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题目：地铁车辆复合结构能量吸收的碰撞性能研究
摘 要
本研究提出了一种用于地铁车辆的复合能量吸收结构，并通过实验和数值模拟研究其碰撞性能。该结构主要由前端板，方形，薄壁隔膜，铝蜂窝结构，后端板，和导轨组成。在这项研究中，复合能量吸收结构的有限元（FE）模型由实验数据创建和验证。基于复合能量吸收结构的有效FE模型，在利用LS-DYNA模拟环境中分析管厚度和蜂窝材料参数对复合能量吸收结构的耐冲击性的影响。结果表明，本文所提出的结构提供了一个可控制的模式，能够最大限度地吸收能量，并最大限度地减少碰撞期间的峰值力。管厚度和蜂窝参数影响复合结构的能量吸收。试验结果还表明，随着厚度或蜂窝屈服强度的增加，初始峰值力和平均撞击力增加，而能量吸收不遵循相同的趋势。
第1章 介绍
铁路碰撞事故是比较少见的，然而，碰撞事会不可避免地会造成严重的人员伤亡和财产损失。例如，在2008年9月，洛杉矶的一辆地铁车辆撞向货运列车，造成25人死亡。 2011年9月27日，上海地铁的后端发生碰撞事故，共造成271人受伤。为了保护乘客和机组人员在碰撞事故中受伤，设计者设计了能量吸收结构，并且安装在地铁车辆的前端，车辆的防撞性能因此得到了优化。
迄今为止，许多研究已经使用数学模型和试验研究了能量吸收结构的碰撞性能，并且能量吸收装置和结构的耐冲击性设计已经成为全世界越来越关注的问题。 薄壁管被广泛用作车辆的能量吸收结构[1]，例如铁路，汽车，船舶和飞机。 薄壁管具有简单的结构，具有大的比能量吸收（SEA）并且在轴向压碎载荷下逐渐变形。Nia和Hamedani[2]比较了薄壁管的各种截面形状，发现圆形管吸收最多的能量，而锥形和锥形管经受均匀的负载，降低峰值力，这与平均力相似。Liu[3]使用响应面法优化薄壁管的横截面尺寸以最大化SEA，并且还提出了获得一定精度的最佳结果的有效的简化模型。Hou[4]等人研究了六边形薄壁管的不同截面构造和用于多室六角形管的不同连接方法。Tarigopula[5]等人进行了薄壁，双相，高强度钢顶帽和经受准静态和动态轴向加载的方形截面的实验。其中鉴定了各种崩塌模式并评估了所述切片的相关的能量吸收特性。为了检验低温对材料的机械性能和钢结构的破碎行为的影响，Paik[6]等人进行了一系列拉伸试样和准静态轴向破碎试验，并进行了FE模拟，其中实际方法用于应用建模技术。
变形模式影响圆形管在轴向载荷下的能量吸收，其中塑性破碎模式包括轴对称和非对称模式。轴对称模式通常呈现环形模式，其也被称为手风琴模式，菱形模式和混合模式[7]。方管与圆管不同，其中变形模式可以是紧凑模式或非模式。为了提高能量吸收能力，已经分析了具有所有类型的初始控制器的渐进薄壁管。Nia[8]等人研究了崩解引发剂的作用，其改变管的变形模式和增加破碎力效率。另外，研究引发剂的位置和数量的研究表明，与第一接触侧相反的最高引发剂的能量吸收更大。 Hosseinipour和Daneshi[9]发现，管上的凹槽可以稳定变形行为，以获得低减速度脉冲和控制行为取决于凹槽之间的距离。Gao[10]等人表明包含隔膜的管还可以改变变形模式并改善管的耐冲击性。基于多目标优化方法，Sun[11]等描述并优化了具有功能梯度厚度的薄壁结构的破碎性能。Bambach[12]等人研究了钢 - 碳纤维增强聚合物（CFRP）管对汽车工业典型结构的适用性，并开发了设计复合管的耐冲击特性的理论程序。
此外，多孔材料，例如蜂窝或泡沫材料，具有独特的机械性能，并且在工程中广泛使用。蜂窝材料作为用于中空管的填充材料起到重要作用，以改善复合能量吸收结构的耐冲击性。Paz[13]等人用空心管和蜂窝填充管进行了两个试验。研究表明，蜂窝填充管显示出改善的能量吸收超过中空管，增加了29.1％。此外，蜂窝和管的相互作用影响了能量吸收增加了22％。Bi[14]等人还表明，泡沫填充管的破碎力大于中空管的破碎力，这需要优化管几何形状和泡沫密度。结果表明，具有中等泡沫密度的细长和厚管倾向于具有较大的SEA。关于空的和泡沫填充的薄壁管，由Mirfendereski[15]等人进行了一系列模拟分析和测试以研究许多参数的效果，包括泡沫参数，管参数和输出参数。然而，大多数研究仅集中在单个薄壁金属结构和铝蜂窝结构或简单的泡沫填充和蜂窝填充结构。很少有研究集中在薄壁金属复合结构和铝蜂窝结构的组合，特别是用于地铁车辆的高能量吸收结构。
本文的目的是研究所提出的复合能量吸收结构的碰撞性能，以保护地铁车辆和乘客。在这项研究中，复合能量吸收结构的有限元模型由冲击实验数据创建和验证。基于经验证的复合能量吸收结构的有限元模型，在LS-DYNA模拟环境中分析了厚度和蜂窝材料参数对该结构的耐冲击性的影响。选择初始峰值力，持续时间，平均破碎力和能量吸收作为评价能量吸收结构耐冲击性能的关键指标。
- 方法
2.1 几何描述
这种设计的复合能量吸收结构通常安装在地铁车辆的前端。对于这种结构，薄壁的锥形方管（厚度为3mm）覆盖能量吸收结构如皮肤。管（长度为784mm）具有矩形横截面，其逐渐增加，具有280mmtimes;188mm的碰撞端横截面和280mmtimes;232mm的后端横截面。在方管内，存在两个铝蜂窝结构，其具有相同的长度和宽度，但是具有不同的轴线厚度，其布置成两列，并且在图1中示出。铝蜂窝A和铝蜂窝B的厚度分别为100mm和60mm。沿着纵向方向，这些铝蜂窝结构通过焊接到方管的九个隔膜（壁厚度为2.5mm）彼此分离。在实际结构中（见图3），实验样品中的垂直线是用管制造隔膜的焊接线。水平线也是焊接线，但它用于将两个半管制成一个正方形。通过在模拟模型中共享节点来模拟焊接线。连接到前端板的I形导轨穿过膜片的中心并且将两个蜂窝柱从前端侧分割到后端侧。分别具有6mm和10mm的厚度的前端板和后端板大于方形管，这确保整个结构是封闭的，并且在碰撞期间还提供平坦的接触表面。具体地，在距离碰撞端侧40mm的方管中产生的凹槽被设计成减小第一峰值力，因为它形成塑性铰链。
图1
2.2 碰撞模拟模型的发展
在这项研究中，利用LS-DYNA，明确的非线性有限元代码，进行有限元仿真分析。薄壁部件，例如方管和隔膜，使用Belytschko-Tsay壳元件建模，具有穿过壳厚度的两个积分点和在元件平面中的一个积分点。在前端板，后端板和导轨中采用恒应力固体元件，其相对较厚和刚性。此外，考虑到它们的效率和一致的有效性，蜂窝结构用固体元素建模，并且它们的整体性能使用具有正交各向异性机械性能的“* MAT_MODIFIED_HONEYCOMB”蜂窝材料描述[16]。为了平衡高精度和效率，对于壳单元网格尺寸选择5mm，对于板单元选择8mm。第四个沙漏控制刚度公式用于避免分析期间的沙漏能量。应用“AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE”接触算法和“AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE”接触算法分别用于复合能量吸收结构的自接触和复合能量吸收结构与刚性壁之间的接触。静摩擦系数和动摩擦系数分别定义为0.3和0.1。
2.2.1 钢结构的材料模型
除了铝蜂窝结构之外，能量吸收结构的所有部分由不锈钢Q235建模。 因为这种类型的动态碰撞产生高度可变形的行为，其受到应变率效应的严重影响，选择分段线性与Cowper-Symonds材料模型来模拟钢。基于文献[17]，Cowper-Symonds模型能够对低应变率条件下的应变率效应做出反应。 在该模型中，动态屈服应力通过静态屈服应力按比例缩放，如下面的等式所描述的：
其中sigma;y是屈服应力，C和P是应变率参数。对于Cowper-Symonds模型，ε是应变率，sigma;0是初始屈服应力，εefpf是等效塑性应变;Ep是塑性硬化模量，其通过切线模量和弹性模量计算;而beta;是硬化参数，其在0和1之间变化，分别对应于运动学和各向同性硬化。钢的机械性能如表1所示。
表1
2.2.2 蜂窝的材料模型
* MAT_MODIFIED_HONEYCOMB材料模型，用于建模铝蜂窝结构。包含双厚度孔道壁的典型的蜂窝状芯结构如图2所示。其中L是蜂窝芯的长度，W是蜂窝芯的宽度，B是蜂窝芯的厚度，t是铝箔的厚度，l和h是单元电池的边长 ，theta;是单元单元的单元壁角; 对于常规细胞，l=h,theta;= 30°。根据文献[18,19]，具有双厚度孔壁的正交各向异性蜂窝结构的弹性常数可以使用以下公式获得：
图2
其中Es和Gs分别是完全压实的蜂窝材料的杨氏弹性模量和剪切模量屈服应力; rho;是质量密度; Eu 11，Eu 22和Eu 33是处于未压缩构型的蜂窝体的三个弹性模量; Gu12，Gu13和Gu23是处于未压缩构型的蜂窝体的三个剪切模量。
在这项研究中，蜂窝结构的蜂窝尺寸t *l* h为0.06* 1.5* 1.5mm。蜂窝模型的实验验证由谢和周[20]进行。表2列出了蜂窝结构的详细材料参数。
表2
2.2.3 蜂窝的材料模型
在模拟模型中，能量吸收结构固定在冲击手推车的前端。 冲击小车的质量为1600kg。 包括能量吸收结构的冲击手推车以16.7m / s的速度行进并撞击固定的刚性壁。 在压缩过程中，能量吸收结构的前端板保持相对静止，而后端板沿导轨移动并压缩蜂窝和薄壁方管。
2.3 实验装置
为了观察能量吸收结构的高速碰撞行为并验证数值模型的有效性，对能量吸收结构进行了全尺寸的动态试验，如图3所示。电动机提供动力，使1600公斤冲击手推车达到高速，其由钢丝绳拉动。当冲击小车达到期望的速度，即16.7m / s时，电动机接收到停止拉动钢丝绳的信号。此外，在撞击手推车撞击刚性壁之前，启动预组装的自动脱钩装置以将冲击手推车与绳索分离。红外触发设备记录了撞击小车的速度，并向高速摄像机发送信号，捕获了能量吸收结构的破碎序列，并获得了用于分析动态行为的数据。
2.4 参数研究
进行参数研究，分析薄壁方管厚度和蜂窝材料参数对复合能量吸收结构碰撞性能的影响。测试了三种类型的蜂窝体和三种类型的方管厚度。在该研究中，三种类型的蜂窝被表示为蜂窝1，蜂窝2和蜂窝3，其中蜂窝尺寸（t l h）分别为0.06plusmn;2.0 2.0mm，0.06plusmn;1.5mm和0.06plusmn;1.0mm。不同蜂窝结构的详细材料参数列于表3中。表4显示了模拟的设计。T代表钢管厚度并且对于蜂窝2从2mm变化到4mm，但是三种蜂窝类型在T等于3mm的情况下变化。
能量吸收结构的设计概念是产生可控的碰撞模式，以最大限度地吸收能量并最小化碰撞期间的峰值力[21]。为了评价能量吸收结构的耐冲击性能，必须定义几个关键指标，如初始峰值力，持续时间，平均破碎力和能量吸收[5,11,22]。
初始峰值力将导致必须减小的大的不期望的冲击减速。能量吸收测量结构的吸收冲击能量的能力，其必须最大化。结构的能量吸收（EA）测量吸收冲击能量的能力，其可以数学上确定:
其中F（delta;）是瞬时碰撞力，是位移delta;的函数。
对于给定变形的平均碰撞力F也表示结构的能量吸收能力。根据Kazancı和Bathe [22]，这个值可以计算为EA除以压缩位移delta;。
- 结论
3.1 实验结果
为了研究能量吸收结构的碰撞行为并验证能量吸收结构的有限元模型，选择厚度为3mm，薄壁的方管和蜂窝-2的能量吸收结构进行碰撞在与模拟相同的边界条件下进行实验。通过比较力-时间历程曲线和变形过程的测试和模拟结果来评估模拟模型的精度。
实验的合力-时间历程响应曲线和模拟结果如图4所示。可以看出，仿真结果与关键力点的实验值吻合良好。在2ms的时间，力达到第一峰值，并且该值分别为实验和模拟的1360kN和1340kN。因为实验条件比模拟更复杂，力-时间曲线在每个峰值力不能绝对一致。然而，峰值力的数量和峰值力的幅度是相似的。此外，来自实验和模拟的破碎力在基本相同的时间（大约54ms）下降到零，这意味着持续时间也基本上一致，因此，平均撞击力也是一致的，表示这两个结果之间的等效能量吸收。结果表明，实验和模拟的平均碰撞力和能量吸收值分别为474 kN，191.4 kJ和467 kN，185.9 kJ。
图4
从变形过程的不同方面，可以很容易地观察到，模拟中的能量吸收结构的破碎变形模式与实验结果吻合良好。变形结果基本相同，所有方管在对称破碎屈曲模式下变形。管壁经历严重的塑性弯曲或拉伸，其形成向外和向内折叠。来自实验的能量吸收结构的侧视图的时间序列和模拟结果示于图5中。实验结果的变形图像通过在冲击过程期间具有每秒10,000帧的超高帧速率的高速相机获得。可以观察到，导出槽首先在5ms被损坏并导致单个紧凑折叠。然后，随着破碎位移增加而产生额外的折叠。结构在52ms之后几乎被完全压碎，这也是与力持续时间相对应的时间。当能量吸收结构不能产生新的折叠并远离刚性壁时，破碎过程结束。相比之下，由于其准确性，仿真模型可用于下一次分析。
图5
3.2 参数研究
如表4所示，开发了五种类型的碰撞模型来分析方管厚度和蜂窝材料参数对能量吸收结构的耐冲击性的数值模拟的影响。 在模拟试验中，冲击速度为16.7m / s，冲击小车的质量为1600kg。
3.2.1 薄壁方管的厚度的影响
为了研究不同厚度的薄壁方管的影响，选择2型和3型模型，并与基于变形，力和内能的1型模型进行比较。
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