防爬緩沖裝置中薄壁管的準靜態(tài)壓潰研究

石建軍

摘 要? 本文針對防爬緩沖裝置中的薄壁管進行了準靜態(tài)壓潰試驗和仿真分析，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%。并對復(fù)合材料薄壁管組件應(yīng)用在防爬緩沖裝置中，進行了初步設(shè)計和仿真，對整體結(jié)構(gòu)可以有效降低質(zhì)量，提高吸能效率，更好的保護乘客的生命安全。

關(guān)鍵詞? 防爬緩沖裝置; 薄壁管; 準靜態(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

被動安全防護技術(shù)一般是將沖擊能量轉(zhuǎn)化為被動防護裝置的塑性變形能量，從而保護車體乘客區(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)用標準《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碰撞時，車輛要以可控的方式吸收碰撞能量，相撞車輛之間不會出現(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度、比剛度等力學(xué)特性，以及可設(shè)計性、輕量化特點，在軌道交通、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。被動防護結(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，國內(nèi)外學(xué)者展開了諸多研究。金屬薄壁管在受撞擊后壓潰變形、形成塑性鉸以達到吸能效果[7]，而復(fù)合材料結(jié)構(gòu)吸能機理表征為復(fù)合材料纖維變形、基體開裂、纖維屈曲和斷裂、層間分層等來吸收能量[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，同時又具有減重效果[10]。Wang等[11]對復(fù)合材料薄壁圓管進行準靜態(tài)壓縮試驗，試驗中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]開展矩形、圓形和多邊形不同截面形狀的薄壁管準靜態(tài)和動態(tài)沖擊試驗；武海鵬[16，17]等人針對四種不同鋪層和觸發(fā)裝置的復(fù)合材料薄壁管進行準靜態(tài)壓縮，驗證鋪層對比吸能的影響。

本文從薄壁管的準靜態(tài)壓潰試驗和仿真出發(fā)，對比金屬和復(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，并對復(fù)合材料薄壁管形成組件應(yīng)用到防爬緩沖裝置中進行了初步設(shè)計和仿真。

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社T700–12K碳纖維，樹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，有收縮補強的作用。在模具兩端增加釘盤，可以通過釘盤減少纖維回程距離，同時避免端部滑紗。模具設(shè)計如圖2所示。制品纏繞過程如圖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 薄壁管準靜態(tài)壓潰試驗

為了表征薄壁管的軸向壓潰吸能性能，采用如下指標。

（1）峰值載荷Fmax，即壓潰初始至末端時的最大載荷；

（2）軸向壓潰試驗過程總吸能量值如公式（1）所示。

依據(jù)GB／T 5352–2005，對薄壁管進行軸向準靜態(tài)壓潰試驗。試驗設(shè)備萬能試驗機YY200A型，采用長春科新測繪有限公司測繪軟件。將試件豎立放置在上下端剛性平臺中心處，加載速度為15mm／min，通過力、位移傳感器記錄數(shù)據(jù)，試驗如圖5所示。

金屬Al薄壁管壓潰試驗狀態(tài)結(jié)果如圖6所示。

從金屬Al管壓潰試驗結(jié)果可以看出，在壓縮過程中Al管首先進入彈性階段，后到達塑性屈服應(yīng)力時進入塑性階段，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，隨著壓縮過程沿45o方向纖維間產(chǎn)生裂紋并擴展，在棱邊處發(fā)生面內(nèi)剪切基體開裂，繼而在復(fù)材層間發(fā)生基體開裂。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薄壁管壓潰過程有限元仿真

本文對薄壁管準靜態(tài)壓潰過程進行仿真，建立薄壁管的全尺寸模型，并用六面體實體單元劃分網(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-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-面的接觸形式。有限元模型如圖8所示。

薄壁管軸向準靜態(tài)壓潰試驗與仿真結(jié)果對比如圖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結(jié)果，二者的彈塑性變形十分吻合，證實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的試驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比如表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靜態(tài)軸向壓潰過程。

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，壓潰時峰值載荷低，更容易進入壓潰吸能階段，同時吸能效率更高。

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)不同時速列車的防爬緩沖裝置中，同時多邊形復(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，提高碰撞時緩沖裝置的穩(wěn)定系數(shù)，如圖11所示。

并對不同組件形式的防爬緩沖裝置的壓潰過程進行了整體仿真，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)不同時速、不同吸能量值的車輛中，通過有限元技術(shù)可以模擬薄壁管組件的壓潰過程。

4 結(jié)語

通過對金屬、復(fù)合材料薄壁管的準靜態(tài)壓潰試驗和仿真結(jié)果對比，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)用在不同時速和不同吸能量值的防爬緩沖模式中，同時采取有限元技術(shù)較好的模擬了壓潰過程。

參考文獻

[1]? 楊鵬，胡旋，閆濤. 城市軌道交通車輛各類防爬器的結(jié)構(gòu)分析及統(tǒng)形[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2021（7）：58-60.

[2]? European Committee For Standardization. EN 15227-2010：Railway applications crash worthiness requirements for railway vehicle Bodies [S]. Brussels： European Committee For Standardization，2010：5-56.

[3]? Alastair Erskine. 軌道車輛結(jié)構(gòu)防碰撞性文獻綜述[J].國外鐵道車輛，2014（3）：1-8.

[4]? 王貴久.軌道列車被動防護裝置及應(yīng)用[J].機械工程師，2016（12）：202-205.

[5]? 馮振宇，周坤，裴惠.復(fù)合材料薄壁方管準靜態(tài)軸向壓縮失效機理及吸能特性[J].高分子材料科學(xué)與工程，2019（8）：94-104.

[6]? Tran T，Hou S，Han X. Crushing analysis and numerical optimization of angle element structures under axial impact loading [J].Composite Structures，2015，119： 422-435.

[7]? 常樹民.城市軌道車輛碰撞安全設(shè)計[J].新技術(shù)新產(chǎn)品，2010（1）：48-57.

[8]? Hu D，Zhang C，Ma X. Effect of fiber orientation on energy absorption characteristics of glass cloth/epoxy composite tubes under axial quasi-static and impact crushing condition [J].Composites Part A： Applied Science and Manufacturing，2016，90： 489-501.

[9]? Zhu G，Sun G，Yu H. Energy absorption of metal，composite and metal/composite hybrid structures under oblique crushing loading [J].International Journal of Mechanical Sciences，2018，135： 458-483.

[10]陳東方，武海鵬，梁釩.鋪層角度和觸發(fā)機制對碳纖維復(fù)合材料六邊形薄壁管準靜態(tài)軸向壓縮性能的影響[J].復(fù)合材料科學(xué)與工程，2023（1）：77-84.

[11] Wang Y，F(xiàn)eng J，Wu J．Effects of fiber orientation and wall thickness on energy absorption characteristics of carbon-reinforced composite tubes under different loading conditions［J］. Compos．Struct.，2016，153： 356-368．

[12] Abramowicz W，Wierzbicki T. Axial crushing of multi-corners sheet metal columns [J].Appl.Mech.Trans.ASME，1989， 56（1）：113-120

[13] Abramowicz W，Jones N. Dynamic progressive buckling of circular and squaretubes [J]. Impact Eng，1986，4（4）：243-270.

[14] Pugsley A. On the crump ling of thin tubular struts[J]. Mech Appl Math，1979，32（1）：1-7.

[15] Singace A，Elsobky H. Further experimental investigation on the eccentricity factor in the progressive crushing of tubes[J]. Solids Struct，1996，33（24）：3517-3538.

[16]梁釩，陳東方，武海鵬.六邊形薄壁管準靜態(tài)軸向壓縮試驗與分析[J]纖維復(fù)合材料，2022（2），57-63.

[17]陳東方，武海鵬，梁釩.六邊形Al-復(fù)合材料薄壁混雜管準靜態(tài)壓縮試驗和吸能機理分析[J].材料導(dǎo)報，2022（Z1）：202201201-6.