基于动态J-C本构的轨道交通车辆新型切削式吸能装置耐撞性研究*

刘艳文 修瑞仙 李本怀 王科飞 李成林

(1.中车长春轨道客车股份有限公司,130062,长春; 2.长春师范大学工程学院,130062,长春∥第一作者,工程师)



基于动态J-C本构的轨道交通车辆新型切削式吸能装置耐撞性研究*

刘艳文1修瑞仙2李本怀1王科飞1李成林1

(1.中车长春轨道客车股份有限公司,130062,长春; 2.长春师范大学工程学院,130062,长春∥第一作者,工程师)

针对国内对轨道交通车辆切削式吸能装置的研究大多单从数值仿真出发、缺乏与试验数据的对比、其仿真结果准确性有待探讨的现状,德国德累斯顿TUV SUD铁路股份有限公司铁道车辆测试中心率先对某新型AX-CE型切削式防爬吸能装置进行动态试验,得到其碰撞界面力、压缩行程随时间变化曲线,检验吸能装置的动态性能;采用显示有限元软件LS-DYNA详细建立AX-CE型切削式吸能装置的等效三维模型；采用Johnson-Cook动态热粘塑性材料本构模型、剪切损伤分离准则以及界面粘结-滑移混合摩擦模型,对高速切削吸能及切屑生成过程进行研究,并与试验进行对比分析,验证了数值仿真的正确性;分析了刀具前角、切屑圆心角、切削深度和切削速度等参数对切削式吸能过程的影响程度。研究表明,切削式吸能装置较现有吸能装置吸能特性更优,控制界面力峰值更强;切削深度和切屑圆心角对界面力和吸能的影响显著,刀具前角及切削速度对其影响则较小。

轨道交通车辆; 切削式吸能装置; 动态J-C本构; 剪切损伤分离准则

First-author′s address CRRC Changchun Railway Vehicles Co.,Ltd.,130062,Changchun,China

目前,我国高铁列车的最大运行速度已达380 km/h[1]。高速运行的列车一旦发生碰撞事故,势必造成严重的人员伤亡和财产损失。因此,提高轨道交通车辆的被动安全性非常重要。吸能装置作为耐撞性车体的关键吸能部件,可有效缓和撞击,最大限度地保护乘员生命和财产安全。

吸能装置按照材料的破坏形式,一般可以分为压溃式、膨胀式、切削式。切削式吸能装置是近年来兴起的一种新型吸能装置。切屑式吸能是一种典型的材料破坏、不可逆的能量耗散过程[2]。金属材料塑性大变形和变形之后材料产生破坏的吸能方式优于金属材料仅产生塑性大变形的吸能方式[3]。

对于切削式吸能装置,国内有些学者对其耐撞性进行了相关研究[4-7],但大多是基于数值仿真,没有实体试验,也缺乏仿真与试验数据的对比,且仿真结果的准确性有待探讨。本文基于上述现状,对某AX-CE型切削式吸能装置,从试验和数值仿真两方面出发,研究其耐撞性;通过试验与数值仿真结果的对比,有效地验证了数值仿真的准确性;从刀具前角、切屑圆心角、切削深度、切削速度等因素出发,研究不同因素对吸能和界面力的敏感性,为不同界面力水平下吸能装置切削因素选择提供了理论依据。

1 AX-CE型切削式防爬吸能装置耐撞性试验

AX-CE型切削式防爬吸能装置具有体积小、质量轻、刨削力稳定等特点,即使在偏载作用下也仍具有稳定的切削力。AX-CE型防爬吸能装置通过基座安装在车体上,其结构如图1所示。当列车发生碰撞时,首先,车钩缓冲装置吸收一定的动能后与底架脱离;然后,吸能装置发生作用,其防爬齿相互啮合,推动切削刀具和吸能管产生相对运动,使刀具切削吸能管。切削时,切削层金属在刀具刃口和前后刀面的推挤及摩擦作用下,发生剪切滑移变形和摩擦变形,形成切屑,以吸收碰撞动能,有效保护列车,减轻对乘客和司乘人员的伤害。

图1 AX-CE型切削式防爬吸能装置

AX-CE型切削式防爬吸能装置的具体结构特征参数见表1。

表1 AX-CE型吸能装置结构特征参数

2012年5月15日,在德国德累斯顿TUV SUD铁路股份有限公司铁路车辆测试中心,对AX-CE型切削式防爬吸能装置进行动态碰撞试验,验证吸能装置的动态性能。

试验依据《防爬吸能装置技术条件》、《AX-CE型防爬吸能装置试验规范》进行测试。试验时,先将力传感器安装在承载平台上;然后,将防爬吸能装置安装在力传感器前面;随后,将总重为24.4 t的混凝土块放置在一台专门加固过的2轴敞车上,并以12.8 km/h的初速撞击吸能装置。碰撞示意图如图2所示。

图2 AX-CE型防爬吸能装置动态碰撞试验示意图

图3、图4分别为吸能装置试验前实图及试验后的变形图。图5为吸能装置碰撞界面力及位移随时间变化的历程曲线。

表2为AX-CE型切削式防爬吸能装置动态试验结果。由表2可知,试验中防爬吸能装置的行程为284 mm,占总行程300 mm的95%;吸收的能量为158 kJ,占总能量165 kJ的96%;平均界面力为558 kN,满足《防爬吸能装置技术条件》规定的550(1±30%) kN的要求。

2 AX-CE型切削式吸能装置吸能过程数值模拟

2.1 材料动态J-C本构模型

图3 AX-CE型吸能装置碰撞试验前实图

图4 AX-CE型吸能装置碰撞试验后变形图

图5 AX-CE型吸能装置碰撞界面力-位移变化曲线

表2 AX-CE型吸能装置动态试验结果

在金属切削过程中,切削材料在高温、大应变和大应变率的情况下发生塑性变形,发生应变硬化效应、应变率强化效应和热软化效应[8]。Johnson-Cook模型引入了表征以上三种效应的参数。该模型从室温到材料熔点温度范围内都是有效的,特别适合用于模拟高应变率下的金属材料。本文采用动态J-C本构模型来模拟被切削的吸能管材料,模型采用的等效流动应力方程为

(1)

式中:

T——变形温度;

T0——室温,取20 ℃;

Tmelt——融化温度;

σ0——初始屈服应力;

B——硬化模量;

n——加工硬化指数;

C——依赖于应变率的系数;

m——热软化系数。

2.2 切屑与母体材料分离准则

切削式吸能装置的吸能过程是一个切屑与母体材料不断产生分离的过程,材料的剪切应变率很高,切屑变形非常大,刀尖处发生严重的剪切损伤。

本文采用Johnson和Cook提出的将应变率、应变、温度和压力都考虑进去的剪切失效准则,该准则基于单元积分点处等效塑性应变的值,当失效参数D的值超过1时,材料发生失效[9]。

(2)

式中:

式中:

d1、d2、d3、d4、d5——变形温度或低于变形温度情况下的失效参数;

p——静水压应力;

q——偏压力。

2.3 刀具-切屑接触摩擦模型

切削过程中,刀具与切屑接触面间的材料发生微观改变,前刀面上的正应力和温度会迅速增加。文献[12]的研究表明,刀具与切屑的摩擦表面划分为滑移区和粘结区2个区域。在滑移区,服从库伦摩擦定律;在粘结区,刀具与切屑接触点处的摩擦剪应力等于极限剪切应力[10-12]。

本文采用粘结-滑移混合摩擦模型来描述刀具与切屑接触面之间的摩擦,整个接触区域可描述为:

(3)

式中:

τf——摩擦应力;

σn——法向应力;

kchip——切削材料的极限剪切应力;

μ——摩擦系数。

2.4 吸能装置切削吸能数值仿真结果

AX-CE型切削式吸能装置仿真分析三维等效有限元模型如图6所示。仿真分析中,刀具与吸能管的初始相对速度为12.8 km/h,刀具切削深度为2.5 mm,切屑圆心角为30°,刀具前角为20°。切削吸能过程中,10 ms时的最大剪应力云图如图7所示。

图6 AX-CE型吸能装置仿真分析三维等效有限元模型

图7 AX-CE型吸能装置仿真吸能10 ms时最大剪应力云图

从图7可以看出切削吸能过程:当剪应力引起的应力达到吸能管材料的屈服极限后,切削层金属发生滑移,并与母体材料分离,产生塑性变形;然后,切削层金属沿前刀面流出。在流出的过程中,切削层金属中受摩擦力作用再次发生滑移变形;最后形成切屑。

仿真切削吸能过程结束后,切屑的弯曲变形如图8所示。由图8可知,切屑由前刀面流出达一定长度后,会与前端防爬器接触,并相互作用,从而向内部发生弯曲。图9为吸能装置动态试验结束后的切屑变形图。对比图8、图9可见,切屑变形的仿真分析结果与试验结果基本一致。

图8 切削吸能过程仿真结束后切屑变形图

图9 吸能装置实际试验后切屑变形图

图10、图11分别为吸能装置的界面力-位移变化仿真分析曲线和界面力-位移变化试验曲线。由图可知,当压缩行程为4 mm时,界面力峰值约为800 kN;此后,出现一些小的波动;在压缩行程为175 mm后,曲线趋于平缓。对比图10、图11可知,吸能装置界面力-位移的仿真曲线与试验曲线波动趋势基本一致,且界面力峰值也较为接近。

图10 吸能装置界面力-位移仿真曲线

图11 吸能装置界面力-位移试验曲线

表3为吸能装置切削吸能过程结束后,仿真结果与试验结果的对比。由表3可知,仿真分析与试验结果的相对误差均在7%以内。

表3 吸能装置切削吸能仿真与试验结果对比

综上所述,AX-CE型切削式吸能装置的仿真分析结果与试验结果较为接近,其切屑变形、界面力-位移曲线趋势也基本一致,验证了仿真分析模型的正确性和可靠性,以及仿真结果可信。

3 切削参数对吸能装置吸能特性的影响

文献[5]采用多元线性回归分析技术,对吸能装置界面力稳定值和吸收能量预测模型进行了显著性分析。分析结果表明,切削式吸能装置的吸能性能取决于切削深度、切屑圆心角、刀具前角及切削速度等切削参数。

切削参数对吸能装置吸能性能影响的三维等效有限元模型如图12所示。从节省计算机时及方便比较等方面考虑,吸能管长度取为50 mm,刀具以恒速(5 m/s、10 m/s、20 m/s)切削吸能管。当切削深度为3 mm,切屑圆心角为30°,刀具前角为5°,且切削速度为5 m/s时,切削吸能过程中5 ms时的最大剪应力云图如图13所示。

图12 切削吸能特性研究等效三维有限元模型

图13 切削吸能过程5 ms时最大剪应力云图

3.1 切削深度

当刀具前角为5°，切屑圆心角为30°，切削速度为10 m/s时,切削深度对吸能装置界面力峰值和吸能的影响如表4所示。

表4 切削深度对界面力峰值和吸能的影响

由表4可以看出,切削深度越大,则吸能装置吸收的能量越多,界面力峰值、平均界面力也越大。

此外,当切削深度为1.5 mm时,切屑基本连续且边缘有毛刺,界面力-时间历程曲线波动较大。当切削深度为2 mm、3 mm时,切屑趋于稳定,界面力-时间曲线逐渐光滑。

3.2 刀具前角

当切削深度为3 mm,切削速度为10 m/s,切屑圆心角为30°时,刀具前角对吸能装置界面力峰值和吸能的影响如表5所示。

由表5可以看出,刀具前角增大时,吸能装置吸收的能量、界面力峰值及平均界面力几乎不变。此外,当刀具前角为5°时,切屑的产生稳定连续;当刀具前角为10°、20°时,切屑边缘出现分叉现象。界面力-时间曲线的变化情况则相反,随着刀具前角的增大,曲线波动减小,趋于光滑。

表5 刀具前角对界面力峰值和吸能的影响

3.3 切屑圆心角

当切削深度为3 mm,刀具前角为5°,切削速度为10 m/s时,切屑圆心角对吸能装置界面力峰值和吸能的影响如表6所示。

表6 切屑圆心角对界面力峰值和吸能的影响

由表6可知,切屑圆心角越大,则吸能装置吸收的能量越多,界面力峰值、平均界面力也越大。此外,当切屑圆心角为10°时,切屑的生成不稳定,会产生分叉、飞溅现象;当切屑圆心角为20°、30°时,切屑的产生稳定连续。界面力-时间曲线的变化情况则相反,随着切屑圆心角的增大,曲线波动增大。

3.4 切削速度

当切削深度为3 mm,刀具前角为5°,切屑圆心角为30°时,切削速度对吸能装置界面力峰值和吸能的影响如表7所示。

表7 切削速度对界面力峰值和吸能的影响

由表7可知,切削速度增大时,吸能装置吸收的能量、界面力峰值及平均界面力变化较小。此外,当切削速度为5 m/s、10 m/s时,切屑的产生稳定连续;当切削速度为20 m/s时,部分切屑产生分叉、飞溅。界面力-时间曲线变化情况则相反,当切削速度为5 m/s时,曲线不光滑，波动较大;随着切削速度的增大,曲线波动减小,趋于光滑。同时,切削速度越大,产生切屑的弯曲半径越大。

综上所述,切削深度、切屑圆心角对吸能装置的吸能性能影响较大,刀具前角、切削速度对吸能装置的吸能性能影响则较小。四个切削因素对产生切屑的连续性、界面力-时间曲线的波动都有较大影响。

4 结论

(1) AX-CE型切削式吸能装置具有良好的吸能特性,冲程效率、压缩力效率、吸能效率可达95%以上。

(2) 仿真分析结果与试验结果的相对误差在7%以内,切屑的形状、界面力-位移曲线及吸能大小基本一致。动态试验验证了仿真模型的正确性和可靠性,仿真结果可信。

(3) 刀具与吸能管的有效接触面积是影响吸能装置吸能及界面力峰值的根本原因;有效接触面积由切削深度、切屑圆心角决定;刀具前角、切削速度对吸能装置的吸能特性影响较小。

(4)通过合理选择切削速度、切屑圆心角、刀具前角、切削深度以及刀具数量,可快速有效地实现吸能装置吸能、界面力峰值及切屑弯曲形状的主动控制。

[1] 刘艳文.轨道客车碰撞被动安全性研究[D].成都:西南交通大学,2013.

[2] 常宁,刘国伟.轨道车辆切削式吸能过程仿真[J].中南大学学报(自然科学版),2010,41(6):2443.

[3] 程玲.轨道车辆被动安全系统及其模块化研究[D].上海:同济大学,2006.

[4] 雷成,肖守讷,罗世辉.轨道车辆新型车端专用吸能装置[J].西南交通大学学报,2013,48(4):738.

[5] 雷成,肖守讷,罗世辉.轨道车辆切削式吸能装置吸能特性研究[J].中国机械工程,2013,24(2):263.

[6] 常宁.切削式吸能过程仿真研究[D].长沙:中南大学,2009.

[7] 汤礼鹏.城轨车辆切削式专用吸能装置研究[D].长沙:中南大学,2010.

[8] CHRISTIAN H,SVENDSEN B.Simulation of chip formation during high speed cutting[J].Journal of Materials Processing Technology,2007(186):66.

[9] 蔡玉俊,段春争,李园园,等.基于ABAQUS的高速切削切屑行程过程的有限元模拟[J].机械强度,2009,31(4):693.

[10] 孔虎星,郭拉风,尹晓霞.基于ABAQUS的钛合金切削有限元分析[J].机电技术,2011(4):22.

[11] 蒋志涛,刘泓滨,王飞,冯玲兵,阳启华.ABAQUS的高速铣削二维仿真分析[J].现代制造工程,2008(8):45.

[12] ZOREV N N.Inter-relationship between shear process occurring along tool face and shear plane in metal cutting[C]∥International Production Engineering Research Conference.New York:ASME,1963:42.

On Crashworthiness of the New Cutting Energy-absorbing Device Installed on Railway Vehicles Based on Dynamic Johnson Cook Constitutive

LIU Yanwen, XIU Ruixian, LI Benhuai, WANG Kefei, LI Chenglin

Many studies done in China on cutting energy-absorbing device for railway vehicle are quite inadequate, because most data used are coming from single numerical simulation without comparison with the experimental data, and the accuracy of the simulations needs further exploitation. Aiming at this situation, dynamic tests are conducted on the new type AX CE metal cutting energy-absorbing device in the railway testing center of TUV SUD Rail Corporation located in Dresden of Germany, the curves of collision interface force, compression stroke versus time and the inspecting dynamic performance of the device are obtained, an equivalent 3D finite element model for the absorbing process of AX CE energy-absorption device is established by using the explicit finite element software LS DYNA. Then, the dynamic Johnson Cook thermal viscoplastic constitutive model, shear damage criterion for chip separation and the sticking-sliding mixed friction model on tool-chip interface are adopted, to study the energy absorption for high-speed cutting and chip generation process, the FE model has been verified by tests to be accurate. The effects of tool rake angel, chip central angle, cutting depth and cutting speed on the properties of cutting energy-absorbing process are also studied. The results show that the absorbing characteristics of cutting energy-absorbing device, the control over the peak force are better and stronger than existing energy absorbing devices. Also, the effect of rake angle and chip central angle on interfacial force and energy absorption proves to be significant, the influence over cutting depth and cutting speed is smaller.

railway vehicle; cutting energy-absorbing device; dynamic Johnson Cook constitutive; shear damage separation criterion

*长春师范大学自然科学基金(长师大自科合字[2014]第008号)

U 270.34; U270.38+9

10.16037/j.1007-869x.2016.06.006

2014-08-18)