軌道客車鋁合金蜂窩結構抗沖擊性能研究

李 巍

（長春職業技術學院機電學院，長春130000）

0 引 言

鋁合金是飛機、高鐵等交通工具蒙皮和骨架的重要材料，傳統的鋁合金結構已無法滿足當代交通對其結構強度、抗沖擊性能等方面的需求。發生撞擊時，如果碰撞產生的能量以及交通工具本身具有的動能得不到緩沖和釋放將會對設備結構造成嚴重破壞，甚至產生重大生命財產損失，給行駛安全帶來了一定的潛在風險。蜂窩芯層結構因其具有輕量化、高強度以及吸能隔熱等優點，被逐步應用于航空航天、現代建筑和軌道客車等領域［1-6］。蜂窩芯層材料內部的芯層可以組成不同的幾何結構，通過芯層結構的組合，會呈現不同的力學性能。為使鋁合金蜂窩結構應用于不同的場合，學者們對其芯層幾何形式與排列方式進行了大量研究。

早期的研究中，為簡化計算過程，通常將蜂窩芯層結構簡化為剛度相同的均勻性板材，大致上可以分為Allen理論和Hoff理論［7］。簡化后的結構模型并不能真實反映蜂窩結構的內部受力情況。隨著有限元理論的發展，對蜂窩芯層內部結構的幾何形狀和排列方式的研究逐漸增多。文獻［8］中研究了蜂窩結構在受到沖擊和爆炸作用下應力-應變的變化規律，分析了蜂窩結構在抗沖擊方面的優異性能。文獻［9］中利用有限元方法對正6邊形蜂窩結構進行了面載荷沖擊，研究了3種載荷形式下蜂窩結構的變形機理。文獻［10］中通過對蜂窩鋁三明治結構進行樣品測試，研究了不同尺寸樣品的彎曲強度、吸能性能以及失效形式方面的變化規律。文獻［11］中基于泡沫鋁結構進行了系統性的動態彎曲測試，研究了板面厚度、芯層高度以及泡沫密度對芯層結構的影響。

本文在現階段蜂窩夾層研究的基礎上，對鋁合金蜂窩結構在受到沖擊時的應力應變狀態進行了分析，討論了蜂窩芯層結構對能量的吸收效果。通過對構建的蜂窩結構進行碰撞仿真，研究了6邊形蜂窩芯層的抗沖擊性能，旨在為鋁合金蜂窩夾層結構的優化以及軌道客車等交通工具的設計提供參考。

1 有限元仿真

1.1 幾何模型

如圖1所示為典型的鋁合金蜂窩芯層正六邊形結構示意圖。鋁合金蜂窩結構面板整體尺寸為66 mm×66 mm，厚度h＝6 mm，其中上下面板厚度均為0.2 mm，芯層中相鄰蜂窩的壁厚t＝54 μm，正六邊形蜂窩結構邊長b＝7 mm，沖擊作用的金屬球直徑為20 mm，密度為7.8 g／cm3。

圖1 蜂窩芯層結構示意圖

為研究不同蜂窩芯層結構的抗沖擊性能，在圖1所示六邊形蜂窩芯層的基礎上，又增添了正三角形、正方形和平行四邊形蜂窩芯層結構，如圖2所示。

圖2 不同蜂窩芯層結構

1.2 材料本構模型

鋁合金蜂窩結構的上下兩部分鋁合金面板，中間為鋁合金蜂窩芯層，仿真中使用Johnson-Cook本構模型對材料屬性進行設置，該模型對受到的高速沖擊和載荷具有較強的力學響應［12］：

式中：σ為材料受到的流動應力；A為材料的屈服強度；B為材料的極限強度；ε為等效塑性應變；c為應變敏感率；n為應變硬化指數；m為溫度敏感系數；˙ε為試驗中獲得的應變率為參考應變速率；T為試驗獲得的溫度；Tr為參考溫度；Tm為材料的熔點。

鋁合金的Johnson-Cook本構模型具體參數見表1。

表1 鋁合金材料屬性

用金屬球與鋁合金碰撞來模擬蜂窩結構受到沖擊的情形，當二者接觸時，鋁合金材料將受到剪應力的作用，定義累計損傷參數D＞1時材料發生失效［13］：

式中：D為無量綱的累計損傷參數；εip為每一增量步的等效塑性應變增量；為材料的失效應變；i為當前增量步數；n為最大增量步數。

1.3 接觸屬性設置

將鋁合金蜂窩結構的上下面板和芯層材料之間分別進行“Tie”，模擬層合板中的粘接屬性。此外金屬球設置為剛體結構，不考慮金屬球在仿真中的應力應變情況，降低仿真中不必要的干擾，以提高計算速度。

忽略鋁合金蜂窩板和金屬球之間的壓強和傳熱關系，在法向的接觸屬性中設置為“硬”接觸，模擬金屬球對面板的撞擊，在切向的接觸屬性中設置為“罰”接觸，并對接觸中的摩擦因數進行定義，由庫倫摩擦定律可知：

式中：τ為摩擦剪切應力；σ為金屬球和鋁合金之間的應力；τmax為最大摩擦剪切應力；μ為摩擦因數。

1.4 仿真分析

在仿真中對鋁合金蜂窩芯層結構的側面進行完全約束，模擬實際的工況環境，防止金屬球沖擊時產生側面變形和移動。同時，對金屬球進行速度載荷設置，為模擬金屬球彈射后的運動狀態，在不考慮重力因素的影響下，參考車輛行駛速度設置初始約束為20 m／s。以平行四邊形結構為例，對有限元模型的變形、分離以及失效形式進行分析，圖3所示為蜂窩結構受沖擊時的應力云圖。

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圖3 平行四邊形蜂窩結構應力云圖

由圖3（a）可見，金屬球和蜂窩板接觸的瞬間，在巨大的沖擊力作用下蜂窩板中心位置出現了明顯的應力升高情況，由于金屬球和蜂窩接觸的時間太短，此時應力范圍還沒有擴散到整個蜂窩板。如圖3（b）所示，對蜂窩芯層結構進行分析，在蜂窩板內部垂直的平行四邊形板材受到的應力明顯高于表面蒙皮結構，說明垂直放置的芯層對于沖擊載荷起到了更好的緩沖作用，對整體結構來說起到了很好的抵抗變形能力。如圖3（c）所示，金屬球繼續向下運動，此時應力范圍幾乎充滿整個蜂窩芯層結構，但和金屬球接觸的蒙皮上表面依舊沒有出現破裂情況，而芯層結構和蒙皮之間的粘接部分出現輕微的脫離。如圖3（d）所示，此時金屬球已經完全穿過了蜂窩芯層結構，其中蒙皮結構被撕裂，內部的蜂窩芯層結構被壓潰，整體上出現了一個略大于金屬球的孔洞。

2 芯層結構受沖擊性能分析

分別分析金屬球沖擊正六邊形、正三角形、正方形以及平行四邊形蜂窩芯層結構時產生的損傷情況，并利用凹坑深度、損傷面積以及質量比吸能分析結構的性能，以此優化最佳的蜂窩芯層結構。

2.1 凹坑深度分析

在未穿透情況下，金屬球沖擊蜂窩芯層時會產生凹坑，通過分析凹坑深度H對不同芯層結構的緩沖效果進行評價。如圖4所示，在正三角形蜂窩芯層結構中，金屬球形成的凹坑深度相對較小，只有2.5 mm左右，這是因為三角形結構組織密度較大，單位質量大，抵抗沖擊的能力較強，但發生碰撞時結構的緩沖效果最差。而采用正六邊形、正方形和平行四邊形芯層時，凹坑最大深度明顯增加，正六邊形的凹坑深度達到3.8 mm，說明該結構在受到沖擊時可起到很好緩沖。

圖4 不同芯層結構受沖擊時凹坑深度H情況

2.2 損傷面積分析

當金屬球穿透鋁合金時，蜂窩芯層會產生一定大小的損傷面積，如圖5所示。在正六邊形蜂窩芯層結構中，金屬球穿透時形成的破損面積最小，并且沒有產生額外的邊緣破損。正三角形蜂窩芯層結構邊緣破損面積略高于正六邊形，且形狀不規則。而使用正方形和平行四邊形芯層結構時，破損區域呈現出擴大的趨勢，邊緣破損程度進一步加大。

圖5 不同芯層結構的損傷情況

對圖5中蜂窩面板穿透后的破損面積Sp進行測量，分析各結構受沖擊的損傷情況，如圖6所示。

由圖6可見，受金屬球沖擊后正六邊形和正三角形芯層結構破損面積幾乎相同，且遠低于正方形和平行四邊形芯層結構的破損面積。這是由于正三角形和正六邊形結構在上下面板中具有穩定的結構支撐，在受到沖擊時芯層不存在受力薄弱方向，因此金屬球造成的破壞并不會發生傳遞和轉移。對于正方形和平行四邊形芯層結構，由于蜂窩板之間結構相互平行，在受到單一方向的力時并不能起到穩定支撐的作用，并且還會造成芯層和面板之間的撕裂，導致破損面積增大。

圖6 蜂窩夾層結構的破損面積Sp情況

2.3 比吸能分析

圖7 不同芯層結構的比吸能Em情況

可見，正六邊形蜂窩芯層結構在受到沖擊時的比吸能值最高，正三角形蜂窩芯層結構的比吸能最低。對于正方形和平行四邊形芯層結構的比吸能處于中間位置。結果表明，正六邊形結構在受到沖擊載荷時能最大程度的降低金屬球的動力勢能，與其他結構相比，在受到沖擊穿透時的質量比吸能最大提高了166%左右，加之該結構穩定性好，重量輕等特點，正六邊形蜂窩夾層是性能最佳的蜂窩結構。

3 蜂窩結構抗沖擊性能測試

通過分析不同芯層結構的抗沖擊情況，可以看出正六邊形結構在緩沖和吸能方面具有明顯的優勢。在高速軌道客車的設計上，正六邊形鋁合金蜂窩夾層板的使用既可以減小客車本身的質量，降低碰撞發生時的慣性，又可以最大程度的吸收沖擊產生的能量，保護車體的整體結構。本文選用正六邊形蜂窩芯層結構作為客車前端緩沖材料，對客車進行碰撞測試，分析碰撞發生過程中車體的受力情況和能量變化，以此驗證該結構對車體的保護效果。

建立軌道客車碰撞幾何模型，進行抗沖擊測試，如圖8所示。將正六邊形鋁合金蜂窩材料作為車頭內部材料，施加在車頭上的初始速度載荷為79 m／s，剛性墻體進行完全約束。

圖8 軌道客車碰撞仿真幾何模型

碰撞發生后，客車前端整體的動能E變化情況如圖9所示。

圖9 軌道客車前端動能E變化情況

由圖9可見，車頭在初始載荷的作用下以較大的動能運動，當車頭前端和剛性墻體接觸時，動能呈現出迅速下降趨勢。這是由于客車觸碰到墻體過程中動能被墻體和蜂窩外層板材吸收。隨著客車前端繼續運動，蜂窩材料的緩沖作用開始顯現，此時蜂窩材料吸收了客車運動中的大部分動能，當前端的蜂窩材料被完全破壞后動能已經下降到較低的水平。之后由于沒有蜂窩材料對能量進行吸收，動能呈現出平穩且緩慢的下降趨勢。

如圖10所示為碰撞發生后軌道客車前端受力F的變化情況。

圖10 軌道客車撞擊力F的變化情況

由圖10可見，當碰撞發生后客車在初始載荷的作用下撞擊力迅速增加，在此過程中主要是外殼體承受了大部分的撞擊力。隨后蜂窩結構和墻體接觸，在慣性作用下撞擊力緩慢且平穩上升到一個新的峰值。由于蜂窩結構的緩沖作用撞擊力開始迅速下降，減少了撞擊力對車體的破壞和損傷。

4 結 語

本文通過ABAQUS軟件建立金屬球沖擊鋁合金蜂窩夾層結構的幾何模型，以4種不同形狀的蜂窩芯層結構為研究對象，通過本構方程對鋁合金蜂窩材料進行模擬分析。

（1）采用凹坑深度、損傷面積以及單位質量比吸能3個指標對不同結構進行緩沖效果評價。仿真結果表明，與其他幾何結構相比，正六邊形夾層結構損傷面積小，具有良好的緩沖作用，吸能效果提高了166%左右。

（2）利用正六邊形鋁合金蜂窩結構建立軌道客車碰撞模型，進行抗沖擊測試。測試結果表明，該模型能有效吸收客車撞擊后的動能，大大降低了撞擊力對車輛的作用。