雷 成，肖守訥，羅世輝

(1.西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031;2.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院車(chē)輛工程學(xué)院，河南鄭州450052)

0 引言

運(yùn)動(dòng)的軌道車(chē)輛，特別是客運(yùn)車(chē)輛在發(fā)生意外碰撞或脫軌傾覆等重大事故時(shí)，其巨大的動(dòng)能不能在瞬間消散，將會(huì)導(dǎo)致重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失.現(xiàn)代軌道車(chē)輛主要通過(guò)采用多級(jí)能量吸收系統(tǒng)吸收撞擊能量，吸能裝置的性能直接決定了軌道車(chē)輛的耐碰撞性能.因此，亟需開(kāi)展軌道車(chē)輛撞擊能量吸收原理的研究，為新型吸能裝置的研發(fā)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).筆者將金屬切削加工技術(shù)應(yīng)用到軌道車(chē)輛的被動(dòng)安全防護(hù)上，利用切屑的生成過(guò)程吸收列車(chē)的動(dòng)能，降低列車(chē)的減速度.由于金屬薄壁結(jié)構(gòu)切削時(shí)，其吸能性能與刀具的前角密切相關(guān)，因此，筆者對(duì)不同前角的刀具切削金屬薄壁結(jié)構(gòu)的過(guò)程進(jìn)行模擬，研究刀具的前角對(duì)金屬薄壁結(jié)構(gòu)切削吸能過(guò)程的影響.最后對(duì)筆者提出的吸能原理與金屬薄壁結(jié)構(gòu)的壓縮吸能進(jìn)行比較研究.

1 動(dòng)態(tài)仿真顯式有限元

金屬薄壁結(jié)構(gòu)切削過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的塑性變形過(guò)程，通常情況下是在高溫、高速下產(chǎn)生的.當(dāng)前對(duì)金屬切削過(guò)程的研究工作已經(jīng)深入到塑性力學(xué)、有限元法、位錯(cuò)理論以及斷裂力學(xué)等范疇［1］.

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與有限元理論的發(fā)展，有限元技術(shù)已經(jīng)成為研究金屬切削過(guò)程及碰撞吸能過(guò)程的一個(gè)重要手段.顯式時(shí)間積分特別適用于各種結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，如爆炸、碰撞和金屬加工成型等高度非線性問(wèn)題.金屬切削過(guò)程具有動(dòng)態(tài)性、大變形和高度非線性的特點(diǎn)，因此運(yùn)用顯式有限元程序?qū)@一過(guò)程進(jìn)行分析模擬非常適合［2］.筆者擬采用通用的非線性顯式動(dòng)力學(xué)分析程序LS-DYNA模擬金屬薄壁結(jié)構(gòu)的切削吸能過(guò)程.

2 切削吸能過(guò)程的三維有限元模型

刀具采用硬質(zhì)合金，其硬度和強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于金屬薄壁結(jié)構(gòu)材料，用剛體模擬.金屬薄壁結(jié)構(gòu)材料為4340鋼，壁厚6 mm，內(nèi)徑 100 mm，長(zhǎng)200 mm.刀具以10 m/s的恒定速度切削金屬薄壁結(jié)構(gòu).切屑厚3 mm，切屑圓心角30°，刀具數(shù)量8個(gè)，刀具后角5°，刀具圓心角30°.筆者建立了刀具前角分別為5°、10°和20°的金屬薄壁結(jié)構(gòu)切削吸能過(guò)程的三維有限元模型.其中刀具前角為10°的三維有限元模型如圖1所示.

2.1 金屬薄壁結(jié)構(gòu)材料本構(gòu)模型

切削過(guò)程的實(shí)質(zhì)是在一定的條件下，被切削材料在外力作用下，產(chǎn)生一個(gè)從彈性變形到塑性變形(滑移、孿生、晶界滑動(dòng)、擴(kuò)散性蠕動(dòng))再到斷裂(切屑與工件分離)的過(guò)程.切削過(guò)程的等效應(yīng)力—等效應(yīng)變關(guān)系與應(yīng)變、應(yīng)變率、溫度等多種因素有關(guān)［3］.筆者選用 LS-DYNA材料庫(kù)中的Johnson-Cook本構(gòu)模型模擬被切削材料.模型使用下面的等效流動(dòng)應(yīng)力.

圖1 刀具前角為10°的切削吸能過(guò)程三維有限元模型Fig.1 The three-dimensional finite element model of the energy-absorbing process in cutting way when tool rake angle is 10 degree

式中：T，Troom和Tmelt分別為變形溫度、室溫(一般取20°C)和材料熔點(diǎn);A為材料的屈服應(yīng)力，MPa;B為應(yīng)變硬化常數(shù)，MPa;C，n，m為材料特性系數(shù)，可通過(guò)材料試驗(yàn)或切削試驗(yàn)方法獲取.

2.2 切屑與母體材料的分離準(zhǔn)則

金屬薄壁結(jié)構(gòu)的切削過(guò)程是一個(gè)使被切削母體材料不斷產(chǎn)生分離的過(guò)程，切屑分離準(zhǔn)則的確定對(duì)于成功實(shí)現(xiàn)切削過(guò)程模擬至關(guān)重要.在有限元模擬中切屑分離準(zhǔn)則可以分為：幾何準(zhǔn)則和物理準(zhǔn)則.幾何準(zhǔn)則主要基于刀尖與刀尖前單元節(jié)點(diǎn)的距離變化來(lái)判斷分離與否.物理準(zhǔn)則主要基于制定的物理量的值是否達(dá)到臨界值而進(jìn)行判斷.如幾何分離準(zhǔn)則［4］、應(yīng)變能密度準(zhǔn)則［5］、網(wǎng)格重劃分準(zhǔn)則［6］及斷裂準(zhǔn)則［7］等.

Johnson和Cook提出把應(yīng)變率、應(yīng)變、溫度和壓力都考慮進(jìn)去的剪切失效準(zhǔn)則.這個(gè)準(zhǔn)則的特點(diǎn)是和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，因此比較可靠，該失效準(zhǔn)則特別適用于金屬高應(yīng)變率變形，廣泛應(yīng)用于動(dòng)態(tài)仿真數(shù)值模擬.

筆者應(yīng)用Johnson和Cook提出的材料失效準(zhǔn)則并結(jié)合失效單元?jiǎng)h除的方法實(shí)現(xiàn)切屑與母體材料的分離，切削過(guò)程中，當(dāng)?shù)竭_(dá)切屑分離準(zhǔn)則時(shí)，發(fā)生材料失效，失效單元自動(dòng)從模型中刪除，最終實(shí)現(xiàn)切屑的分離.

3 金屬薄壁結(jié)構(gòu)切削吸能分析結(jié)果

3.1 刀具前角對(duì)切屑形狀的影響

隨著刀具的切入，切屑層材料與薄壁結(jié)構(gòu)母體材料逐漸分離形成切屑.刀具前角對(duì)切屑形狀的影響如圖2所示.從左至右，刀具前角依次為20°、10°和 5°，0.01 s時(shí)的最大剪應(yīng)力(Maximum Shear Stress)云圖.從圖中可以看出，刀具前角越小，切屑的卷曲半徑越小，卷曲越厲害，這與實(shí)際的金屬切削過(guò)程是相符合的.

圖2 刀具前角對(duì)切屑形狀的影響Fig.2 Tool rake angle on the chip shape influence

3.2 刀具前角對(duì)切削吸能性能的影響

刀具前角不同時(shí)，金屬薄壁結(jié)構(gòu)切削吸能過(guò)程吸收的能量、界面力隨時(shí)間的變化曲線如圖3、4所示.從圖3可以看出，刀具的前角越小，金屬薄壁結(jié)構(gòu)切削過(guò)程中吸收的能量越多.從圖4可以看出，隨著刀具的切入，金屬薄壁結(jié)構(gòu)切削過(guò)程中的界面力逐漸趨于穩(wěn)定.刀具前角越小界面力的峰值和穩(wěn)定值越大.并且界面力—時(shí)間曲線近似為四邊形，吸能效果較好.

3.3 與金屬薄壁結(jié)構(gòu)壓縮吸能的比較

為了與切削吸能過(guò)程進(jìn)行比較，對(duì)相同條件下金屬薄壁結(jié)構(gòu)的壓縮吸能過(guò)程進(jìn)行了分析.壓縮過(guò)程中，金屬薄壁結(jié)構(gòu)吸收的能量、界面力隨時(shí)間的變形曲線如圖5、6所示.

圖5 壓縮過(guò)程吸收的能量—時(shí)間歷程曲線Fig.5 Curve of energy absorbing and time in compression

圖6 壓縮過(guò)程界面力—時(shí)間歷程曲線Fig.6 Curve of interface force and time in compression

從圖6可以看出，由于金屬薄壁結(jié)構(gòu)壓縮過(guò)程中不斷產(chǎn)生褶皺，界面力的波動(dòng)較大，不利于對(duì)撞擊減速度的控制，并且薄壁結(jié)構(gòu)的有效壓縮行程約為其長(zhǎng)度的70% ～80%，吸能元件的利用率不高.

金屬薄壁結(jié)構(gòu)在發(fā)生塑性變形和變形后的材料破裂過(guò)程中吸收了能量，并且金屬薄壁結(jié)構(gòu)的有效切削行程可達(dá)100%，對(duì)吸能元件的利用充分.

相同條件下，金屬薄壁結(jié)構(gòu)切削吸能和壓縮吸能的比較如表1所示.

表1 金屬薄壁結(jié)構(gòu)切削吸能與壓縮吸能比較Tab.1 Cutting energy absorption compared with the compression of metal thin-walled structure

從表1可以看出，切削吸能的效果較好，比吸能(單位質(zhì)量吸收的能量)較大.刀具前角為5°時(shí)，吸能提高可達(dá)107%，另外，在設(shè)計(jì)新型吸能裝置時(shí)，一般選用前角較小的刀具，因?yàn)榈毒咔敖禽^大時(shí)，會(huì)降低切削刃和刀頭的強(qiáng)度，切削時(shí)刀頭容易崩刃，所以金屬切削吸能相對(duì)于壓縮吸能的吸能提高較大，是一種理想的軌道車(chē)輛撞擊能量吸收原理.

4 結(jié)論

(1)金屬薄壁結(jié)構(gòu)切削吸能過(guò)程中吸收的能量和界面力與刀具的前角成反比，并且刀具前角越小，切屑卷曲的半徑越小，卷曲程度越大.

(2)與金屬薄壁結(jié)構(gòu)壓縮吸能相比，切削吸能的有效行程可達(dá)100%，對(duì)吸能元件的利用充分，并且切削過(guò)程中的界面力穩(wěn)定，波動(dòng)小.采用該原理設(shè)計(jì)的吸能裝置，在吸能元件尺寸一定的條件下，比吸能大，作用行程長(zhǎng)，容易實(shí)現(xiàn)減速度為常速的勻減速過(guò)程.并且改變吸能裝置的吸能容量，只需增加或減少刀具的數(shù)量，或者更換不同前角的刀具就能實(shí)現(xiàn)，吸能裝置的可控性、適應(yīng)性和靈活性較好.所以，金屬切削吸能是一種理想的軌道車(chē)輛撞擊能量吸收原理.

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