潘胜娟,刘金鑫

(兰州交通大学机电工程学院,甘肃兰州 730070)

切削式吸能结构的仿真分析*

潘胜娟,刘金鑫

(兰州交通大学机电工程学院,甘肃兰州 730070)

利用显示有限元软件ANSYS/LS-DYNA,对切削式吸能结构进行了仿真分析,并与同样工况下的方管、圆管压溃吸能结构做了比较。分析了切削深度、刀具前角、工件材料对吸能过程的影响。仿真结果表明:切削式吸能结构吸收的能量与压溃式吸能相当,并且吸能过程稳定,力峰值远小于压溃管力峰值;切削式吸能结构吸收的能量、撞击力与切削深度成正比,与刀具前角成反比,工件的材料对切削吸能过程有一定的影响。

切削;吸能结构;压溃;有限元

0 引 言

薄壁金属结构是一种高效率的吸能结构,对于理想的薄壁金属结构在碰撞过程中撞击力不应太大且在整个过程中变化平稳,以比较稳定的塑性变形来吸收碰撞动能[1]。金属切削工件的过程是刀具与工件相互作用过程,也是一种典型的消耗能量且不可逆的过程。利用此特点中南大学的刘国伟教授首次提出轨道车辆切削式吸能结构,常宁、夏茜、汤礼鹏等对其进行了可行性研究[2-5]。随后雷成等人对恒速下的切削式吸能结构做了一系列仿真分析研究[6-8]。华南理工大学的岳伟玲对轨道车辆拉削式防爬器进行了研究,指出通过控制拉削力可控制吸能能力,就吸能能力和稳定性而言,双刀拉削比单刀拉削更有优势[9]。笔者利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA,首先对圆管和方管进行仿真分析;其次对切削式吸能结构进行仿真分析;最后对不同切削深度、刀具前角、不同工件材料的吸能过程仿真比较分析,总结出各参数对切削式吸能结构的影响情况。

1 薄壁圆管和方管的仿真吸能分析

1.1 薄壁圆管

薄壁构件由于其重量轻。成本低及在碰撞过程中的稳定性等优势,在各类交通工具中作为一种性能良好的缓冲吸能元件得到广泛的应用。

薄壁圆管在受到轴向力冲击时先发生屈曲继而发生褶皱变形,形成类似于手风琴式和波纹管的塑性变形形态。取圆管尺寸长为300 mm,直径为70 mm,壁厚为1.5 mm,用200 kg的刚性块以15 m/s的速度撞击,其有限元模型如图1(a)所示。

图2为圆管能量变化曲线,由曲线可知刚性块撞击圆管的初始动能为22.5 kJ,碰撞后内能为22.4 kJ,撞击开始大约26 ms后,撞击动能逐渐被消耗,最终吸收能量22.4 kJ。撞击力曲线如图3所示,在撞击开始约0.5 ms时,出现第一个撞击力峰值为166 kN,随着撞击过程的进行,撞击力的波动严重,吸能过程较不稳定。

图1 圆管、方管有限元模型

图2 圆管能量变化曲线

图3 圆管撞击力-时间曲线

1.2 薄壁方管

图4为方管能量变化曲线。

图4 方管能量变化曲线

薄壁方管在受到轴向压力时,四壁发生屈曲并且一端向另一端褶皱变形。方管尺寸为60 mm×70 mm ×300 mm,同样用质量为200 kg的刚性块以15 m/s的速度撞击,模型如图1(b)所示。

由方管能量变化曲线图4,初始动能为22.5 kJ,撞击过程结束后内能为22.4 kJ,在撞击开始约31 ms后能量逐渐被消耗,最终吸收总能量22.6 kJ。根据方管撞击力曲线图5所示,在约0.24 ms时,出现整个撞击过程中的第一个峰值力434 kN。

图5 方管撞击力曲线

2 刀具切削吸能结构仿真分析

2.1 简化模型的建立

刀具切削工件的过程实际上就是一种材料破裂的过程,是一种典型的。不可逆的能量消耗过程。切削过程示意图如图6,将切削式吸能装置简化为图7,取刀具前角为γ为15°,后角α0为8°,切削厚度为3 mm,与压溃管工况一样,以200 kg的刚性块以15 m/ s的速度撞击刀具,给定时间50 ms。

图6 切削过程示意图

图7 切削式吸能装置简化图

2.2 材料模型

由于工件在整个切削过程中既有弹性变形又有塑性变形,因此材料选用45号钢,材料模型选与应变率相关的弹塑性模型*MAT_PLASTIC_KINEMATIC。刀具材料用YT15硬质合金,在切削过程中刀具几乎不发生变形,用刚性体型来模拟。二者的材料参数如表1所列。

表1 工件和刀具材料参数

2.3 接触类型

由于切削式吸能过程涉及到材料的去处问题,因此刀具与工件的接触选用面侵蚀接触,在定义侵蚀接触时,材料失效时要保持边界条件对称,允许实体内部发生侵蚀,当自由表面发生时包括实体单元表面。刚性块与刀具间定义自动面面接触,动静摩擦系数设为0.15,0.1。

2.4 切削分离准则

金属切削过程有限元仿真的分离准则主要分为几何准则和物理准则[11]。几何分离准则是以刀尖与刀尖前单元节点的距离变化来判断分离与否。而物理准则是以刀尖前单元节点的物理量是否达到其临界值来定义的,金属切削有限元仿真过程选用物理准则。

2.5 仿真分析

对切削式吸能过程的仿真主要是对能量和切削力变化曲线的分析。切削吸能过程是能量转化的过程,动能与内能和其他形式能量的转化。

由能量守恒定理可知,总能量保持不变,在碰撞过程中绝大部分动能转化为内能,从图8能量变化曲线中可看出,碰撞前的动能为22.7 kJ,碰撞后的内能为20.6 kJ,经计算91%的动能转化为内能,说明吸能效果较好。由图还可知,在撞击开始约33 ms时撞击动能逐渐被消耗,最终吸收总能量22.7 kJ。图9所示是切削力随时间的变化曲线,在刀具切削工件耗能的过程中切削力就是撞击力的直接体现,在撞击开始约1.5 ms时,出现第一个撞击力峰值109 kN,之后虽然有波动,但变化小。

图8 金属切削过程能量变化图

图9 切削力变化图

2.6 刀具切削仿真吸能与压溃式吸能的比较

由图2,4,8能量变化图可知,三者最终吸收的总能量小到大依次为圆管、方管、简化式切削式吸能结构,其值依次为22.4 kJ、22.6 kJ、22.7 kJ;耗能达到平衡的时间从小到大依次为圆管、方管、简化式切削吸能结构;由图3,5,9可知:撞击力峰值第一次出现从小到大依次为简化式切削吸能结构、圆管、方管,其值为109 kN、166 kN、325 kN,所对应时间为1.5 ms,0.5 ms,0.24 ms。由这些数据可看出:切削式吸能是一种可行的吸能方式,在同样的工况下,切削式吸能结构的吸能效果不仅较好,而且力峰值比方管降低了2.98倍,比圆管降低了1.52倍,达到峰值的时间比圆管推迟了3倍,比方管推迟了0.625倍。撞击力峰值越低,加速度越容易保持在乘务人员和乘客所承受范围内[12]。

图10 切削过程应力变化图

3 各参数对刀具切削仿真吸能的影响

3.1 切削深度

刀具前角15°,后角8°,切削初始速度15 m/s,切削深度对吸能结构切削力峰值和能量的影响如表2所列。随着切削深度的增加,切削吸能装置吸收的能量越多,切削力峰值越大。

表2 切削深度影响表

3.2 刀具前角

刀具后角8°,切削初始速度15 m/s,切削深度3 mm,刀具前角对吸能结构切削力峰值和能量的影响如表3所列。

表3 刀具前角影响表

随着刀具前角的增大,吸能装置吸收的能量越少,切削力峰值增大,在前角为15°时能量比最大。

3.3 刀具数目

刀具后角8°,前角15°,切削初始速度15 m/s,切削深度3 mm,刀具数目对切削式吸能结构的影响如表4所列。

表4 刀具数目影响表

从表中可以看出单刀具吸能效果比双刀具好,不仅吸能多而且切削力峰值低。

3.4 工件材料

刀具后角8°,前角15°,切削初始速度15 m/s,切削深度3 mm,工件材料对切削式吸能结构的影响如表5所列。随着材料强度和硬度的提高,切削式吸能结构吸收的能量越多,初始切削力峰值越高。

表5 工件材料影响表

4 结 论

(1)通过对压溃管和切削式吸能结构的仿真分析比较,切削式吸能结构虽然能量吸收与压溃管相近,但是就撞击力峰值而言,远小于压溃管。因此,用刀具切削工件去消耗碰撞过程中产生的动能是一种可行的吸能方式。

(2)通过对不同刀具参数的切削式吸能结构仿真分析,得出结论:切削深度与能量和撞击力峰值成正比;随着刀具前角的增大,吸能越多,但切削力峰值越低;单把刀具比双把刀具吸能多且峰值低;工件材料为Q235时吸能最少,初始切削力峰值最低,材料为4 340钢时吸能最多且峰值最大。

[1]Wierzbicki.T,Abramowicz.W.On the CrushingMechanics of Thin -Walled Structures[J].Journal of Applied Mechanics,1983,50 (4a):727-734.

[2]贾 宇.机车车体耐碰撞结构设计与碰撞仿真研究[D].成都:西南交通大学,2002.

[3]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,2010,41(6):2444-2450

[4]夏 茜.切削吸能过程热固耦合分析及参数优化研究[D].长沙:中南大学,2012.

[5]汤礼鹏,城轨车辆切削式专用吸能装置研究[D].长沙:中南大学,2010.

[6]雷 成,肖守讷,罗世辉.金属切削吸能过程的仿真研究[J].煤矿机械,2013,34(5):159-160.

[7]雷 成,肖守讷,罗世辉.轨道车辆切削式吸能装置吸能特性研究[J].中国机械工程,2013,24(2):263-267.

[8]雷 成,肖守讷,罗世辉.基于有限元的轨道车辆撞击能量吸收研究[J].郑州大学学报,2012,33(4):65-68.

[9]岳伟玲.轨道车辆拉削式防爬器吸能特性的研究[D].广州:华南理工大学,2014.

[10]李国和,王敏杰,段春争.基于ANSYS/LS-DYNA的金属切削过程有限元模拟[J].农业机械学报,2007,38(12):173-176.

[11]A Scholes,JH Lewis.Developmentof Crashworthiness For Railway Vehicle Structures[J].Journal of Rail and Rapid Transit,1993,25.

Simulation for Energy-Absorbing Structure in M etal-Cutting W ay

PAN Sheng-juan,LIU Jin-xin
(School ofMechatronic Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou Gansu 730070,China))

The energy-absorbing structure in metal-cutting way was simulated with the explicit finite element software ANSYS/LS-DYNA,and compared with the crush energy-absorbing structure of square tube and circular tube in the same situation.The influence of cutting depth,tool rake angle,the workpiecematerial on the performance of energy-absorbing structure was analyzed.The results show that the energy-absorbing structure in metal-cutting way can absorb much energy and the process is stable.The initialmaximum crush force is less than the crush tube.The energy absorption and impact force was proportional to the cutting depth,and inversely proportional to the tool rake angle.The workpiecematerial has certain influence on the energy-absorbing process inmetal-cutting way.

cutting;energy-absorbing structure;crush;finite element

U270.2

A

1007-4414(2015)06-0052-04

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.06.019

2015-09-09

潘胜娟(1990-),女,甘肃临夏人,硕士研究生,主要从事轨道车辆被动安全性研究方面的工作。