试论轨道轨道车辆新型车端专用吸能装置

论文导读：0052，China）Abstract：Inordertoimprovethecrashworthinessofrailvehicles，anewspecialenergyabsorbingcomponentatvehicleendwasdesignedaccordingtotheenergyabsorbingprincipleofaxialcuttingandcompressionprocessofthinwalledmetalstructure.Anequivalentthreedimensionalfin
摘要： 为了提高轨道车辆的耐碰撞性，利用金属薄壁结构轴向切削和压缩过程吸收能量的原理，设计了一种新型车辆端吸能装置；采用显式有限元软件LSDYNA建立了吸能装置吸能过程的等效三维有限元模型，并对吸能过程进行数值模拟；分析了切削深度、刀具前角和切屑圆心角等参数对吸能装置吸能性能的影响.研究结果表明，新型吸能装置吸收的能量、界面力与切削深度、切屑圆心角成正比，与刀具前角成反比，受切削深度的影响较小；新型吸能装置的冲程效率可达100%，压缩力效率和总效率可达70%以上，高于现有吸能装置.
关键词： 轨道车辆；切削和压缩；专用吸能装置；显式有限元
： ANew Special EnergyAbsorbing Component at
Vehicle End of Rail VehiclesLEI Cheng1，2，XIAO Shoune1，LUO Shihui1
（1. Traction Power State Key Laboratory， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China； 2. Vehicle Engineering Department， Zhengzhou Railway Vocational & Technical College， Zhengzhou 450052， China）
Abstract：In order to improve the crashworthiness of rail vehicles， a new special energyabsorbing component at vehicle end was designed according to the energyabsorbing principle of axial cutting and compression process of thinwalled metal structure. An equivalent threedimensional finite element model for the absorbing process of energyabsorbing component was established using the explicit finite element software LSDYNA， based on which a numerical simulation of the energyabsorbing process was made. The influences of cutting depth， tool rake angle， and chip central angle on the performance of the energyabsorbing component were analyzed. The results show that the energy absorption and interface force of the energyabsorbing component was proportional to the cutting depth and chip central angle， and inversely proportional to the tool rake angle， but was little affected by cutting depth. The stroke efficiency of the new energyabsorbing component can arrive at 100%， and its compression efficiency and gross efficiency can reach more than 70%， all higher than those of the existing energyabsorbing component.
Key words：rail vehicles； cutting and compression； special energyabsorbing component； explicit finite element
运动的轨道车辆，特别是客运车辆，在发生意外碰撞或脱轨倾覆等重大事故时，如果巨大的动能不能在瞬间消散，将会导致人员伤亡和财产损失.为了确保在碰撞发生时，减缓事故对乘员区域的不利影响，必须提高轨道车辆的耐碰撞性能.
英国在20世纪90年代，通过耐碰撞机车车辆的设计、制造和试验，证明了采用多级能量吸收系统能够明显提高列车碰撞事故中车体结构的安全性.因此，现代轨道车辆主要采用多级能量吸收系统吸收撞击能量，作为其中最重要的组成部分，车端专用吸能装置的性能直接决定了轨道车辆的耐碰撞性.美国、德国、日本和韩国等国家对列车碰撞过程中的吸能进行了大量的研究[25].
我国对轨道车辆碰撞问题的研究始于20世纪90年代中期，虽然起步较晚，但对列车端部的专用吸能装置进行了大量的研究.文献[69]将金属切削加工技术应用到轨道车辆的被动安全防护上，对金属切削吸能在轨道车辆上的应用，以及金属切削吸能过程的吸能特性进行了相关研究，但只是对这种吸能方式进行了基础研究，对采用这种吸能原理的吸能装置也只进行了可行性研究.
本文利用金属薄壁结构轴向切削和压缩作为吸能原理，设计一种新型车端专用吸能装置.基于显式有限元理论，对新型吸能装置的吸能过程进行数值模拟，研究切削参数对新型吸能装置吸能性能的影响，并与现有吸能装置进行比较.西南交通大学学报第48卷第4期雷成等：轨道车辆新型车端专用吸能装置1轨道车辆新型车端专用吸能装置新型专用吸能装置的结构原理如图1所示.图1中，吸能装置由安装在车体底架上的切削刀具、刚性块以及吸能管组成.吸能装置固定在车体底架缓冲梁上，碰撞事故发生时，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，刀具切削吸能管，切屑层金属在刀具刃口和前后刀面的推挤、摩擦作用下，发生剪切滑移变形和摩擦变形[10]，形成切屑耗散撞击能量.切削一定行程后，吸能管已被切削的部分与刚性块接触，产生塑性变形，进一步吸收撞击能量，从而达到大量耗散列车动能的目的. 列车端部的专用吸能装置主要在列车发生中度碰撞（冲击速度在18～36 km/h之间）时发生作用，吸收撞击能量[11].新型吸能装置中的导向管机构能够传递碰撞过程中导致的附加弯矩，使吸能装置在列车发生中度碰撞时，保证各个刀具受载均匀，吸能管具论文导读：/s，新型吸能装置吸能过程的等效三维有限元模型如图3所示.2.1吸能管材料本构模型本文采用JohnsonCook本构模型模拟吸能管材料，该模型在温度从室温到材料熔点温度范围内都是有效的，三项乘积分别反映了应变硬化、应变率硬化和温度软化对材料流动应力的影响，特别适合用于模拟高应变率下的金属材料.图3吸能装置吸能过程的
有稳定的变形形式.此外，在安装空间允许的条件下，还可以采用多级能量吸收结构，图2为新型吸能装置二级吸能结构的示意.
图1新型专用吸能装置结构原理
Fig.1Structural principle diagram of the new special
energyabsorbing component
图2新型专用吸能装置二级吸能结构示意
Fig.2Sketch of the new special energyabsorbing component
with a twostage structure
2吸能装置三维有限元模型的建立随着计算机技术与有限元理论的发展，有限元法已经成为研究金属薄壁结构切削和压缩吸能过程的有效手段.本文采用非线性显式有限元软件LSDYNA模拟新型吸能装置的吸能过程.
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　假设刀具在切削过程中不发生变形，采用硬质合金，用刚体模拟，刚性块也用刚体模拟.刀具为圆弧形，以恒定的速度切削吸能管，已被切削的不等壁厚吸能管一端固定，另一端被刚性块以与切削速度相同的速度压缩.
本文对壁厚6 mm、内径100 mm、长200 mm的4340钢吸能管、8个刀具，以不同切削深度、切屑圆心角、刀具前角的吸能装置的吸能过程进行了模拟.其中刀具前角为10°、切屑圆心角10°、切削深度3 mm、切削压缩速度为10 m/s，新型吸能装置吸能过程的等效三维有限元模型如图3所示.
2.1吸能管材料本构模型本文采用JohnsonCook[12]本构模型模拟吸能管材料，该模型在温度从室温到材料熔点温度范围内都是有效的，三项乘积分别反映了应变硬化、应变率硬化和温度软化对材料流动应力的影响，特别适合用于模拟高应变率下的金属材料.
图3吸能装置吸能过程的等效三维有限元模型
Fig.3Equivalent threedimensional
finite element model for
the energy absorption process
该模型使用的等效流动应力为
=（σy+Bn）（1+Cln ）×
1-θ-θroomθmelt-θroomm，（1）
式中：
θ、θroom和θmelt分别为变形温度、室温（取20 ℃ ）和材料熔点；
σy为材料的屈服应力；
B为应变硬化常数；
C、n、m为材料特性系数，可通过材料试验或切削试验方法获取.
4340钢吸能管的JohnsonCook模型材料参数如表1所示.
表14340钢的材料参数[1213]
Tab.1Material parameters of 4340 steel[1213]
材料参数数值密度/（kg·m-3）7 830弹性模量/GPa208泊松比0.3σy/ MPa792B/ MPa510C0.014n0.260m1.030
2.2切屑与母体材料分离准则新型吸能装置的切削吸能过程是一个切屑与母体材料不断产生分离的过程，切屑分离准则的确定对于成功实现切削吸能过程的数值模拟至关重要.
Johnson和Cook提出将应变率、应变、温度和压力都考虑进去的剪切失效准则.这个准则与实验相结合，特别适用于金属高应变率变形[14].
JohnsonCook剪切失效模型是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，假定失效发生.失效参数定义为[15]
D=∑Δplf，pl，（2）
式中：
Δpl为等效塑性应变增量；
f，pl为失效应变，定义
f，pl=d1+d2expdq1+d4lnεplε0×
1+d5θ-θroomθmelt-θroom，（3）
式中：
d1～d5为在变形温度或低于变形温度情况下的失效参数.
4340钢吸能管JohnsonCook剪切失效模型中d1～d5的值如表2所示.
表2吸能管JohnsonCook模型中的失效参数[1516]
Tab.2JohnsonCook failure law parameters
of energyabsorbing tube[1516]
失效参数d1d2d3d4d5比值0.0503.440-

2.1200.0020.610

本文应用Johnson和Cook提出的材料失效准则并结合失效单元删除的方法，实现了切屑与母体材料的分离.3吸能装置的数值模拟结果对图3中所建立的新型吸能装置的等效三维有限元模型进行数值模拟.切削吸能过程中， 7 ms时的最大剪应力云图如图4所示.
从图4可以看出，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，与母体材料分离，产生塑性变形，然后，沿前刀面流出.在流出的过程中，受摩擦力作用再次发生滑移变形，最后形成切屑，在这个过程中吸收能量.
压缩吸能过程中，1

2.5 ms时的等效应力云图如图5所示.

从图5可以看出，在刚性块以恒定的速度压缩不等壁厚吸能管的过程中，吸能管产生“手风琴”式的塑性变形，吸收能量. 图4切削吸能7 ms时的最大剪应力云图
Fig.4The maximum shear stress nephogram of
cutting energy absorption at 7 ms
图5压缩吸能1

2.5 ms时的等效应力云图

Fig.5The vonMises stress nephogram of
compressive energy absorption at 1

2.5 ms

4各参数对吸能装置吸能性能的影响新型吸能装置的吸能性能与刀具前角、切屑圆心角和切削深度密切相关.4.1刀具前角当切屑圆心角为30°、切削深度为3 mm、切削压缩速度为10 m/s时，刀具前角对吸能装置界面力峰值和吸能的影响如表3所示.
表3刀具前角对界面力峰值和吸能的影响
Tab.3Influence of tool rake angle on
the peak interface force and energy absorption
刀具前角/（°）界面力峰值/kN吸能/kJ54 458726.15104 05862

3.51203 438512.72

从表3可以看出，刀具前角越小，吸能装置吸收的能量越大，界面力峰值越大.4.2切屑圆心角当刀具前角为10°、切削深度为3 mm、切削压缩速度为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4所示.
表4切屑圆心角对界面力峰值和吸能的影响
Tab.4Influence of chip central angle on
the peak interface force a论文导读：
nd energy absorption
切屑圆心角/（°）界面力峰值/kN吸能/kJ102 799380.4203 37051

1.5304 058623.5

从表4可以看出，切屑圆心角越大，吸能装置吸收的能量越大，界面力峰值越大.4.3切削深度当刀具前角为10°、切屑圆心角为10°、切削压缩速度为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5所示.
表5切削深度对界面力峰值和吸能的影响
Tab.5Influence of cutting depth on源于：论文写法www.7ctime.com
the peak interface force and energy absorption
切削深度/mm界面力峰值/kN吸能/kJ2.02 700380.42.52 74838

1.53.02 799382.1

从表5可以看出，切削深度越大，吸能装置吸收的能量和界面力峰值也越大，但总体增加不多，影响不明显.
综上所述，吸能装置吸收的能量和界面力与切削深度和切屑圆心角成正比，与刀具前角成反比，但受切削深度的影响不大.5与现有吸能装置性能的比较5.1吸能装置载荷位移曲线新型吸能装置吸收的能量和界面力与切削深度和切屑圆心角成正比，与刀具前角成反比.选取参数不同的新型吸能装置，在同等条件下，与现有吸能装置的载荷位移曲线进行比较.新型吸能装置A、B、C的刀具前角和切削深度均为10°和3 mm，切屑圆心角分别为10°、20°和30°.3种新型吸能装置和现有吸能装置的载荷位移曲线的对比分别如图6～8所示.
文献[17]指出，吸能装置要尽可能多的吸收能量，其力冲程特性需近似为四边形.
从图6～8可以看出， 3种新型吸能装置的切削吸能过程的载荷位移曲线近似四边形，是理想的能量吸收方式.
从图中还可以看出，现有吸能装置的第一个界面力峰值出现在5.3 ms，新型吸能装置A、B、C首先进行的切削吸能过程的第一个界面力峰值分别出现在17.5、17.5和1

4.0 ms，说明新型吸能装置的切削吸能过程对界面力峰值出现时间的调控能力更强.

图6新型吸能装置A与现有吸能装置的对比
Fig.6Comparison between the new energyabsorbing
component A and the existing energyabsorbing device图7新型吸能装置B与现有吸能装置的对比
Fig.7Comparison between the new energyabsorbing
component B and the existing energyabsorbing device图8新型吸能装置C与现有吸能装置的对比
Fig.8Comparison between the new energyabsorbing
component C and the existing energyabsorbing device
另外， 3个新型吸能装置的压缩吸能过程中的界面力峰值均比现有吸能装置对应的界面力峰值小.并且随着切屑圆心角的增大，薄壁吸能管被切削部分（不等壁厚吸能管）越容易被压缩，界面力峰值和平均值也随之越小.新型吸能装置在有效行程内，界面力波动相对较小，所有这些都有利于实现吸能装置在整个作用过程中匀减速吸能过程的实现.5.2吸能装置吸能性能评价指标能量吸收装置性能的优劣可以通过各种指标进行评价，选取参数不同的两个新型吸能装置，与同等条件下的现有吸能装置的性能进行比较.新型吸能装置D的刀具前角、切屑圆心角和切削深度分别为10°、10°和2 mm.新型吸能装置E的刀具前角、切屑圆心角和切削深度分别为5°、30°和3 mm.新型吸能装置与现有吸能装置吸能性能的评价指标的对比如表6所示.
表6吸能装置吸能性能的评价指标对比 Tab.6Comparison of evaluation indexes of
energy absorption performance
among energyabsorbing components
指标新型吸能装置DE现有吸
能装置吸能/kJ380.4726.2261.0比吸能/（J·g-1）62.83120.0043.11载荷峰值/kN2 7004 4581 865平均载荷/kN1 9023 6311 305压缩力效率/%70.581.4570冲程效率/%10010070总效率/%70.581.4549.00
从表6可以看出，在切削吸能过程中，不考虑以热能形式耗散掉的能量，新型吸能装置的吸能、比吸能都比现有吸能装置大，特别是新型吸能装置E.
另外，新型吸能装置的冲程效率可达100%，表明充分利用了吸能元件，并且作用行程长.相同容量下，与现有吸能装置相比，新型吸能装置质量轻、体积小，受安装空间的限制小.
从表6可以得到，新型吸能装置D和E的压缩力效率都比现有吸能装置的高.由新型吸能装置E 的评价指标可以看出，随着刀具前角的减小，以及切屑圆心角和切削深度的增大，新型吸能装置的压缩力效率也进一步增大，明显高于现有吸能装置.压缩力效率越低，说明在碰撞发生时载荷峰值越大，对列车的司乘人员带来的冲击就越大，提高压缩力效率可以改善吸能装置的耐碰撞性能，同时降低了碰撞对司源于：论文参考文献www.7ctime.com
乘人员的冲击.
对于代表能量吸收的整体性能指标，新型吸能装置的总效率要明显高于现有吸能装置.
新型吸能装置的载荷峰值和平均载荷稍大，这是由切削吸能的本质所决定的.切削过程是吸能管材料的塑性变形和材料破裂过程.因此，比依靠单一塑性变形的吸能过程产生的界面力大，但也只需将传递到乘员区的载荷控制在允许的范围内.另外，由表6还可以得到，刀具前角越小，切屑圆心角和切削深度越大，新型吸能装置的各项评价指标越理想.
此外，新型吸能装置还可以采用多级设置，利于按设计要求控制碰撞过程中的界面力和减小速度.改变新型吸能装置的特性和容量，不需要对结构作大的变动，只需要改变刀具的数量，更换不同前角、切屑圆心角和切削深度的刀具就能实现，新型吸能装置的可控性、适应性和灵活性较好.6结束语（1） 新型车端专用吸能装置吸收的能量和界面力与切削深度、切屑圆心角成正比，与刀具前角成反比，受切削深度的影响不大.
（2） 与现有车端专用吸能装置相比，新型吸能装置的冲程效率可达100%，压缩力效率和总效率可达70%以上，均高于现有吸能装置，适用性和灵活性更好，应论文导读：stoplasticityusingthevariationalupdateormulaiton.ComputerMethodsinAppliedMechanicsandEngineering，2008，197（68）：706726.田口真.铁道车辆抗冲撞结构的开发.国外铁道车辆，2003，40（6）：2326.TIANKouzhen.Developmentofcrashworthystructureofrollingstock.ForeignRollingStock，20
用前景广泛.
（3） 就吸能装置的吸能能力而言，金属材料塑性大变形和变形之后材料破裂的吸能方式优于金属材料仅发生塑性大变形的吸能方式.参考文献：LEWIS J H. Validation of measures to improve vehicle safety in railway collisions[C]∥International Mechanical Engineering Congress and Exposition. San Francisco： AE， 1995： 1734.
WOLTER W. 铁道车辆的防碰撞要求、设计原理和初步结果[J]. 国外铁道车辆，2004，41（2）： 2330.
WOLTER W. Requirement， design principles and initial results of crashworthy rail vehicles[J]. Foreign Rolling Stock， 2004， 41（2）： 2330.
[3]NOELS L， STAINIER L， PONTHOT J P. A first order energydissipative momentumconserving scheme for elastoplasticity using the variational updates formulaiton[J]. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering， 2008， 197（68）： 706726.
[4]田口真. 铁道车辆抗冲撞结构的开发[J]. 国外铁道车辆，2003，40（6）： 2326.
TIAN Kouzhen. Development of crashworthy structure of rolling stock[J]. Foreign Rolling Stock， 2003， 40（6）： 2326.
[5]KOO J S， KWON T S， CHO H J. 韩国高速列车防撞设计与评估[J]. 中国铁道科学，2004，25（1）： 17.
KOO J S， KWON T S， CHO H J. Korean highspeed railway antiimpact structure design and appraisal[J]. China Railway Science， 2004， 25（1）： 17.
[6]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）： 24432450.
CHANG Ning， LIU Guowei. Simulation for energyabsorbing process of railway vehicle in metalcutting way[J]. Journal of Central University： Science and Technology， 2010， 41（6）： 24432450. [3]源于：毕业论文www.7ctime.com