预折叠蜂窝结构吸能特性仿真研究

牛旭,卢嘉茗,陈秉智,秦睿贤

(1.大连交通大学 机械工程学院,辽宁 大连 116028;2.大连交通大学 机车车辆工程学院,辽宁 大连 116028)

随着我国高速列车的发展,被动安全性问题已经成为备受关注的课题[1-6]。被动防护系统是高速列车的最后一道安全防线。车辆碰撞动能以可控变形耗散,确保乘客安全。结构受到的冲击载荷以合理的方式吸收,以降低乘客损伤[7]。

重量轻、强度高的蜂窝结构,被广泛用于吸能结构轻量化设计中。预折叠设计是提升蜂窝结构耐撞性的有效方法之一,与传统蜂窝结构相比,预折叠结构具有更好的能量吸收能力和更高的抗破碎能力。Ha等[8]提出一种仿生分层圆形蜂窝结构,通过准静态压缩试验和有限元分析研究其耐撞性能,结果表明与相似厚度的圆形蜂窝机构相比,新结构比吸能提升45.3%,比同体积的传统结构提升71.2%。Xiang等[9]设计了一种新型仿生蜂窝结构,研究了在轴向冲击载荷下的能量吸收特性,发现在蜂窝节点添加圆柱管,其能量吸收特性优于在蜂窝中间添加圆柱管的情形。Ajdari等[10]通过小尺寸的六边形替换正六边形蜂窝网格的每个顶点,构造一级和二级分层蜂窝结构,通过数值模拟和试验方法研究其力学行为,并调整分层蜂巢的结构组织,实现控制各向同性面内弹性特性。Zhang等[11]使用AlSi10Mg材料制备了单尺度蜂窝结构、两层和三层蜂窝结构,并对蜂窝结构在准静态和动态压缩下的响应进行了模拟和试验分析。结果表明:在质量相同的前提下,分级蜂窝比单尺度蜂窝具有更好的能量吸收能力,在面外压缩下蜂窝结构的初始峰值力对结构分级不敏感。

蜂窝结构具有较高的轴向强度,能改善能量吸收效率,但同时也可能引起初始峰值载荷的升高。预折叠结构可降低初始峰值载荷,常用于变形诱导,来控制薄壁结构坍塌后的变形模式,是提升薄壁结构能量吸收特性的有效手段。通过预折叠与蜂窝结构相结合来优化蜂窝结构的研究相对较少。因此,本文设计了一种具有预折叠单元的蜂窝结构(GHPF),研究其轴向的压缩性能,为高速动车吸能结构提供设计参考。

1 预折叠单元的蜂窝结构

将预折叠结构单元引入蜂窝结构中,有利于降低初始峰值载荷,控制结构变形模式。新结构中相邻的预折叠板与六边形管单元连接,以抵消预折叠结构间几何上的干涉。GHPF结构几何参数见图1,结构整体由15个等效单元组成,以3×5的方式排布。结构整体高度为H,预折叠角度为θ,半个折叠周期的高度为h;在截面方向上,结构整体截面宽度为X,截面长度为Y, 等效单元壁长度为L,其中,预折叠壁长度为l, 六边形单元管壁长度为c。折叠角度θ与六边形管壁长度c和半折叠周期高度h之间存在的几何关系为:

图1 GHPF结构参数

(1)

(2)

等效单元壁长度L与六边形管壁长度c及折叠壁长度l之间的关系为:

(3)

等效六边形单元和六边形管之间呈现功能梯度分级,本文为研究它们之间的比例关系对结构性能的影响,提出单元比例K,K的定义为:

(4)

式中:L为等效六边形单元壁长度;c为六边形管壁长度。

2 GHPF结构材料力学性能

本文采用选区激光熔化技术(SLM)制备AlSi10Mg合金拉伸试件(图2),进行热处理(530 ℃下保温2 h,随后水淬至室温)提高塑性。材料应力-应变曲线见图3。材料杨氏模量E=70 GPa,泊松比μ=0.3,初始屈服极限σy=112.7 MPa。

图2 试件尺寸及SLM打印试件

图3 热处理后AlSi10Mg的工程与真实应力-应变曲线

3 数值模拟

3.1 有限元建模

本文采用LS-DYNA软件进行蜂窝的吸能模拟,有限元模型见图4。蜂窝底部固定位移自由度,顶部被刚性压板以10 mm/ms 的恒定速度进行轴向压缩。考虑管件自接触,刚性压板与管件之间为自动面面接触关系,接触动摩擦系数与静摩擦系数均设为0.15,管件总高度H为80 mm。

图4 有限元模型

拟定GHPF蜂窝结构的壁厚为0.5 mm,单元尺寸由3 mm逐渐减小,以蜂窝结构的初始峰值力PCF和模型计算时间作为收敛性评价指标。计算不同单元尺寸的GHPF蜂窝模型,结果发现,当单元尺寸从1 mm降低至0.5 mm时,CPU计算时间由856 s增加到2 658 s,平均碰撞力由135.28 kN降低至134.73 kN,平均碰撞力变化率为0.4%,可以认定模型结果收敛。模型细化带来的结果精度提升较小,计算效率大幅降低,故本文选择1 mm作为GHPF蜂窝有限元模型的单元尺寸。

3.2 模型参数

GHPF结构仿真模型单元比例因子K= 2,折叠周期N= 4。GHPF结构总质量为203.2 g,总高度为80 mm,截面宽度和长度分别为120 mm和90.93 mm。

需要注意的是,当K= 1时,相邻六边形管壁重合,等效单元壁长度L与六边形管中心连线长度相等,GHPF结构退化为传统六边形蜂窝结构(图5)。

图5 传统六边形蜂窝结构

3.3 响应结果分析

GHPF仿真响应见表1。与传统蜂窝结构相比,GHPF结构的初始峰值力(PCF)显著降低,降幅为24.9%;比吸能(SEA)和平均压溃力(MCF)均提升12.6%。同时,GHPF结构比传统蜂窝结构具有更高的载荷一致性,平均压溃力效率(CFE)提高了40.9%。

从图6中可以看出,传统蜂窝结构经历初始峰值载荷后,压溃力迅速下降至平台阶段,并始终处于较低水平,直至进入致密化阶段。而GHPF结构在经历峰值载荷后,出现周期震荡,在进入平台阶段后,平台力始终高于传统结构。

图6 GHPF结构与传统蜂窝结构的力-位移曲线

GHPF结构与传统蜂窝结构的变形对比见图7。从图7的对比可知, 两者差距明显。传统结构表现出典型蜂窝结构变形,在受到面外压力时,结构从端部开始变形,逐步进入渐进屈曲,直至压溃结束。从云图可以看出,传统蜂窝塑性区分布均匀,高应变塑性区相对较少。而预折叠单元的变形诱导使结构整体产生了4个完整的褶皱,这是GHPF结构峰值载荷较低的主要原因。同时,结构中的六边形单元轴向变形未受到较大影响,除周边单元表现出整体屈曲模式外,其余六边形单元变形稳定,轴向支撑效果明显。GHPF结构的预折叠单元与六边形单元间相互作用使结构性能有所提升。

(a) 传统蜂窝

综上,GHPF结构耐撞性能良好,在能量吸收、比吸能、平均压溃力及平均压溃力效率等方面优势明显。

4 结论

本文将预折叠结构与蜂窝结构相结合,设计了一种具有预折叠单元的新型蜂窝结构(GHPF),使用非线性有限元软件LS-DYNA模拟了结构的面外冲击过程。数值结果表明,与传统蜂窝结构相比,新型蜂窝在提升SEA的同时,有效降低了PCF。分析发现,GHPF结构在压缩变形过程中,六边形单元主要起支撑作用,预制叠单元主要起变形诱导作用,实现了结构性能强化。

轴向载荷作用下,具有预折叠单元的蜂窝结构展现出优异的耐撞性能。新结构可以作为现有填充蜂窝的替代结构,以提高列车吸能特性,为吸能系统元件的选型提供有益参考。