切削式吸能結構的仿真分析*

潘勝娟,劉金鑫

(蘭州交通大學機電工程學院,甘肅蘭州 730070)

切削式吸能結構的仿真分析*

潘勝娟,劉金鑫

(蘭州交通大學機電工程學院,甘肅蘭州 730070)

利用顯示有限元軟件ANSYS/LS-DYNA,對切削式吸能結構進行了仿真分析,并與同樣工況下的方管、圓管壓潰吸能結構做了比較。分析了切削深度、刀具前角、工件材料對吸能過程的影響。仿真結果表明:切削式吸能結構吸收的能量與壓潰式吸能相當,并且吸能過程穩定,力峰值遠小于壓潰管力峰值;切削式吸能結構吸收的能量、撞擊力與切削深度成正比,與刀具前角成反比,工件的材料對切削吸能過程有一定的影響。

切削;吸能結構;壓潰;有限元

0 引 言

薄壁金屬結構是一種高效率的吸能結構,對于理想的薄壁金屬結構在碰撞過程中撞擊力不應太大且在整個過程中變化平穩,以比較穩定的塑性變形來吸收碰撞動能[1]。金屬切削工件的過程是刀具與工件相互作用過程,也是一種典型的消耗能量且不可逆的過程。利用此特點中南大學的劉國偉教授首次提出軌道車輛切削式吸能結構,常寧、夏茜、湯禮鵬等對其進行了可行性研究[2-5]。隨后雷成等人對恒速下的切削式吸能結構做了一系列仿真分析研究[6-8]。華南理工大學的岳偉玲對軌道車輛拉削式防爬器進行了研究,指出通過控制拉削力可控制吸能能力,就吸能能力和穩定性而言,雙刀拉削比單刀拉削更有優勢[9]。筆者利用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA,首先對圓管和方管進行仿真分析;其次對切削式吸能結構進行仿真分析;最后對不同切削深度、刀具前角、不同工件材料的吸能過程仿真比較分析,總結出各參數對切削式吸能結構的影響情況。

1 薄壁圓管和方管的仿真吸能分析

1.1 薄壁圓管

薄壁構件由于其重量輕。成本低及在碰撞過程中的穩定性等優勢,在各類交通工具中作為一種性能良好的緩沖吸能元件得到廣泛的應用。

薄壁圓管在受到軸向力沖擊時先發生屈曲繼而發生褶皺變形,形成類似于手風琴式和波紋管的塑性變形形態。取圓管尺寸長為300 mm,直徑為70 mm,壁厚為1.5 mm,用200 kg的剛性塊以15 m/s的速度撞擊,其有限元模型如圖1(a)所示。

圖2為圓管能量變化曲線,由曲線可知剛性塊撞擊圓管的初始動能為22.5 kJ,碰撞后內能為22.4 kJ,撞擊開始大約26 ms后,撞擊動能逐漸被消耗,最終吸收能量22.4 kJ。撞擊力曲線如圖3所示,在撞擊開始約0.5 ms時,出現第一個撞擊力峰值為166 kN,隨著撞擊過程的進行,撞擊力的波動嚴重,吸能過程較不穩定。

圖1 圓管、方管有限元模型

圖2 圓管能量變化曲線

圖3 圓管撞擊力-時間曲線

1.2 薄壁方管

圖4為方管能量變化曲線。

圖4 方管能量變化曲線

薄壁方管在受到軸向壓力時,四壁發生屈曲并且一端向另一端褶皺變形。方管尺寸為60 mm×70 mm ×300 mm,同樣用質量為200 kg的剛性塊以15 m/s的速度撞擊,模型如圖1(b)所示。

由方管能量變化曲線圖4,初始動能為22.5 kJ,撞擊過程結束后內能為22.4 kJ,在撞擊開始約31 ms后能量逐漸被消耗,最終吸收總能量22.6 kJ。根據方管撞擊力曲線圖5所示,在約0.24 ms時,出現整個撞擊過程中的第一個峰值力434 kN。

圖5 方管撞擊力曲線

2 刀具切削吸能結構仿真分析

2.1 簡化模型的建立

刀具切削工件的過程實際上就是一種材料破裂的過程,是一種典型的。不可逆的能量消耗過程。切削過程示意圖如圖6,將切削式吸能裝置簡化為圖7,取刀具前角為γ為15°,后角α0為8°,切削厚度為3 mm,與壓潰管工況一樣,以200 kg的剛性塊以15 m/ s的速度撞擊刀具,給定時間50 ms。

圖6 切削過程示意圖

圖7 切削式吸能裝置簡化圖

2.2 材料模型

由于工件在整個切削過程中既有彈性變形又有塑性變形,因此材料選用45號鋼,材料模型選與應變率相關的彈塑性模型*MAT_PLASTIC_KINEMATIC。刀具材料用YT15硬質合金,在切削過程中刀具幾乎不發生變形,用剛性體型來模擬。二者的材料參數如表1所列。

表1 工件和刀具材料參數

2.3 接觸類型

由于切削式吸能過程涉及到材料的去處問題,因此刀具與工件的接觸選用面侵蝕接觸,在定義侵蝕接觸時,材料失效時要保持邊界條件對稱,允許實體內部發生侵蝕,當自由表面發生時包括實體單元表面。剛性塊與刀具間定義自動面面接觸,動靜摩擦系數設為0.15,0.1。

2.4 切削分離準則

金屬切削過程有限元仿真的分離準則主要分為幾何準則和物理準則[11]。幾何分離準則是以刀尖與刀尖前單元節點的距離變化來判斷分離與否。而物理準則是以刀尖前單元節點的物理量是否達到其臨界值來定義的,金屬切削有限元仿真過程選用物理準則。

2.5 仿真分析

對切削式吸能過程的仿真主要是對能量和切削力變化曲線的分析。切削吸能過程是能量轉化的過程,動能與內能和其他形式能量的轉化。

由能量守恒定理可知,總能量保持不變,在碰撞過程中絕大部分動能轉化為內能,從圖8能量變化曲線中可看出,碰撞前的動能為22.7 kJ,碰撞后的內能為20.6 kJ,經計算91%的動能轉化為內能,說明吸能效果較好。由圖還可知,在撞擊開始約33 ms時撞擊動能逐漸被消耗,最終吸收總能量22.7 kJ。圖9所示是切削力隨時間的變化曲線,在刀具切削工件耗能的過程中切削力就是撞擊力的直接體現,在撞擊開始約1.5 ms時,出現第一個撞擊力峰值109 kN,之后雖然有波動,但變化小。

圖8 金屬切削過程能量變化圖

圖9 切削力變化圖

2.6 刀具切削仿真吸能與壓潰式吸能的比較

由圖2,4,8能量變化圖可知,三者最終吸收的總能量小到大依次為圓管、方管、簡化式切削式吸能結構,其值依次為22.4 kJ、22.6 kJ、22.7 kJ;耗能達到平衡的時間從小到大依次為圓管、方管、簡化式切削吸能結構;由圖3,5,9可知:撞擊力峰值第一次出現從小到大依次為簡化式切削吸能結構、圓管、方管,其值為109 kN、166 kN、325 kN,所對應時間為1.5 ms,0.5 ms,0.24 ms。由這些數據可看出:切削式吸能是一種可行的吸能方式,在同樣的工況下,切削式吸能結構的吸能效果不僅較好,而且力峰值比方管降低了2.98倍,比圓管降低了1.52倍,達到峰值的時間比圓管推遲了3倍,比方管推遲了0.625倍。撞擊力峰值越低,加速度越容易保持在乘務人員和乘客所承受范圍內[12]。

圖10 切削過程應力變化圖

3 各參數對刀具切削仿真吸能的影響

3.1 切削深度

刀具前角15°,后角8°,切削初始速度15 m/s,切削深度對吸能結構切削力峰值和能量的影響如表2所列。隨著切削深度的增加,切削吸能裝置吸收的能量越多,切削力峰值越大。

表2 切削深度影響表

3.2 刀具前角

刀具后角8°,切削初始速度15 m/s,切削深度3 mm,刀具前角對吸能結構切削力峰值和能量的影響如表3所列。

表3 刀具前角影響表

隨著刀具前角的增大,吸能裝置吸收的能量越少,切削力峰值增大,在前角為15°時能量比最大。

3.3 刀具數目

刀具后角8°,前角15°,切削初始速度15 m/s,切削深度3 mm,刀具數目對切削式吸能結構的影響如表4所列。

表4 刀具數目影響表

從表中可以看出單刀具吸能效果比雙刀具好,不僅吸能多而且切削力峰值低。

3.4 工件材料

刀具后角8°,前角15°,切削初始速度15 m/s,切削深度3 mm,工件材料對切削式吸能結構的影響如表5所列。隨著材料強度和硬度的提高,切削式吸能結構吸收的能量越多,初始切削力峰值越高。

表5 工件材料影響表

4 結 論

(1)通過對壓潰管和切削式吸能結構的仿真分析比較,切削式吸能結構雖然能量吸收與壓潰管相近,但是就撞擊力峰值而言,遠小于壓潰管。因此,用刀具切削工件去消耗碰撞過程中產生的動能是一種可行的吸能方式。

(2)通過對不同刀具參數的切削式吸能結構仿真分析,得出結論:切削深度與能量和撞擊力峰值成正比;隨著刀具前角的增大,吸能越多,但切削力峰值越低;單把刀具比雙把刀具吸能多且峰值低;工件材料為Q235時吸能最少,初始切削力峰值最低,材料為4 340鋼時吸能最多且峰值最大。

[1]Wierzbicki.T,Abramowicz.W.On the CrushingMechanics of Thin -Walled Structures[J].Journal of Applied Mechanics,1983,50 (4a):727-734.

[2]賈 宇.機車車體耐碰撞結構設計與碰撞仿真研究[D].成都:西南交通大學,2002.

[3]常 寧,劉國偉.軌道車輛切削式吸能過程仿真[J].中南大學學報,2010,41(6):2444-2450

[4]夏 茜.切削吸能過程熱固耦合分析及參數優化研究[D].長沙:中南大學,2012.

[5]湯禮鵬,城軌車輛切削式專用吸能裝置研究[D].長沙:中南大學,2010.

[6]雷 成,肖守訥,羅世輝.金屬切削吸能過程的仿真研究[J].煤礦機械,2013,34(5):159-160.

[7]雷 成,肖守訥,羅世輝.軌道車輛切削式吸能裝置吸能特性研究[J].中國機械工程,2013,24(2):263-267.

[8]雷 成,肖守訥,羅世輝.基于有限元的軌道車輛撞擊能量吸收研究[J].鄭州大學學報,2012,33(4):65-68.

[9]岳偉玲.軌道車輛拉削式防爬器吸能特性的研究[D].廣州:華南理工大學,2014.

[10]李國和,王敏杰,段春爭.基于ANSYS/LS-DYNA的金屬切削過程有限元模擬[J].農業機械學報,2007,38(12):173-176.

[11]A Scholes,JH Lewis.Developmentof Crashworthiness For Railway Vehicle Structures[J].Journal of Rail and Rapid Transit,1993,25.

Simulation for Energy-Absorbing Structure in M etal-Cutting W ay

PAN Sheng-juan,LIU Jin-xin
(School ofMechatronic Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou Gansu 730070,China))

The energy-absorbing structure in metal-cutting way was simulated with the explicit finite element software ANSYS/LS-DYNA,and compared with the crush energy-absorbing structure of square tube and circular tube in the same situation.The influence of cutting depth,tool rake angle,the workpiecematerial on the performance of energy-absorbing structure was analyzed.The results show that the energy-absorbing structure in metal-cutting way can absorb much energy and the process is stable.The initialmaximum crush force is less than the crush tube.The energy absorption and impact force was proportional to the cutting depth,and inversely proportional to the tool rake angle.The workpiecematerial has certain influence on the energy-absorbing process inmetal-cutting way.

cutting;energy-absorbing structure;crush;finite element

U270.2

A

1007-4414(2015)06-0052-04

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.06.019

2015-09-09

潘勝娟(1990-),女,甘肅臨夏人,碩士研究生,主要從事軌道車輛被動安全性研究方面的工作。