蒙皮蜂窝式整体吸能装置压缩性能研究

于洋洋 张永贵

摘要：为了保证低成本、短周期，采用仿真与试验相结合的方法对某蒙皮蜂窝式整体式吸能装置展开设计;针对吸能装置设计指标，基于单个蒙皮蜂窝式整体吸能装置压缩、两个相同蒙皮蜂窝式整体吸能装置对压等工况，通过有限元仿真分析方法进行结构尺寸、蜂窝强度等参数迭代优化，确定设计参数，并试制全尺寸样件开展同工况静压试验，试验结果显示：仿真结果与试验结果一致，说明建模方法可靠，可用于防爬器前期设计;蒙皮蜂窝式整体吸能装置主要性能参数满足相应技术指标要求。

关键词：铝蜂窝;整体吸能装置;仿真分析;静压试验

0  引言

根据世界铁路严重事故的统计资料发现，造成重大人员伤亡的火车事故中碰撞事故占到了56%，即碰撞仍然是列车面临的主要事故风险之一。尽管世界各国采用了先进的通信信号系统、调度控制等主动防护技术来规避列车碰撞事故的发生，但是列车碰撞事故还是无法完全避免，因此英国、欧盟、美国等地区制定了强制性轨道列车耐撞性设计标准，对车辆碰撞耐撞性性能指标提出了新的要求[1]。

防爬/吸能装置是轨道交通车辆车体耐撞性设计的重要组成部分，本文针对某蒙皮蜂窝式整体吸能装置设计指标，通过有限元仿真分析方法对蒙皮蜂窝式整体吸能装置进行参数设计，并采用静压试验开展试验验证，结果表明部件各性能参数满足技术指标。

1  吸能装置结构介绍

蒙皮蜂窝式整体吸能装置主要由安装板、蜂窝芯（铝蜂窝）、蒙皮、前面板四部分组成，如图1所示。其中，蒙皮蜂窝式整体吸能装置通过安装板与车体连接;蜂窝芯在碰撞过程中起缓冲吸能的作用，通过塑性变形将冲击动能转换为内能;蒙皮主要为保护蜂窝心的作用，与蜂窝芯共同产生塑性变形，且于接触界面存在耦合作用以增加稳定性;前面板采用刚度较大的钢板，以保证蜂窝芯可以均匀压缩。

对于图1所示外形尺寸的吸能装置，如果仅采用试样试验进行迭代设计以确定各设计参数，必将造成经济成本高、设计周期长的困扰，因此，首先采用有限元仿真分析方法对其结构尺寸、蜂窝强度等主要参数进行迭代优化，然后进行试验验证;其中，该吸能装置主要压缩性能指标如表1所示。

2  吸能装置压缩仿真

针对表1中吸能装置吸能指标要求，基于如下工况展开吸能装置有限元仿真分析，以确定设计参数，具体工况为：

①单个吸能装置，安装板固定，移动壁障自前端板向安装板移动;

②两个吸能装置轴向对称放置，两前端板对齐贴合，一装置安装板固定，移动壁障自另一装置安装板向其移动。

2.1 数值计算模型

利用有限元软件HyperMesh和LS-DYNA构建蜂窝式整体吸能装置轴向压缩数值计算模型，如图2所示;其中，移动刚性墙以1m/s恒定速度沿轴向移动运动压缩吸能装置，蜂窝芯、蒙皮、前端板、安装板等采用4节点壳单元模型（Belytchko-Tsay）建立计算模型，单元厚度方向设置5个积分点，单元尺寸为5mm，其中，蜂窝芯通过扩大孔径和调整壁厚来控制网格规模，且胶粘面设为单一壁厚的两倍[2～3];各部件及部件自身均设置为自动接触，所有接触摩擦系数均设置为0.2。

对于蜂窝、蒙皮、前端板、安装板等部件，其材料本构采用LS-dyna中的123号材料模型（MAT_MODIFIED_PIECEWISE_ LINEAR_ PLASTICITY）进行描述，各部件所采用材料型号及力学性能，如表2所示。

2.2 计算结果分析

基于2.1所构建的数值计算模型，开展蒙皮蜂窝式整体吸能装置相应工况仿真计算，并提取仿真结果中的位移数据和支反力数据来验证吸能装置性能参数是否满足表1要求;通过系统迭代优化计算，确定蒙皮厚度为3mm，蜂窝强度为5MPa。

2.2.1 单个吸能装置压缩计算结果

图3呈现了单个吸能装置压缩数值模拟形态变形过程;由图3可知，蒙皮与蜂窝于压缩过程中变形协调有效，吸能装置未产生屈曲失稳，符合设计预期。

图4为提取吸能装置压缩仿真过程中的支反力所绘制压缩力-位移曲线;由图4可知，吸能装置于压缩初始存在触发峰值，之后稳定在某一稳态值附近，至压缩310mm后，压缩力显著提高，该现象主要由蜂窝进入密实阶段所致;计算可得吸能装置平均压缩力约1328kN，与表1设计值偏差约1.6%;通过对压缩力-位移曲线进行积分，可求得吸能量為461kJ;由此可见，单个吸能装置压缩工况下，其有效压缩行程、平均压缩力、总吸能量均满足表1设计指标。

2.2.2 两个相同吸能装置对压计算结果

图5呈现了两个相同吸能装置对压数值模拟形变变形过程;由图5可知，吸能装置蒙皮与蜂窝变形协调有效，且各吸能装置最终变形形态呈对称分布，且整体未产生屈曲失稳现象。

图6为提取吸能装置压缩仿真过程中的支反力所绘制压缩力-位移曲线;由图6可知，吸能装置于压缩初始存在触发峰值，之后稳定在某一稳态值附近，至压缩622mm后，压缩力显著提高，该现象主要由蜂窝进入密实阶段所致;计算可得吸能装置平均压缩力约1436kN，与表1设计值偏差约6.3%;通过对压缩力-位移曲线进行积分，可求得吸能量为900kJ;由此可见，两个吸能装置对压工况下，吸能装置的有效压缩行程、平均压缩力、总吸能量均满足表1设计指标。

由数值模拟结果可知，经过优化的蒙皮蜂窝式整体吸能装置于两种计算工况下变形稳定，且有效压缩行程、平均压缩力、总吸能量满足设计指标。

3  吸能装置压缩试验

基于第2章节数值计算所确定设计参数，试制蒙皮蜂窝式整体吸能装置样件，并参照计算工况进行试样静压试验，以验证吸能装置压缩性能。

图7为蒙皮蜂窝式整体吸能装置试验现场，试验设备为大型油压机。

图8为吸能装置试验后试样变形状态，仿真结果与之基本一致。

图9为吸能装置静压试验与仿真的压缩力-位移曲线对比，两者趋势基本一致，但初始触发峰值误差较大，该现象主要由于试样试制过程中蜂窝芯进行了预压处理。

表3、表4分别为吸能装值两种工况下的性能参数比较，仿真与试验结果除初始峰值力外，误差均在10%以内，满足工程设计要求，进而说明所采用的仿真建模方法具有较高的可靠性。

4  结论

①通过对比数值模拟结果及试验结果，发现数值模拟结果较为可靠，防爬器设计初期可通过数值模拟的手段降低试验成本和试验周期;②通过试验结果可以发现，本文中的蒙皮蜂窝式整体吸能装置在两种工况下满足压缩性能要求。

参考文献：

[1]雷成，肖守讷，罗世辉，等.轨道车辆耐碰撞性研究进展[J]. 铁道学报，2013（1）：31-40.

[2]郭正辉，朱西产，李霖.汽车碰撞蜂窝铝壁障有限元建模方法研究[J].佳木斯大学学报（自然科学版），2013，31（1）：43-47.

[3]Yasuki T， S Kojima. Application of Alumium Honeycomb Model Using Shell Elements to Offset Deformable Barrier Model[J]. International Journal of Crashworthiness， 2009， 14（5）：449-456.

作者简介：于洋洋（1988-），男，工程师，主要研究方向为轨道车辆被动安全技术。