翻卷变形时载荷平稳的特点,本文考虑以金属翻卷管作为吸能装置,探究其吸能特性。由于金属圆管发生翻卷变形的吸能量及比吸能不如压缩相同尺寸和厚度下的薄壁圆管 ,而单节金属直翻卷圆管的最大有效翻卷长

[] 6度仅为管长的一半,故在载荷一定的情况下,若要提高吸能量,可设法提高翻卷管的有效翻卷长度;相同条件下,圆管外翻比内翻的载荷更小、更容易发生翻卷 。兼顾以上两因素,本文采用三节外翻

[] 9式金属直圆管作为基础吸能装置,对其吸能特性进行研究。

为提高比吸能,本文提出了一种组合式吸能装置。建立了三节直翻卷管和组合吸能装置的有限元模型并进行仿真分析,以比吸能、圧缩力效率、冲程效率等评价指标对该装置进行考查,并以装置的壁厚为变量、比吸能为目标,进行优化设计。

1 三节直圆管的翻卷特性

圆管的翻卷分为自由翻卷和模具翻卷,每一类又分别对应向内翻卷和向外翻卷,主要指金属材料在轴向力的作用下由内向外或由外向内发生卷曲的变形行为,这要求金属材料具有良好的延展性。自由翻卷和模具翻卷的几种场景见图1。 图1 圆管翻卷的几种类型[]

7

Fig.1 Several types of tubes inversion

1.1 三节直翻卷圆管的几何模型

在三节直圆管的理想翻卷中,只要求上部圆管和下部圆管发生翻卷,中间圆管起着传递载荷和收纳翻卷后形成的4层金属结构的作用。若令中管长L1= 1/5L( L为总管长),则三节直翻卷圆管的理论最大行程为4 / 5L,最大冲程效率为80%。要实现上述翻卷行程,必须要求上下管的翻卷是独立的、稳定的,即在翻卷过程中中管和凸台不会发生变形。本文采用三种方法实现上述条件: ①设置诱导变形,采用圆弧过渡段来迫使上下圆管仅发生单一外翻变形; ②中管采用比上下圆管更大的厚度,以提高刚度,尽可能减小变形; ③在L1= 1/5L的基础上适当增加中管的管长,并减小上下圆管的管长,以此来减小中管变形对翻卷行程的不利影响。设计采用总管长L= 200 mm,中管长L1= 44 mm,上下圆管长L2= 78 mm;中管中径 D= 116 mm,上下圆管中径d1= 80 mm, d2= 100 mm。

在 Hypermesh软件中建立三节直翻卷管的模型,并采用非线性有限元软件LS ⁃ DYNA971 求解。管材采用1018钢,并用分段线性弹塑性材料( *MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY)模拟,其密度为7 850 kg/m3,泊松比为0.27,弹性模量为200 GPa,屈服极限为310 MPa,切线模量为 763 MPa。应变率强化效应采用Cowper ⁃ Sy⁃ monds 模型,强化参数 C= 40, P= 5。采用 Be⁃ lytschk⁃Tsay四节点壳单元划分三节圆管网格,控制网格大小为2 mm左右。三节直翻卷圆管底端与固定刚性墙固接,顶端采用1 000 kg刚性墙以10 m/s的速度进行恒速压缩。考虑两类4种接触情况:上下圆管本身设置自动单面接触;移动刚性墙与上部圆管的自动面面接触;上下圆管翻卷后可能发生的自动面面接触;上下圆管翻卷终止时与底端刚性墙的自动面面接触。面面接触会有摩擦,设置动摩擦、静摩擦因数分别为0.15、0.20。三节直翻卷圆管的几何模型和有限元模型见图2。1.2 吸能装置的性能评价指标评价一个吸能装置性能的好坏,往往从吸能

( a)几何模型 ( b)有限元模型

图2 三节直翻卷圆管的几何模型及有限元模型

Fig.2 Geometric model and FE model of the three

section straight-turn tube总量、比吸能、载荷峰值、圧缩力效率、冲程效率、比总效率等指标进行考虑。不同的情况可以采用不同的指标,本文中着重考查吸能装置的比吸能、圧缩力效率、冲程效率。

比吸能( specific energy absorption,SEA)定义为载荷F作用下装置吸收的总能量与其质量之比,最能反映吸能装置的吸能能力。比吸能

∫ x2

Fx ( ) dx x1 ( 1)

ESEA =

m

式中, x为压缩位移; m为吸能装置的质量。

压缩力效率( compression force efficiency, CFE)定义为吸能装置在工作过程中的载荷平均值Fave与载荷峰值Fpeak的比值,最能反映载荷平稳性,越接近1,说明载荷越平稳。压缩力效率

Fave ηCFE = ( 2)

Fpeak

冲程效率( stroke efficiency,SE)定义为吸能装置的有效工作行程与总长之比,衡量装置产生有效变形的能力大小。

1.3 三节直翻卷圆管的仿真结果分析

如前所述,为使中管不影响上下圆管的独立翻卷,中管壁厚t限定为4 mm,上下圆管壁厚分别在 0.5 mm≤ t1 ≤ 2 mm、1 mm≤ t2 ≤ 2.5 mm范围内取值。为充分反映壁厚的影响,采用2因素6水平的全试验设计方法进行壁厚设计,并进行有限元分析。

上下圆管厚度分别为1.1 mm、2.5 mm的三节直翻卷圆管在不同时刻的变形情况见图3。由图3可以看出,三节直翻卷管发生了稳定的翻卷变形,中管并未发生明显变形而影响上下圆管的单一外翻模式,说明设计中采用的促使上下圆管发生单一翻卷模式的几种措施是有效的。在翻卷终了时 刻,上下圆管翻卷形成的4层金属结构都嵌入中管内;上管翻卷形成的2层金属结构并没有完全进入到中管里,这应该是各层金属材料之间的接触摩擦所导致的,可通过改进中管与上部圆弧过渡段间的凸台宽度尺寸、过渡圆弧半径使各层金属不产生接触来解决。

图3 三节直翻卷圆管的变形情况

Fig.3 Deformation scene of the three-section

straight-turn tube经全试验设计壁厚的三节直圆管翻卷过程中的载荷-位移曲线见图4。由图4可知,三节直翻卷管发生稳定翻卷,分为两个阶段。由于上下圆管的壁厚及管径的不同,两个翻卷阶段的载荷水平差异明显,且同一阶段载荷水平均随壁厚的增大而增大。当上下圆管壁厚越接近且上圆管厚度略大于下管时,两阶段趋于一阶段,载荷-位移曲线统一于一条非常平稳的水平线。这是因为,为了使翻卷后的金属材料能完全嵌入到中管内,设计的上管直径小于下管,若两者采用等壁厚,上管的轴向刚度小于下管,轴向受压时上管变形需要的载荷就小于下管,导致载荷-位移曲线不能平稳过渡,从而整体上呈现两个阶段;当采用上管壁厚略大于下管,壁厚的增加弥补了上管因直径比下管小而轴向刚度小于下管的问题,此时两者轴向刚度更接近,在轴向受压时,上下圆管的变形载荷水平相当,因此,整体载荷-位移曲线非常平稳。这种载荷平稳的吸能模式在轨道列车碰撞响应中尤为重要。

此外,上下圆管厚度差越小,第一阶段的翻卷行程越大。其原因与上述分析类似,两者厚度差越小,两个翻卷阶段越趋于一个阶段,第一阶段的翻卷行程自然会变大。由图4还可看出,三节直翻卷圆管的有效压缩行程均达到了152 mm,冲程效率为76%,而理论行程为156 mm,理论冲程效率为78%。实际冲程效率与理论冲程效率接近程度高达97.44%,说明设计的三节直翻卷管具有良好的产生有效变形的能力和吸能能力。

由于三节直翻卷管的作用过程分为两个阶段,在考察载荷一致性时不应采用整体圧缩力效率,否则会因第二阶段的载荷水平占主导而弱化

了第一阶段载荷的影响。为真实反映两个阶段的载荷水平的影响,现提出用两个阶段的压缩力效率的乘积来评估三节直翻卷圆管的载荷一致性。

统计三节直翻卷管的各项性能指标,见表1。由表1可以看出,三节直翻卷管的冲程效率均超过76%,在载荷一定的情况下,能更多地吸收碰撞能量。两阶段的压缩力效率乘积随上下圆管壁厚取值的不同而差异显著,但当上下圆管壁厚越接近时,由于载荷-位移曲线统一于一条非常平稳的水平线,其值较大,最大达到0.838 7,这与图4的分析结果一致。此外,三节直翻卷管在压缩中的吸能总量和比吸能均随上下圆管壁厚的增加而增大,说明可以通过增大上下圆管的壁厚来获得预期的比吸能和总吸能,但要注意压缩力效率乘积的约束。当上下圆管壁厚均取得最大值时,总吸能达到31.4 kJ,比吸能达到19.515 2 J/g。

2 组合式吸能装置的研究

2.1 组合式吸能装置需要解决的问题

在轨道列车被动安全结构设计中,总是希望能量吸收装置能够尽可能多地吸收碰撞动能,并且撞击载荷保持稳定,以降低乘员遭受伤害的风险。这就与装置的比吸能和压缩力效率有关。文献[ 6 ]表明,翻卷管发生翻卷变形时的载荷稳定性和压缩力效率显著高于压缩相同尺寸和厚度下的薄壁圆管,但其比吸能不如后者。以上管的横截面周长252 mm、总管长200 mm、壁厚2 mm,截面 形状分别为等边六边形、正方形、圆形以及轨道列车防爬吸能装置常用的挤压管为对象,与本文设计的三节直翻卷圆管进行比吸能对比仿真分析,见图5。

从图5中可以看出,单一三节直翻卷圆管的比吸能虽然高于目前轨道列车防爬吸能装置常用的挤压式圆管,但整体上仍比较低。

现设计一种具有较高比吸能和圧缩力效率的组合吸能装置。从表1中的数据出发,综合考虑比吸能和圧缩力效率乘积的约束关系,确定以上下圆管壁厚分别为2 mm、1.9 mm的三节直翻卷圆管为基础,进行设计研究。

多胞管作为一种吸能结构,具有比单胞管高得多的比吸能,但其撞击力峰值、平均力水平也比单胞管大 。考虑到三节直翻卷管内部有着充裕

[] 10的空间,可填充多胞管金属结构,以提高整体的比吸能水平,但必须把握不能因多胞管的作用而破坏原结构的载荷平稳性的总原则,为此,需对多胞管的厚度进行控制。此外,由于管长较长,需要控制多胞管的变形模式,不能让其发生横向屈曲而影响外层翻卷管的稳定工作过程。为解决以上问题,可在翻卷管与多胞管之间再填充一层圆形波纹管,其作用有三: ①由于波纹管轴向压缩过程也具有较高载荷平稳性,可以提高组合装置的稳定载荷水平,弱化多胞管作用力对整体结构的不利影响; ②波纹管与多胞管留适当间隙,可对多胞管形成一定约束,限制多胞管的横向屈曲; ③波纹管的加入也可提高结构的整体吸能量。

表1 三节直翻卷管的性能评价指标统计

Tab.1 Performance evaluation index statistics of the

three-section straight-turn tube 图5 比吸能的对比情况

Fig.5 The comparison of SEA

2.2 组合吸能装置的几何模型及有限元模型

组合式吸能装置的波纹管中径为34 mm,厚1.5 mm;多胞管采用6元胞结构,胞元直径为7 mm,厚 0.5 mm。波纹管和多胞管高度均为200 mm。为有限元模型设置接触时,除了考虑1.1节所述的 接触外,还应为波纹管与多胞管、波纹管与上部翻卷管之间设置面面接触。组合吸能装置的几何模型和有限元模型见图6。 ( a)几何模型 ( b)有限元模型

图6 组合式吸能装置

Fig.6 The combined energy absorption device

2.3 组合式吸能装置的仿真分析

令吸能装置的底端与固定刚性墙固接,同样用1 000 kg可移动刚性墙以10 m/s的恒速度压缩吸能装置的上端。吸能装置的变形情况见图7。 图7 组合式吸能装置的变形情况

Fig.7 Deformation scene of the combined energy

absorption device以外层三节直翻卷圆管达到最大有效变形行程时刻作为组合吸能装置的变形终止时刻。从图7中可以看出,在组合吸能装置的有效吸能过程中,翻卷管、波纹管、多胞管变形稳定,大体上呈现对称式变形。多胞管未发生横向屈曲现象,说明填充波纹管作为约束是有效的;波纹管和多胞管均未阻碍三节直翻卷圆管的翻卷变形。

组合吸能装置工作的载荷-位移曲线见图8。由图8可知,组合吸能装置的工作过程分为3个阶段。在稳定压缩阶段,载荷-位移曲线经几次振荡后变得比较平稳,几乎接近水平线。结构的初始

图8 组合吸能装置的载荷-位移曲线

Fig.8 Force-displacement curve of the combined

energy absorption device

Newspapers in Chinese (Simplified)

Newspapers from China

© PressReader. All rights reserved.