轨道交通车辆金属蜂窝式防爬吸能器的设计

姜士鸿

（长春轨道客车股份有限公司，长春 132000）

0 引 言

金属蜂窝材料是一种多胞蜂窝巢穴的材料，具有密度小、刚度低、抗冲击能力强且压缩变形可控等优点，是理想的缓冲吸能材料，金属蜂窝材料在高速列车领域扮演着极为重要的角色，能有效吸收高速列车在发生碰撞产生的巨大冲击能量，它是保证乘员或其他有效载荷免受重大伤害的终极安全卫士，是高速车被动安全防护技术的重要组成部分。近年来，由于国内高强度金属蜂窝材料制造比较困难，基于高强度金属蜂窝材料的吸能材料的研究及其应用已成一项重要的高新技术产业。

金属蜂窝吸能结构在冲击载荷作用下，发生渐进的屈曲变形，将冲击能转换为金属蜂窝的塑性变形能，从而达到缓冲吸能目的，是理想的吸能器，在各种防撞结构中有广泛应用。

DELLNER 公司设计的D-BOX 系统代表了世界列车吸能器的先进水平。整个列车吸能器由多个部分组成，第一部分为一级吸能器，位于列车最前端，其中二级吸能器为金属蜂窝材料，金属蜂窝材料通过塑性变形吸收能量，其吸能效率较高［2］，DELLNER 公司设计的D-BOX列车吸能器的一、二级吸能器结构如图1 所示。

1 结构原理

图1 D-BOX 列车吸能器简图

金属蜂窝吸能结构是安装于列车车头或列车间，用以在列车发生意外碰撞情况下对列车及乘客进行被动安全保护的一种重要部件，典型吸能器的结构原理如图2所示，主要包括吸能器、容纳吸能器的辅助件等，由于高速列车的特殊需求，通常要求在较小的空间内实现碰撞能量吸收的最大化，同时还要保证吸能的稳定性，而吸能器通常密度很小、吸能稳定性好，因此以其特有的吸能特性被成功应用于高速列车的被动安全防护。

图2 吸能器的结构原理

2 设计方法

2.1 设计条件

高速列车用缓冲吸能器的设计条件有很多，大致可以归纳为：

1）设计空间要求。缓冲器的设计空间主要是指列车可提供的工作空间，包括列车内部的形状及具体尺寸，它是设计蜂窝式防爬缓冲器的依据。因此，在设计高速列车用蜂窝式防爬缓冲器时，必须给出其设计空间［3］。

2）工作环境要求。包括高低温、震动及耐腐蚀等，且不同的工作环境下蜂窝式防爬缓冲器的缓冲特性往往存在很大区别，因此，对蜂窝式防爬缓冲器的设计，必须考虑其实际的工作环境。

3）工作情况。包括高速列车的质量、速度、撞击角度、运行震动等，这些参数都将影响着陆用缓冲器的设计。

4）各被保护对象的许用峰值应力。必须保证列车在碰撞过程中，各被保护对象所受的应力应大于蜂窝式防爬缓冲器许用的峰值应力。

5）其它要求。根据具体的运行任务，有时候还有一些其它方面的技术要求，它对于设计性能良好的高速列车用蜂窝式防爬缓冲器同样重要。

2.2 吸能器吸能性能的评价方法

吸能器吸能性能评价方法是评价吸能器的重要指标，主要包括吸收能量的能力、在吸能过程中的载荷特性、吸能效率及变形能力等。图3、图4 为吸能器在碰撞吸能过程中的载荷-位移（应力-应变）曲线，FP表示在工作过程中的峰值载荷，Fm表示在工作过程中的平均压溃载荷。相应地，σp表示吸能器在吸能过程中的峰值应力，σm为吸能器的平均压溃应力。

2.3 吸能器的吸能能力及比吸能分析

图3 吸能器在碰撞吸能过程中的载荷-位移曲线

图4 吸能器在碰撞吸能过程中的应力-应变曲线

为描述吸能器的吸能能力，定义3 个参数，即吸能器在其变形过程中吸收的总能量Wtotal，单位体积内吸收的能量W，单位质量内吸收的能量Wm。

根据能量守恒定理，得到吸能器总的吸能能力为

式中：L 为吸能器被压缩的距离；F（L）为吸能器被压缩距离为L 时的力。

总吸能能力是吸能器的一个重要性能指标，在设计吸能器时，必须使吸能器的总吸能能力大于需要吸能的总冲击能量。

质量比吸能是同样评价吸能器本身质量的一个重要指标，它是评价吸能器自身重量的重要依据。定义吸能器单位质量吸收的能量为

式中m 为吸能器的质量。

吸能器单位体积内吸收的能量为

式中：σ 为流动应力，是应变ε 的函数；V 为吸能器的体积；ε 为吸能器的在工作过程中的应变。

根据吸能器的应力-应变曲线，如图3、图4 所示，W相当于在应变量为ε 时压缩曲线以下的面积，故压缩曲线的形状和位置可反映出吸能器吸能性能的高低。通过吸能器单位体积内吸收的能量W 可表征吸能器在体积方面的性能。

在吸能器的设计过程中，峰值载荷Fp（或峰值应力σp）是一个非常重要的参数，在进行吸能器的设计时，必须使吸能器在工作过程中其峰值载荷Fp始终小于许用峰值载荷［Fp］（或峰值应力σp始终小于许用峰值载荷［σp］）。

平均压溃载荷Fm是表征吸能器吸能特性的重要指标，通过吸能器的平均压溃载荷，可方便地预测该吸能器的吸能能力，其定义为

相应地，可以得到吸能器的平均压缩应力为

为使所获得的评价方法具有通用性，吸能性能的评价方法要尽量与吸能器的尺寸无关，因此应从吸能器的应力-应变曲线入手，探讨吸能器吸能性能的评价方法。

假设［a］为冲击过程中被保护对象许用最大加速度，M 为被保护对象的总质量。理论上，在设计吸能器时，应满足：1）吸能器的总吸能能力大于等于需吸收的总能量E；2）吸能器在工作过程中其峰值载荷FP始终小于许用峰值载荷［FP］，即

设吸能器的截面积为A，许用峰值应力为［σp］，将式（6）转换为应力-应变形式，即理想吸能效率I=Fm/Fp=σm/σp，极限应变εD=LE/L，有

定义吸能器的总吸能效率

则有

由总吸能效率的定义及式（2）、式（3）可得：

1）总吸能效率Itotal是评价吸能器性能极为重要的一个指标，高效意味着小型化。在相同设计条件下，总吸能效率Itotal越高，相应地吸能器的体积V 就越小，意味着能够实现吸能器的小型化。吸能器的体积越小，不仅使容纳吸能器的辅助件大大减小，从而大大降低系统的质量（因为容纳吸能器的辅助件为致密材料，而吸能器本身较轻），而且小型化的吸能器将相应地提高系统的载客量/载重量。

2）吸能器的拓扑结构及基体材料是影响吸能器吸能性能的最主要因素。吸能器所固有的拓扑结构及基体材料，除直接决定吸能器的工作可靠性、环境适应能力及成本等，还直接决定了吸能器的理想吸能效率和极限应变，进而影响吸能器的总吸能效率。同时，吸能器的基体材料还直接决定了吸能器本身的质量，基体材料的比强度越高，在相同拓扑结构下，其峰值应力就越大，相应的吸能器的体积可以越小［4］。

3 设计实例

以目前国内现有的高速列车的车头的布局及安装为参考，基于蜂窝吸能器的吸能设计，本文给出了一种新型蜂窝吸能器的设计实例［5］：

列车车头左右各安装一套蜂窝吸能系统，此蜂窝吸能防爬器主要由前后连接的吸能部和导向部组成，导向部固定于车体下方，吸能部和导向部之间填充有缓冲吸能部件——蜂窝芯，列车在发生碰撞时，前端的防爬齿受到冲击，剪切销受到冲击发生失效，因而防爬部在冲击载荷作用下沿导向部向后运动，进而压缩内部填充的蜂窝芯发生塑性变形，整个蜂窝吸能器的缓冲距离取决于蜂窝芯的有效压缩行程，有效吸能行程可以达到蜂窝总长的70%，从而通过蜂窝芯的塑性变形吸收能量。

图5 为蜂窝吸能器示意图，图6 为蜂窝及能器吸能部示意图。

其中蜂窝材料主要参数见表1，参数主要包括：材料、胞元规格、共面平均压缩强度、铝箔材料、材料厚度、蜂窝高度、蜂窝高度等，图7 所示为表1 所涉及的铝蜂窝结构尺寸图。

4 结 论

图5 蜂窝吸能器示意图

图6 蜂窝吸能器吸能部示意图

本文基于金属蜂窝的特性，结合高速列车用蜂窝吸能器的需求，探讨了其设计条件，同时深入展开了金属蜂窝吸能能力的分析，以及高速列车用蜂窝吸能器的设计评价指标，最后结合现有国内高速列车的需求，给出了一种新型蜂窝吸能器的设计方案。

表1 铝蜂窝材料的设计指标

图7 铝蜂窝结构尺寸图

本文在理论方面，建立了金属蜂窝包括吸能能力、总吸能效率、应力应变等理论模型，在深入研究各种吸能器吸能特性的基础上，结合所提出的吸能器吸能特性的评价方法，系统分析了蜂窝结构吸能器的吸能性能，为金属蜂窝吸能器的精确设计提供了理论依据。

此外，为了提高铝蜂窝吸能器的吸能效率，以提高铝蜂窝吸能器的性能，在深入系统研究金属蜂窝吸能机理的基础上，创造性地提出了两种提高铝蜂窝吸能器吸能效率的方法，为高速列车用轻量化的吸能器设计奠定了基础。

［1］ 尹汉锋，文桂林，马传帅，等.蜂窝结构缓冲装置的优化设计［J］.中国机械工程，2011，22（10）：1155-1158.

［2］ 王晓光.大型金属蜂窝部件工艺质量控制［J］.航天工艺，1994（4）：52-54.

［3］ 王闯，刘荣强，邓宗全，等.铝蜂窝材料的冲击动力学性能的试验及数值研究［J］.振动与冲击，2008，27（11）：56-62.

［4］ Gibson L J，Ashby M F.Cellular Solid：Structure and Properties［M］.Cambridge：Cambridge University Press，1997.

［5］ Miltz J，Gruenbaum G..Evaluation of Cushion Properties of Plastic Foams Compressive Measurements［J］.Polymer Engineering and Science，1981，21：1010-1024.