CN112896220B

CN112896220B - 一种分段导控式吸能管及其吸能方法

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Publication number: CN112896220B
Application number: CN202110302958.6A
Authority: CN
Inventors: 窦伟元; 阮宝锋; 张乐乐
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2021-03-22
Filing date: 2021-03-22
Publication date: 2022-04-22
Anticipated expiration: 2041-03-22
Also published as: CN112896220A

Abstract

一种分段引导式吸能管，其特征在于，所述吸能管依次包括引导段、过渡段、和等截面圆管，其中，所述引导段与所述过渡段相连接；所述过渡段与所述等截面圆管相连接；所述引导段设置在所述过渡段的一端；而所述等截面圆管设置在所述过渡段的另外一端，所述引导段的截面形状呈正三角形、正方形、正六边形或圆形；或者，所述引导段具有折叠结构；所述过渡段在所述一端与所述引导段几何光滑连接，所述过渡段在所述另外一端与所述等截面圆管几何光滑连接。根据本发明，可解决现有技术吸能管只能单方面提升比吸能、或只降低峰值力但导致载荷效率低的问题，从而在轨道车辆车体端部吸能结构中，可提高车辆的被动安全防护性能。

Description

一种分段导控式吸能管及其吸能方法

技术领域

本发明涉及一种用于吸收轨道车辆碰撞过程中所产生的巨大能量的吸能装置，特别是涉及一种分段导控式吸能管，属于轨道车辆被动安全技术领域。

背景技术

轨道车辆发生碰撞事故时将产生巨大的能量，其传递和耗散方式直接影响乘员的生命安全。随着轨道车辆运营时速不断提高，对其被动安全性能的要求也越来越高。

作为被广泛用于应对列车碰撞的被动安全防护装置，吸能管主要分布在轨道车辆的头车前端以及中间车辆的两端。现有技术的吸能管一般为薄壁金属管结构，主要原理是通过塑性变形来吸收列车碰撞时产生的冲击能量，以保障的乘客生命安全。该薄壁金属管的变形模式主要分为渐进式折叠变形模式、欧拉变形模式、以及渐进式折叠变形和欧拉变形同时存在的混合变形模式。进一步地说，渐进式折叠变形模式又包括手风琴模式和钻石模式。其中，渐进式折叠变形模式作为有效的吸能变形模式，其主要特点是压缩力较平稳。

一般地，作为现有技术中用于评估薄壁金属管的碰撞吸能特性的关键指标，主要有：

1)初始峰值力(F_max)，其值越高意味着发生碰撞初始产生的加速度峰值越大，对乘员的损伤也越高，较大的峰值力意味着乘客会承受较大的加速度冲击，应尽量减小或消除尖峰；

2)比吸能(Specific energy absorption,SEA)，即结构中的单位质量所吸收的能量，其值越大则表明结构吸能能力越高；吸收的能量越多，则吸能效果越好；

3)载荷效率(Crash load efficiency,CFE)，即在有限的碰撞压缩位移下平均碰撞力与峰值力的比值，薄壁金属管在碰撞时需要尽可能地吸收更多的能量且减小峰值力，因此载荷效率越高，吸能效果越好。

CN104462731A公开了一种正弦式波纹吸能管，有效地降低了吸能管在承受冲击载荷时的峰值力，但相比传统的直管，比吸能有所降低。

US4,877,224A在普通圆管上添加波纹状纹路，以牺牲比吸能为代价降低初始碰撞的载荷。

CN202764894公开了一种仿竹结构的仿生吸能管，通过在圆管中添加约束壁、约束梁等仿竹结构，显著提高了吸能管的比吸能，但相比普通圆管，峰值力没有得到改善。

现有技术中的波纹管或折叠形的吸能结构，整个吸能管结构都是波纹或折叠形式，通常不分段，没有几何过度，即使有几何过渡，截面形状也是相同形式的。现有技术中这样的设计，虽然可以降低初始峰值力Fmax，但也由于折叠或波纹的形式导致轴向刚度降低，牺牲了比吸能SEA和载荷效率CFE，材料的吸能潜力未得到充分利用。

综上，现有技术的薄壁金属吸能管，都难以兼顾对碰撞峰值力和比吸能的同时改善，发生碰撞事故时仍然存在安全隐患。

发明内容

本发明的目的是提供一种分段导控式吸能管及吸能方法，其在碰撞过程中压溃折叠更为规则有序，可解决现有技术吸能管只能单方面提升比吸能、或只降低峰值力但导致载荷效率低的问题，从而在轨道车辆车体端部吸能结构中，可提高车辆的被动安全防护性能。

为此，根据本发明的一个方面，提供了一种分段引导式吸能管，其特征在于，所述吸能管依次包括引导段、过渡段、和等截面圆管，其中，所述引导段与所述过渡段相连接；所述过渡段与所述等截面圆管相连接；所述引导段设置在所述过渡段的一端；而所述等截面圆管设置在所述过渡段的另外一端。

优选地，所述引导段的截面形状呈正三角形、正方形、正六边形、或圆形；所述过渡段在所述一端与所述引导段几何光滑连接，在所述另外一端与所述等截面圆管几何光滑连接。

根据本发明的另外一个方面。提供了一种分段引导式吸能管的吸能方法，其特征在于，将所述吸能管依次分成引导段、过渡段、和等截面圆管；在碰撞工况下，所述分段导控式吸能管的吸能步骤依次为：

1)所述引导段依预制的折叠结构发生有序变形，形成与截面形式相关的塑性铰；

2)在刚度呈梯度变化的所述过渡段形成规则塑性铰；

3)最终进入等截面圆管的压缩阶段，以完成吸能。

优选地，建立吸能管的有限元模型，由数值仿真方法分析所述结构的初始峰值力、载荷效率、比吸能。

优选地，比较分析普通圆管与带折叠结构的分段式吸能管的吸能特性；比较分析不同引导段截面形状的吸能管的吸能特性；比较分析不同引导段截面尺寸的吸能管的吸能特性；比较分析不同过渡段长度的吸能管的吸能特性；综合比较上述分析结果，权衡各吸能特性指标，确定分段导控式吸能管的结构形式和设计参数。

优选地，所述引导段的折叠结构采用板材焊接制成；所述过渡段采用冲压工艺制成；所述等截面圆管为一般标准结构件。

优选地，三部分采用焊接工艺连接在一起。

相比现有技术的吸能管，本发明在提升比吸能的同时降低了碰撞时的峰值力，通过折叠结构引导圆管充分稳定地产生钻石模式的塑性变形，载荷相对均匀平稳，从而有效地提升吸能管的吸能特性。

根据本发明，通过调整折叠结构的尺寸参数，截面形状，以及过渡段的长度等参数，可依据碰撞场景优化选择合理的结构形式和参数，以实现对碰撞能量的有序引导和耗散。

根据本发明，多级或逐级地分段导控碰撞能量和结构变形，其中，

第一段折叠形的所述引导段的最核心功能是削弱碰撞过程力-位移曲线中的初始峰值力Fmax，以期最大程度地降低由于初始加速度的剧烈变化对乘员的损伤；

第三段的所述圆管段为普通圆管，其刚度相对较大且成本较低；

中间段的所述过渡段可通过CAD曲面设计中的“放样”功能来实现，可解决由不同截面形状的所述引导段(如三角形、四边形、六边形等截面)向所述圆管段的圆形截面的平滑过渡，也正因如此，第一段和第三段连接处截面可具有不同形式的几何轮廓。

根据本发明，可有效降低初始峰值力Fmax，同时，可保持甚至改善了比吸能SEA和载荷效率CFE。根据本发明，在数值仿真中，与普通单一的圆筒形的吸能管相比，通过改变设计参数，初始峰值力Fmax可至少降低25％，比吸能SEA基本相当或小幅提高约5％，载荷效率CFE最大可提升17％左右。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的带折叠结构的分段式吸能管的结构示意图(引导段截面为正方形)；

图2A、图2B、图2C分别是根据本发明的其他实施例的带折叠结构的分段式吸能管的结构示意图(引导段截面为正三角形、正六角形、圆形)；

图3是普通圆管、K1和K2吸能管的力-位移曲线对比图；

图4是普通圆管、K3和K4吸能管的力-位移曲线对比图；

图5是K1、K1-1和K1-2吸能管的力-位移曲线对比图；

图6是K1、K1-3和K1-4吸能管的力-位移曲线对比图；

图7是K1-4吸能管碰撞受压变形的吸能过程图，附图标记1表示K1-4吸能管所形成塑性铰的一个褶皱；

图8是K1-4吸能管折叠结构的平面展开图，附图标记2表示K1-4吸能管折叠结构的四分之一展开平面，附图标记3表示K1-4吸能管折叠结构直角处的斜边长度。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。

图1是带折叠结构的分段式吸能管的结构示意图(引导段截面为正方形)。

图1是确定吸能管的整体结构形式的一个实施例。在图1中，附图标记a表示折叠结构，称为“引导段”；附图标记c表示主要吸能段，称为“圆管段”；附图标记b表示折叠结构与圆管的连接部分，通过类似三维建模的“放样”方法，根据a段和b段的截面几何形状生成过渡曲面，称为“过渡段”。

本发明的吸能管整体上由上述3个部分自上而下组合而成。此外，附图标记l_a表示引导段的长度，附图标记l_b表示过渡段的长度，附图标记l_c表示圆管的长度，附图标记h表示引导段一个模块的高度，附图标记a₁表示截面小正方形的边长，附图标记a₂表示截面大正方形的边长。

在保持引导段的截面周长不变的情况下，可以改变引导段的截面形状，例如可以改成正三角形(图2A)、正六边形(图2B)、圆形(图2C)，分别建立K2、K3、K4吸能管.

进一步地，还可以在保持引导段的截面形状不变的情况下，改变边长，分别建立K1-1、K1-2吸能管。

进一步地，还可以在保持吸能管的整体长度不变的情况下，改变l_b和l_c的长度，分别建立K1-3、K1-4吸能管。

具体地，根据本发明各实施例和对照例的吸能管的尺寸参数如表1所示：

表1各实施例和对照例的吸能管尺寸参数

在本发明中，可以将局部具有不同结构和尺寸参数的吸能管建立各种适当的有限元模型，从而进行数值仿真，并且对仿真结果进行分析比较。

具体地，可以使用CAD建模软件建立吸能管的几何模型，并对其进行有限元分析的网格划分与离散。

吸能管和刚性平板的材料参数如表2所示：

表2各部件材料参数表

部件	材料	密度(kg/m<sup>3</sup>)	杨氏模量(GPa)	泊松比	屈服极限(GPa)
						吸能管	AA6061 O	2700	68	0.33	0.071
刚性平板	钢	7830	207	0.3	/

吸能管选取LS-DYNA求解器中的24号材料模型，刚性平板选取LS-DYNA求解器中的20号材料模型。模型统一采用适用于大变形的4节点单点积分Belytschko-Tsay壳单元。边界条件方面，对吸能管底面的各节点进行全约束，采用质量为85kg、初速度为10m/s的刚性平板沿轴向压缩吸能管；采用自动的面面接触工况，模拟吸能管与刚性平板的接触状态，摩擦系数取0.3；另外，采用自动单面接触算法来模拟吸能管自身由于屈曲变形而产生的接触，摩擦系数取0.1。

采用非线性有限元软件LS-DYNA对所建立的有限元模型进行求解计算，并在LS-PrePost软件中完成后处理。针对吸能管在碰撞载荷下的比吸能、峰值力、载荷效率等指标进行比较。具体计算结果如表3所示：

表3吸能管比吸能、峰值力及载荷效率的数据对比

吸能管	EA(kJ)	Mass(kg)	SEA(kJ/kg)	F<sub>avg</sub>(kN)	F<sub>max</sub>(kN)	CFE
							普通圆管	4.013	0.285	14.081	22.294	37.584	59.3％
K1	3.922	0.281	13.957	21.789	30.046	72.5％
							K2	3.409	0.280	12.175	18.939	27.774	68.2％
K3	4.179	0.282	14.819	23.217	30.485	76.2％
							K4	3.868	0.282	13.716	21.489	30.051	71.5％
K1-1	3.937	0.275	14.316	21.872	31.919	68.5％
							K1-2	3.839	0.287	13.376	21.328	27.811	76.7％
K1-3	3.786	0.281	13.473	21.033	32.111	65.5％
							K1-4	4.049	0.282	14.358	22.494	31.245	71.9％

根据以上数值仿真的结果，可以对传统的普通圆管吸能管与根据本发明的分段导控式吸能管两者的吸能特性进行比较分析。

具体地，如表3中的数据证实，折叠结构的引入使得吸能管的峰值力得到了有效减小。同样，吸能管的载荷效率也得到了显著的提高。由此可见，带折叠结构的分段式吸能管相比传统的普通圆管在上述两个指标上都具有显著的优势。

因为根据本发明的分段导控式吸能管有效地降低了初始峰值力，对于减小碰撞事故中乘客的初次冲击伤害具有明显的优势。

在力-位移曲线方面，参考图3和图4，与普通圆管相比，根据本发明的折叠结构的引入使得吸能管碰撞载荷的波动有所缓和，表现出较大的优势，说明折叠结构在引导圆管变形上发挥了有益的效果，折叠结构的引导圆管充分发生渐进式的钻石模式变形，使得吸能管承受的冲击载荷相对均匀稳定，有效地发挥自身的吸能特性。

对于具有不同引导段截面形状的吸能管的吸能特性，力-位移曲线如图3和图4所示，对比表3中的K1、K2、K3及K4吸能管，在降低峰值力方面，K2吸能管表现出较大的优势，但比吸能和载荷效率均表现出明显的劣势；在比吸能方面，K3吸能管表现出显著的优势，但载荷波动相对较大；在载荷效率方面，K1、K3、K4均表现出较大的优势。

进一步地，综合比较上述3项指标，权衡吸能管的载荷波动幅度，在当前碰撞场景条件下，K1形式吸能管的吸能特性综合占优。可见，在既有结构基础上合理地优化参数可以提升其吸能效果。

对于具有不同引导段截面尺寸的吸能管的吸能特性，力-位移曲线如图5所示，对比表3中的K1、K1-1及K1-2吸能管，在降低峰值力方面，K1-2吸能管表现出较大的优势，但其比吸能有明显地下降；在比吸能方面，K1-1表现出显著的优势，但其降低峰值力地效果有所减弱；在载荷效率方面，K1-2表现出较大的优势。

进一步地，综合比较上述3项指标，控制引导段的截面尺寸对于单方面改善吸能特性有显著的效果，但对于综合性能的提高没有明显的作用，且吸能管变形模式的稳定性对该尺寸参数的改动较为敏感。

对于具有不同过渡段长度的吸能管的吸能特性，力-位移曲线如图6所示，对比表3中的K1、K1-3及K1-4吸能管，在降低峰值力方面，K1吸能管表现出较大的优势；在比吸能方面，K1-4表现出显著的优势，但其降低峰值力的效果有所减弱；在载荷效率方面，K1表现出较大的优势。

进一步地，综合比较上述3项指标，权衡吸能管的载荷波动幅度，K1-4吸能管的吸能特性具备综合优势。

综合比较上述分析结果，权衡各吸能特性指标，最终可优选地确定当前碰撞场景下该分段导控式吸能管的结构形式和设计参数。

具体地，相比普通圆管，K1-4吸能管在降低峰值力、提升比吸能和载荷效率方面均表现出较大的优势。

进一步地，参考图7，K1-4吸能管在承受碰撞冲击载荷时，折叠结构被压溃，引导过渡段形成钻石模式的塑性变形，过渡段部分的结构特征表现为由正方形截面放样至圆形截面，正方形的四个直角过渡至圆弧状态。受上述结构特征的影响，过渡段形成的塑性铰表现出的特征为：4个对称分布的褶皱1组成一层塑性铰。

进一步地，受过渡段塑性铰的影响，圆管段渐进有序地形成了相同状态的塑性铰，其变形模式比较稳定，且载荷相对均匀平稳，波动较小，能够有效地发挥圆管自身的吸能效果。

关于本发明的加工工艺，根据本发明的带折叠结构的分段式吸能管包括引导段、过渡段以及等截面圆管段，因此，这3个部分可以分别对应不同的加工工艺。引导段部分，可采用板材拼接焊接而成，板材拼接工艺涉及板材的压制和连接。以截面为正方形的折叠结构为例，具体如图8所示，根据折叠结构的折痕纹路，取其展开平面，2是其结构的四分之一，控制尺寸3为板材拼接成型的关键。对于连接方式，可采用焊接等方式；

过渡段部分可采用冲压工艺制备，这涉及冲压模具的制造和使用。以K1-4吸能管为例，需要准备冲压模具的凸模、冲压模具的凹模，冲裁件可为圆形截面的锥形薄壁管。

吸能管各段之间的连接可采用焊接工艺。

Claims

1.一种分段导控式吸能管的吸能方法，其特征在于，

将所述吸能管依次分成引导段、过渡段、和等截面圆管；

在碰撞工况下，所述分段导控式吸能管的吸能步骤被依次设定为：

所述引导段依预制的折叠结构发生有序变形，形成与截面形式相关的塑性铰；

在刚度呈梯度变化的所述过渡段形成规则塑性铰；

最终进入等截面圆管的压缩阶段，以完成吸能目标。

2.如权利要求1所述的吸能方法，其特征在于，所述引导段、所述过渡段、和所述等截面圆管采用不同的制造工艺。

3.如权利要求1或2所述的吸能方法，其特征在于，所述引导段的折叠结构采用板材焊接制成；或者，所述过渡段采用冲压工艺制成。

4.如权利要求1或2所述的吸能方法，其特征在于，所述等截面圆管为标准结构件。

5.如权利要求1或2所述的吸能方法，其特征在于，所述引导段、所述过渡段、和所述等截面圆管三部分采用焊接工艺连接在一起。