圆孔拉刀式吸能器吸能特性的研究

第 7期 2 0 1 4年 7月 机 械 设 计 与 制 造 M a c h i n e r y De s i g n M a n u f a c t u r e 2 7 圆孔拉刀式吸能器吸能特性的研究 岳伟玲 王喜顺 罗昌杰 于文泽 z 1 华南理工大学 机械与汽车工程学院 广东 广州5 1 0 6 4 1 2 中国科学院 深圳先进技术研究院 深圳5 1 8 0 5 5 摘要 根据轨道车辆吸 能器的吸能要求和金属切 削过程吸收能量 的原理 提 出一种 用于轨道车辆 的新型切屑 式吸能装 置一 圆孔拉 刀式吸能器 在此基础上对圆孔拉刀式吸能器进行初步的结构设计 并利用 A N S Y S I S D Y N A对该切 削式吸 能装置不同的结构和材料以及切削厚度进行了仿真分析 得到了该装置在撞击过程中切削力的时程曲线 并对圆孔拉刀 吸能器的吸能效率进行评估 指出了圆孔拉刀式吸能器的可行性 为进一步探索圆孔拉刀式吸能装置的吸能特性提供指 导作用 关键词 轨道车辆 金属切削 圆孑 L 拉刀式吸能器 仿真分析 切削力时程曲线 吸能效率 中图分类号 T H1 6 U 2 7 0 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 4 0 7 0 0 2 7 0 4 Ro u n d Br o a c h i n g En e r g y Ab s o r p t i o n Ch a r a c t e r i s t i c s o f En e r g y Ab s O r b i n g De v i c e YU E We i l i n g WA N G X i s h u n L U O C h a n g j i e Y U We n z e 1 S c h o o l o f M e c h a n i c a l A u t o mo t i v e E n g i n e e r i n g S o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y G u a n g d o n g G u a n g z h o u 5 1 0 6 4 1 C h i n a 2 S h e n z h e n I n s t i t u t e s o f A d v a n c e d T e c h n o l o g y C h i n e s e A c a d e my o f S c i e n c e s S h e n z h e n 5 1 8 0 5 5 C h i n a A b s t r a c t A c c o r d i n g t o e n e r g y a b s o r p t i o n r e q u i r e m e n t s o ft r a c k v e h a n d t h e p r i n c ip l e oft h e me t a l c u t t i n gp r o c e s s a n e w m e t a l c u t t i n g e n e r g y abs o r b e r r o u n d b r o a c h i n g e ner g y a b s o r b e r u s e d f o r r a i l v e h i c l e p r o p o s e d O n t h i s b a s is t h e p r e l i mi n a r y s t r u c t u r e o f r o u n d b r o a c h i n g e ner gy a b s o r b e r W as d e s i g n e d I t use s A N S Y S L S D Y N Af o r d if f e r e n t s t r u c t u r e s m a t e r i a l s a n d c u t t i n g t h i c k n e s s of t h e m e t a l c u t t i n g e n e r gy abs o r b e r d y n a mi c s i m u l a t i o n I t C an g e t a b s o r b e d e n e r gy and c u t t i n g f o r c e c u r J e T h e n ass e s s e s t h e e f fic ie n c y o fr o u n d b r o a c h i n g e n e r gy abs o r b e r a n dp o i n t s o u t i t s f e a s i b i l i t y I t is b e t t e r g u i l t f o r t h e f u rt h e r r e s e a r c h o n m e t a l cu t t i n g e n e r g y a b s o r b e r Ke y W o r d s Ra i l Ve h i c l e E n e r g y Ab s o r b e r Ro u n d Br o a c h i n g E n e r g y Ab s o r b e r S i mu l a t i o n Cu t t i n g F o r c e t i me Cur v e Ene r g y Abs or pt i o n Effi c i e nc y 1引言 研究表明 随着对列车高速 安全 舒适要求越来越高 仅 靠主动安全防护是远远不够的 提高列车在碰撞过程中的被动安 全防护性显得尤为重要 被动安全防护技术是通过车辆自身结构 耐撞性能装置 吸能器 使车辆在事故发生的瞬间通过吸能装置 将巨大的撞击动能耗散 从而最大可能地保护乘员生命安全的目 的 能量器吸能结构的设计和能量器吸能材料的选择应当适合特 定的目的和工作环境 虽然在具体应用中 结构设计和材料选择 可能显著不同 但需要遵循的普遍原则是 要以可控制的方式耗 散外部输入的能量 结构轻量化和高的吸能能力已经成为当今轨 道车辆被动安全防护吸能装置的发展趋势 3 1 金属切削过程是一个非常复杂的能量转换和物料消耗的非 线性过程 它是利用刀具和工件相对运动去除工件上多余的金属 或余量以获得合乎要求的零件的加工方法之一 在金属切削加 工过程中 工件在刀具的作用下 被切削区域发生塑性变形 然后 被撕裂 生成切屑 切屑生成的过程就是一种典型的金属间摩擦 塑性变形和撕裂因素综合作用的过程 这一过程是一种典型的不 可逆的能量耗散过程 5 1 文献 第一次提出金属切削过程能够用于 吸收车辆撞击的动能 文献f 7 j 生 金属切削吸能器给出的原理图 如 图 1 所示 图指出初始能量可以全部转化为不可逆转的切屑塑形 剪切变形能和切屑刀具之间的摩擦能 2拉削式吸能器初步方案的确定 2 1圆孔拉刀式吸能器主要结构的确定 主要研究圆孔拉刀式吸能器的吸能特性 所以要对该种吸 能器 的吸能特性进行系统的研究 并进行结构参数优化 如图 2 所示 此吸能器主要由相互连接的防爬齿和导向切削模量 导向 切削柱 导向切削刀套 剪切销 组成 导向切削刀套固定于车体 上 导向切削柱前端通过剪切销嵌套在导向切削刀套中 列车在 发生碰撞时 防爬器受到瞬间冲击力作用 在冲击载荷作用下防 爬部推动导向切削柱有沿撞击力方向运动的趋势 当撞击力达到 剪切销的剪切应力时 剪切销被切断 导向切削刀套的切削刃开 始对导向切削柱进行切削 由于切屑的形成及克服刀具与切屑直 接的摩擦要消耗大量的能量 吸能器开始吸能 来稿 日期 2 0 1 3 1 2 1 0 作者简介 岳伟玲 1 9 8 6 一 女 硕士研究生 主要研究方向 机械结构设计与性能分析问题 王喜顺 1 9 5 9 一 男 副教授 硕士研究生导师 主要研究方向 高分子材料成型机械设计及理论 2 8 岳伟玲等 圆孔拉刀式吸能器吸能特性的研究 第 7期 刀 图 l拉刀切削示意图 F i g 1 Br o t h e r h u r t i n g Di a g r a m 图 2拉削式吸能器初 步结构图 Fi g 2 B r o a c h i n g Ty p e P o we r Ab s o r b e r P r e l i mi n a r y S t r uc t u r e 2 2圆孔拉刀式吸能器材料及切削厚度的选择 金属切削法的切削力主要取决于被切削金属的性能 刀具 的工作齿数 切削刃的宽度和金属切削层的厚度 2 2 1导向切削柱材料的选择 一 般情况下 工件材料的强度愈高 切削力就越大 且工件 材料的韧性和冲击韧度越大 表示它在破断之前所吸收的能量愈 多 4 5钢和 Q 2 3 5是普通碳素结构钢 这两种材料含碳量适中 综 合力学性能较好 故选择 Q 2 3 5 和 4 5钢作为试验工件材料 2 2 2导向切 削刀具材料的选择 因为该拉削式吸能器是一次性切削 所以对切削刀具的耐 磨性没有要求 因为工况要求 拉刀要能承受一定的冲击载荷 硬 质合金 Y T 5在钨钴钛合金中耐磨性较差 但强度 抗冲击及抗震 性能较好 适于碳素钢和合金钢间断切削时的粗车粗刨半精刨 所以刀具的材料就选择 Y T 5 2 2 3切削厚度的选择 一 般情况下 金属切削的厚度在 1 O 数量级 而普通机械 加工的精度也在这个范围 所以 该方法对拉刀 金属套筒的加 工精度及装配精度要求非常高 否则 缓冲性能将出现极大波动 6 1 综合考虑吸能效率和定位精度因素 初步设计将工件的切削厚度 定为 0 8 ram l m m和 2 ra m 3 切削吸能过程的数值模拟 切削式吸能过程是一个瞬态的非常复杂的非线性动态冲击 过程 它包含以大位移 大转动和大应变为特征的几何非线性 以 材料弹塑性变形为特征的材料非线性和以接触摩擦为特征的边 界非线性 这些非线性的综合作用使切削式吸能过程的仿真非常 困难 因为 A N S Y S L S D Y N A同时具有 A N S Y S强大的前后处理 功能和 L S D Y N A的非线性求解功能 所 以采用 A N S Y S L S D Y N A对圆孔拉刀式吸能器吸能过程进行仿真分析 3 1材料模型的定义 在结构冲击问题中 往往采用理想塑形模型 在结构塑性动 力学领域内 C o w p e r S y m o n d s 的率相关本构模型是很有名的方 程 它被广泛应用却没有公开发表过 只能引 B r o w n s 大学工程系 的内部报告 其形式为I目 D O 00 1 l 1 t r 0 式中 一在单轴应变率舍 下的动态流动应力 一相应的静态流 动应力 D q 一材料常数 显然 C o w p e r S y m o n d s 方程给出的是应变率和材料的流动 应力之间的关系 只考虑应变率 并不考虑温度的影响 线弹性材料是指不经历任何塑形变形的材料 计算应限制 在线弹性范围内 应力不能超过屈服极限 大多数金属都是各向 同性的 即所有方向的材料特性相同 在弹性变形范围内使用此 材料模型 在金属切削过程中 刀具材料的硬度大于工件材料 不 发生塑形变形 所以把刀具和撞击块定义为线弹性各向同性材 料 工件定义为与应变率相关的各向同性随动塑形材料 3 2有限元模型的创建 网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小 一 般来讲 网格数量增加 计算精度会有所提高 但同时计算规模 也会增加 所以在确定网格数量时应权衡两个因数综合考虑19 1 考 虑到吸能器结构发生塑性变形的模型区域粗大的网格对仿真结 果的影响很大 但不发生塑性变形区域粗大的网格对仿真结果几 乎无影响 为了保证计算结果的精度 对切削层及其附近的网格 进行局部细化 从而得到良好的六面体实体网格模型 为了减少 计算机计算时间 鉴于吸能器结构的对称性 取 1 4结构进行仿 真分析 最终网格划分 如图 3 所示 图 3有限兀网格 11 g型 Fi g 3 F i n i t e E l e me n t Me s h Mo d e l 3 3施加约束和载荷 根据实际工况 对刀具实行全约束 撞击块沿着切削方向以 2 0 m s 的初速度撞击工件 获得切削力 导向切削刀具开始切削 丁 件 吸能过程开始 直到撞击块自动停止为止 4仿真结果分析 4 1不同工件结构对切削力的影响 一 刀其 导向切削柱 a 结构 A No 7 J u l y 2 0 1 4 机 械 设 计 与 制 造 2 9 b 结构 B 一 刀具 r 导向切削柱 e 结构 C 图 4三种不同结构 的导向切 削柱结构 F i g 4 T h r e e Dif f e r e n t Ki n d s o f S t r uc t u r e Gu i d e P i l l a r S t ruc t u r e 根据图4三种不同的结构 设计仿真分析实验及由图5所 得的仿真 曲线结果 如表 1 所示 灿 重 山 I 0 0 0 0 5 0 O 1 0 0 1 5 0 0 2 0 0 2 5 0 0 3 T i me s 图5三种不同结构的切削力一 时间曲线 F i g 5 T h r e e Di f f e r e n t Ki n d s o f Cu t t i n g F o r c e T i me Cu r v e 表 1不同结构仿真分析实验结论表 Ta b 1 Di ff e r e n t S t r u c t u r e Si mu la t i o n E x p er ime n t Co n c l u s i o n 通过图5的仿真分析结果 得到以下结论 1 切削峰值应力发生在碰撞的初始时刻 2 改变切削柱的结构可以有效的降低切削峰值应力 4 2不同切削材料对切削力的影响 不同切削材料的试验设计 如表 2 所示 0 2 5 一 O 2 o 1 5 童0 O o 5 O 1 日 一 I I l 一 0 0 0 1 00 2 0 O 3 T i IT IC s 图6不同工件材料的切屑力一 时间曲线 Fi g 6 Di ff e r e n t Ki n d s o f W o r k p i e c e M a t e r i a l s Cu t t i n g F o r c e Ti me C urve C o l 一 4 一 B 表 2不同工件材料仿真分析实验结论表 Ta b 2 Diff er e n t W o r k p i e c e Ma t e r ials Si mu l a t io n Ex p e r i me n t Re s u l t s T a b l e 从图6中很明显的可以看出B曲线波动较小 切削力较平 稳 且速度最先降为 0 吸能效率较高 与 Q 2 3 5相比 4 5钢比较 适合做导向切削柱材料 4 3不同切削厚度对切削力的影响 对 4 5 钢分别用切削厚度为 o 8 ra m 1 ru m 2 11 1 13 1 进行仿真 分析 实验实施 如表 3所示 结果如图7所示 曲线 A代表 1 2 m m切削厚度的仿真结果 曲线 B代表 1 m m切削厚度的仿真 结果 曲线 C代表 1 2 m n l 切削厚度仿真结果 从图7可以看到 曲线 B相对来讲较平稳 所以 l mm的切削厚度较合理 表 3不同切削厚度仿真分析实验结论表 T a b 3 Si mu l a t i o n Ex p e r i me n t Re s u l t s T a b l e o f Di ff er e n t T h i c k n e s s Cu t t in g 0 2 5 0 2 0 1 5 O 1 O o5 O 八 一 一 f y C o l A 一 曰 一 C O 0 l 0 0l 5 0 0 2 T i me s 图 7不 同切削厚度的切削力一 时间曲线 Fi g 7 C u t t i n g Fo r c e Ti me Cu r v e o f Di f f e r e n t Cu t t i n g Th i c k n e s s O 3 3 备0 2 5 s 富 亭 0 一 一 0 0 o 0 5 0 O 1 0 0 1 5 0 0 2 0 0 2 5 0 0 3 T i me s 图 8结构 C的位移一 时间曲线 Fi g 8 C S t ru c t u r e Di s p l a c e me n t Ti me C u rv e 3 2 0 1 2 3 O 0 O 加 加 机 械 设 计 与 制 造 NO 7 J u l y 2 0 1 4 综上所述 吸能器的初步结构采用 C种结构 切削材料为4 5 钢 切削厚度为 l mm 结构 C的位移一 时间曲线 如图 8 所示 由 该图可知切削的有效行程为 0 2 7 5 m左右 5吸能器的吸能能力评价 吸能器结构原理图 如图 9 所示 吸能结构在碰撞吸能过程 中的载荷一 位移 应力一 应变 曲线示意图 如图 1 0所示 表示 在工作过程中的峰值载荷 表示在工作过程中的平均压缩载 荷 冲击方向 图 9吸能器的结构原理 F i g 9 T h e S t r u c t u r e a n d Pr i n c i p l e s o f P o we r Ab s o r p t i o n De v i c e 图 l 0吸能结构的载荷一 位移曲线示意图 F i g 1 0 L o a d Di s p l a c e me n t Cu r v e Di a g r a m t o f Po we r Ab s o rpt i o n S t r uc t u r e 假设 为冲击过程中被保护对象许用最大加速度 为被 保护对象的总质量 根据轨道车辆的防摩f生 要求目 人体所能承受的 最大加速度为 n 8 g 一般单节车厢的重量为 M 2 0 t 理论上 在 设计吸能结构时 应满足 1 吸能结构的总吸能能力大于等于需吸收的总能量 即 f L d L GL E 2 2 吸能结构在工作过程中其峰值载荷 始终小于许用峰值 载荷 即 F P M n 3 3 吸能结构的总吸能效率 即 鲁 则 由切削力一 时间图 6可知 1 3 0 kN 2 00 kN 由图 9的位移时间曲线可知 0 2 7 5 m 由设 要求可知 E 1 2 0 k J L 0 3 m 吸能器吸收的总能量 E o z 4 F L w4 I 3 0 k N 0 2 7 5 m 1 4 3 k J 尿 1 2 0 k J 吸能器的峰值载荷 4 4 x 2 0 0 k N 8 0 0 k N F e M a 2 0 t x 8 x 9 8 m s Z 1 5 6 8 k N 则满足 吸 能 器 总 吸 能 效 率 鲁 6 0 总吸能效率 匕 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 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 而且 小型化的吸能器将相应提高系统的载客量 载重量 6结论 1 圆孔拉刀式吸能方式具有吸能能力较强 撞击峰值应力 易控制 吸能过程可控等优势 2 圆孑 L 拉刀式吸能器的结构和材 料都对吸能效率有较大影响 可以通过改善其结构和材料来实现 吸能能力的可控性 从而提高吸能效率 3 圆孔拉刀式吸能器利 用金属切削原理吸能是可行的 有很好的应用前景 可以应用到 其他需要吸能装置上 值得进一步研究 参考文献 1 王文斌 轨道车辆 耐碰撞结构及乘员安全 防护技术研究 D1 海 同 济大学 2 0 0 6 Wa n g We n b i n T h e c r a s h w o r t h i n e s s d e s i g n o f r a i l w a y v e h Me a n d p a s s i v e s a f e t y o f o c c u p a n t D S h a n g h a i T o n g j i U n i v e r s i i y 2 0 0 6 2 张振淼 逢增祯 轨道车辆碰撞能量吸收装置原理及结构设计 J 1 困外 铁道车辆 2 0 0 1 3 8 3 1 3 1 9 Z h a n g Z h e n m i a o F e n g Z e n g z h e n P r i n c i p l e s a n d s t ruc t u r e d e s i g n of c o l l i s i o n e n e r g y a b s o rpt i o n e q u i p me n t f o r r a i l c a r s J J F o r e i g n R o l l i n g S t o c k 2 0 0 1 3 8 3 1 3 1 9 3 A A A Al g h a md i C o l l a p s i b l e i mp a c t e n e r g y a b s o r b e r s a n o v e rvi e w l n T h i n Wa l l e d S t r u c t u r e s 2 0 0 1 3 9 2 1 8 9 2 1 3 4 陈 日曜 金属切削原理 M 北京 机械工业出版社 2 0 0 2 C h e n R i y a o P r i n c i p l e s n f Me t a l C u t t i n g M B e i n g Ma c h i n e r y I n d u s t r y P r e s s 2 0 0 2 5 常宁 切削式吸能过程仿真研究 D j 长沙 中 南大学 2 0 0 9 1 1 C h a n g N i n g S t u d y o n s i