高速列车串行铝蜂窝吸能结构的轴向冲击动力学响应

作者:丁叁叁;田爱琴;李睿;周伟;许平 刊名:《中南大学学报:自然科学版》 上传者:张伟兵

【摘要】研究高速列车串行铝蜂窝吸能结构在高速轴向冲击下的动力学性能。首先通过准静态试验对单块铝蜂窝的力学性能进行测试;然后通过高速冲击试验研究串行铝蜂窝的动力学特性;最后,采用参数辨识模型,得到串行铝蜂窝在高速轴向冲击下的刚度变化,并根据试验结果对串行铝蜂窝在高速轴向冲击下的偏移失稳现象进行分析。研究结果表明:串行铝蜂窝刚度系数的变化与铝蜂窝系统中隔板速度变化有密切关系,铝蜂窝开始变形时其刚度系数迅速变小,当各蜂窝前端隔板速度开始下降时蜂窝刚度系数曲线趋向平缓;串行铝蜂窝具有吸能量大、可实现变形模式可控,能够满足高速列车的冲击吸能量要求。

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铁路事故尤其是列车碰撞事故会造成重大人员伤亡和巨大经济损失。列车碰撞事故一旦发生,冲击能量会集中在列车司机室位置,因此,列车端部吸能装置的设计就显得尤为重要。随着列车运行速度的提高,对列车端部吸能装置的要求也越来越高,设计和优化合理的列车端部吸能装置已经成为列车耐撞性研究中的热点问题[1]。理想的吸能结构可以实现对冲击动能的可控吸收。复合蜂窝结构因其质量小、强度大、造价低等特点被广泛应用于民用建筑、航空航天、车辆轮船等领域,复合蜂窝的吸能能力是由材料、胞元形状及其排列形式决定的[2-8]。GIBSON等[9]阐述了蜂窝的结构与吸能特性之间的关系;WU等[10]研究了蜂窝在准静态与低速冲击条件下的力学特性;王中钢等[11-12]基于准静态试验和台车动态撞击实验,获取了铝蜂窝材料特性与吸能能力之间的关系,并得出铝蜂窝在低速冲击试验条件下吸能能力较准静态试验有所提升的结论。GREDIAC等[13-14]研究了蜂窝胞元之间的剪切作用,同时,LAURENT等[15]结合理论分析和数值仿真研究了蜂窝结构在各向载荷下的剪应力响应。ZHAO等[16-17]通过试验研究了不同胞元排列方式下的蜂窝塑性变形模式,并发现具有六角形薄壁胞元的蜂窝具有较高的吸能量。FAN等[18]结合试验和仿真对小型多层蜂窝结构并对其性能进行了研究,揭示了蜂窝结构的吸能量随蜂窝层数增加呈线性增长的趋势。上述研究主要针对单层结构蜂窝的吸能特性,然而受生产条件限制,单块铝蜂窝尺寸有限,不能满足高速列车发生碰撞时的大吸能量要求。因此,有必要将单层铝蜂窝结构组合串联起来,开展动态冲击作用下的吸能特性试验研究。另一方面,高速冲击试验中串行铝蜂窝容易出现偏移失稳现象,导致串行蜂窝变形模式和吸能效果不理想。因此,需要结合理论分析建立串行铝蜂窝的结构动力学模型,对串行铝蜂窝的变形模式、变形规律进行深入研究。本文作者采用增广递推最小二乘算法,对串行铝蜂窝的结构动力学模型中所有个体参数进行了辨识,明确了串行铝蜂窝在冲击试验中的吸能规律。1准静态压缩的铝蜂窝吸能特性铝蜂窝结构静力试验在专用的INSTRON1346材料力学性能试验系统进行。试验对象选取强度为5MPa和10MPa的铝蜂窝(材质为5052H18),加载速率为1mm/min,加载温度为室温。表1所示为5MPa和10MPa强度蜂窝结构参数,图1所示为2种蜂窝的轴向压缩特性曲线。其中t,h和l分别为蜂窝胞元厚度、边长和高度;L,W和T分别为铝蜂窝块的长度、宽度和高度(厚度)。表15MPa和10MPa铝蜂窝结构参数(T向正压)Table1Aluminumhoneycombparameterswith5MPaand10MPaenergycapacity序号强度/MPat/mmh/mml/mmL/mmW/mmT/mmA50.062.02.0100100120B100.061.01.0100100140强度/MPa:15;210。图1铝蜂窝压缩特性曲线Fig.1Plateaustress-compressionratiocurvesofhoneycombs2高速冲击的串联铝蜂窝吸能特性由于单块铝蜂窝的吸能量有限,无法满足高速冲击时大小车的初动能吸能要求,因此,将多块铝蜂窝串联起来,通过高速冲击试验分析其动态纵向压缩特性。2.1试验测点布置及数据获取为精确分析串行铝蜂窝结构的撞击变形过程,在小车和隔板部位设置标识条,采用高速摄影完整记录小车、隔板的运动过程,通过基于变模板匹配和特征识别技术[19]的序列运动图像分析方法获取各个时刻的位移数据,最终对位移数据进行一阶和

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