圓管數(shù)量對金屬圓管撕裂耗能影響的研究

胡雪峰1,程海帆1,董美伶2,張紹理2,高水德2

(1.吉林省交通規(guī)劃設(shè)計院,吉林 長春130021; 2.北京深華達(dá)交通工程檢測有限公司,北京102208)

摘要:安全有效的消能防護(hù)裝置的研究對交通安全事業(yè)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義,金屬撕裂消能因其穩(wěn)定可靠的消能效果廣泛應(yīng)用于可導(dǎo)向防撞墊、避險車道阻尼裝置、消能防護(hù)端頭等諸多交通安全防護(hù)裝置中。在防護(hù)裝置設(shè)計過程中,為了節(jié)省布設(shè)安裝空間,多采用多根管代替單管。文章采用臺車實(shí)驗與LS-DNYA有限元仿真結(jié)合的方法對金屬圓管數(shù)量與金屬圓管撕裂耗能的影響情況進(jìn)行研究，總結(jié)金屬圓管數(shù)量與金屬圓管撕裂過程中撕裂長度間對應(yīng)關(guān)系,為消能防護(hù)裝置設(shè)計提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞:撕裂耗能;金屬圓管;臺車;碰撞;LS-DNYA有限元仿真

收稿日期：2014-10-04；修回日期：2014-12-10

基金項目：交通運(yùn)輸部建設(shè)科技基金資助項目(2013318J05170)

作者簡介：胡雪峰(1970-),男,吉林長春人,吉林省交通規(guī)劃設(shè)計院研究員.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2015.10.003

中圖分類號:U491

Influence of the number of circular tube on dissipation energy

of splitting thin-walled metal circular tube

HU Xue-feng1,CHENG Hai-fan1, DONG Mei-ling2, ZHANG Shao-li2, GAO Shui-de2

(1.Jilin Provincial Traffic Planning and Design Institute, Changchun 130021, China; 2.Beijing Shenhuada Traffic Engineering Test Co.， Ltd., Beijing 102208, China)

Abstract:Research on passive safety by better energy absorbers is significant for the development of transport industry. With the stable and reliable dissipation of energy, the metal splitting energy dissipation is applied to redirective crash cushions, truck escape ramps, terminal end treatment system and so on. In the design process of absorbers, the multiple tubes are always used instead of single one in order to save space. The influence of tube number on the dissipation energy of splitting thin-walled metal circular tube is studied by using the trolley collision a nd LS-DNYA finite element simulation. The correspondence of tube number with the splitting length during the process of splitting circular tube is found out, which can provide a theoretical basis for the design of energy absorbers.

Key words:dissipation energy by splitting; metal circular tube; trolley; collision; LS-DNYA finite element simulation

近年來,隨著我國交通事業(yè)的不斷發(fā)展,交通事故不斷增加,研究設(shè)計安全有效的防護(hù)消能裝置對提高交通防護(hù)能力具有重要意義。防護(hù)消能裝置設(shè)計過程中大多是通過不同的消能方式消耗失控車輛動能,所以防護(hù)過程中能量消耗機(jī)理的研究尤為重要。金屬撕裂消能因其穩(wěn)定可靠的消能效果廣泛應(yīng)用于可導(dǎo)向防撞墊、避險車道阻尼裝置、消能防護(hù)端頭等諸多交通安全防護(hù)裝置中[1]。

近年來，研究人員對薄壁結(jié)構(gòu)撕裂機(jī)理進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[2]集中對撕裂圓管的漸進(jìn)彎曲、撕裂和撕裂卷曲等現(xiàn)象進(jìn)行研究;文獻(xiàn)[3]主要對可折疊吸能裝置中采用的圓管、方管、墩柱、蜂窩和三明治板等常見變形結(jié)構(gòu)的消能情況進(jìn)行研究;文獻(xiàn)[4]討論了不同動態(tài)塑性變形的圓管和方管所能承受的最大軸向沖擊載荷情況；文獻(xiàn)[5]對壁厚為1.6 mm的HT30鋁制圓管進(jìn)行了實(shí)驗研究和理論分析,實(shí)驗采用了特制的喇叭口型模具,得到了試件裂片沿軸向卷曲的撕裂卷曲殘余變形模態(tài),通過分析得出主要的吸能因素為塑性彎曲變形能和摩擦能[5-8]。

本文在文獻(xiàn)[5]的基礎(chǔ)上主要采用臺車碰撞實(shí)驗及LS-DNYA仿真的方法研究薄壁金屬圓管數(shù)量對金屬圓管撕裂耗能的影響情況。研究過程中,首先利用臺車碰撞實(shí)驗對圓管撕裂模擬參數(shù)進(jìn)行調(diào)整校準(zhǔn),然后利用HyperMesh及LS-DNYA軟件進(jìn)行有限元仿真,根據(jù)仿真結(jié)果分析薄壁金屬圓管數(shù)量對其撕裂耗能影響情況,總結(jié)變化規(guī)律。

1臺車實(shí)驗及結(jié)果

1.1試件參數(shù)及實(shí)驗設(shè)備

實(shí)驗試件選取同批鋼材中長為1 000 mm,外徑d=48 mm,壁厚t=3.0 mm的無縫圓鋼管,所用材料為Q235普通碳素鋼。Q235普通碳素鋼的材料參數(shù)如下：密度為7 850 kg/m3；泊松比為0.3；屈服強(qiáng)度為0.235 GPa。

所用實(shí)驗試件與特質(zhì)刀具接觸端沿圓管軸線方向均勻設(shè)置4個預(yù)留槽,用以誘導(dǎo)撕裂卷曲變形。實(shí)驗所用刀具采用45號鋼加工,刀具安裝在圓管預(yù)留槽中與固定裝置相連。測力傳感器安裝于刀具后方,具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　刀具固定裝置

實(shí)驗所用臺車空車質(zhì)量為600 kg,速度為30 km/h,臺車通過重錘系統(tǒng)加速,如圖2所示。根據(jù)重錘提升高度與臺車質(zhì)量關(guān)系公式,計算達(dá)到設(shè)計初始速度要求所需的提升高度。利用光電測速儀測量實(shí)驗臺車實(shí)際初始速度,撕裂過程中金屬圓管所受沖擊力時程曲線利用測力傳感器記錄。

圖2　重錘加速系統(tǒng)

圖3　實(shí)驗臺車

1.2實(shí)驗結(jié)果分析

將加速重錘提升到1.1 m,開啟各記錄儀器設(shè)備后,臺車后端固定裝置脫鉤,碰撞臺車行駛加速，碰撞前端金屬消能圓管發(fā)生撕裂。撕裂完成后記錄消能圓管殘余狀態(tài)如圖4所示。

圖4　臺車試件結(jié)果圖

從圖4中可以看出金屬消能圓管在撕裂完成后發(fā)生卷曲變形,實(shí)驗過程中分別測量每組3次實(shí)驗中所用金屬消能圓管初始長度，實(shí)驗結(jié)束后測量金屬消能圓管撕裂剩余長度。誤差分析后得出單根圓管撕裂長度為643.5 mm,雙根圓管撕裂的總長度為775.83 mm。

2有限元仿真

2.1有限元模型建立

LS-DYNA軟件是目前世界通用的顯示非線性動力仿真分析軟件。LS-DYNA以Lagrange算法為主,兼有ALE和Euler 算法;以顯式求解為主,兼有隱式求解功能;以結(jié)構(gòu)分析為主,兼有熱分析、流體-結(jié)構(gòu)耦合功能;以非線性動力分析為主,兼有靜力分析功能。其作為有限元求解器在汽車工業(yè)、航空航天、制造業(yè)、國防工業(yè)等重要領(lǐng)域有著廣泛運(yùn)用,也是目前失控車輛碰撞仿真模擬的主要工具之一[9-10]。

HyperMesh 軟件具有有限元網(wǎng)格前處理和后處理功能,在網(wǎng)格自動生成、單元質(zhì)量檢查以及不合格單元修改等方面獨(dú)具特色，可直接輸入已有的三維CAD幾何模型和導(dǎo)入已有的有限元模型,并可對導(dǎo)入的幾何模型進(jìn)行有效的幾何清理

工作,對幾何模型中的缺陷進(jìn)行有效修補(bǔ)。

仿真模型與臺車實(shí)驗所用刀具、金屬消能圓管及后端支撐圓管尺寸參數(shù)相同,刀具及支撐圓鋼采用剛性材料MATL20,考慮到撕裂卷曲變化,金屬消能圓管采用塑性材料MATL98。

金屬消能圓管及刀具均采用殼單元,金屬消能圓管與刀具接觸采用自接觸處理,根據(jù)臺車實(shí)驗數(shù)據(jù)將兩者間摩擦系數(shù)調(diào)整為0.3。

將碰撞模擬臺車質(zhì)量設(shè)置為600 kg,速度為30 km/h。單根圓管長度為1 000 mm,其余2～9根金屬圓管長度為500 mm。

有限元仿真模型如圖5所示。

圖5　有限元仿真模型

2.2有限元分析結(jié)果

將HyperMesh中建立的刀具、消能圓管及碰撞臺車模型及其他材料參數(shù)，初始速度以及其他參數(shù)導(dǎo)入LS-DNYA軟件中進(jìn)行計算，得出不同數(shù)量金屬圓管模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6　金屬圓管仿真結(jié)果圖

臺車碰撞金屬消能圓管后,圓管發(fā)生撕裂,隨共同作用圓管數(shù)量的不同，撕裂長度發(fā)生變化。

在后處理軟件LS-PrePost中觀察金屬消能圓管撕裂情況,測量撕裂完成后金屬消能圓管剩余長度,根據(jù)金屬消能圓管初始長度計算出碰撞過程中金屬消能圓管撕裂長度之和,結(jié)果如圖7所示。

圖7　金屬圓管個數(shù)與撕裂長度關(guān)系圖

3結(jié)論

2根圓管共同碰撞撕裂的過程中,撕裂長度最長達(dá)到770.67 mm,比單根圓管長度增加121.65 mm。從2根圓管開始隨著圓管數(shù)量的增加圓管的撕裂長度逐漸降低。2～6根圓管撕裂長度隨圓管數(shù)量增加變化明顯，接近線性遞減趨勢,6根以上圓管撕裂長度對圓管數(shù)量的增加變化緩慢。在消能結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中,若采用多根圓管代替單根圓管撕裂消能,所采用圓管數(shù)量應(yīng)在4根圓管以上。

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(責(zé)任編輯馬國鋒)