切削吸能结构垂向偏置冲击试验与数值模拟研究

姜焙晨; 王晖; 高乾宸; 汪依宁; 王明猛; 王晋乐

doi:10.13890/j.issn.1000-128X.2024.04.106

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切削吸能结构垂向偏置冲击试验与数值模拟研究

铁道机车车辆 | 更新时间：2024-09-12

- 切削吸能结构垂向偏置冲击试验与数值模拟研究
- Vertical offset impact experiment and numerical simulation study on cutting-type energy absorbing structure
- 角色： First author , 第一作者 ,
  
  机构：
  中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266111
  
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  姜焙晨
  1 ，
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  机构：
  中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266111
  
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  王晖
  1 ，
  角色： Corresponding author , 通讯作者 ,
  
  机构：
  西南交通大学轨道交通运载系统全国重点实验室，四川成都 610031
  
  邮箱： qianchengao@my.swjtu.edu.cn
  
  简介：高乾宸，助理研究员，从事轨道车辆被动安全性研究；E-mail: qianchengao@my.swjtu.edu.cn
  
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  高乾宸
  2 ，
  角色：
  
  机构：
  西南交通大学轨道交通运载系统全国重点实验室，四川成都 610031
  
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  汪依宁
  2 ，
  角色：
  
  机构：
  西南交通大学轨道交通运载系统全国重点实验室，四川成都 610031
  
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  王明猛
  2 ，
  角色：
  
  机构：
  中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266111
  西南交通大学轨道交通运载系统全国重点实验室，四川成都 610031
  
  邮箱：
  
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  王晋乐
  12 ，
- 机车电传动 2024年第4期页码：125-131
- 作者机构：
  
  1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266111
  2.西南交通大学轨道交通运载系统全国重点实验室，四川成都 610031
- 作者简介：
  
  高乾宸，助理研究员，从事轨道车辆被动安全性研究；E-mail: qianchengao@my.swjtu.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(52175123)
- DOI：10.13890/j.issn.1000-128X.2024.04.106
  中图分类号： U270.38⁺9
- 纸质出版日期：2024-07-10，
  
  收稿日期：2024-01-02，
  
  修回日期：2024-05-08，
- 稿件说明：
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姜焙晨, 王晖, 高乾宸, 等. 切削吸能结构垂向偏置冲击试验与数值模拟研究[J]. 机车电传动. 2024(4): 125-131.

JIANG Beichen, WANG Hui, GAO Qianchen, et al. Vertical offset impact experiment and numerical simulation study on cutting-type energy absorbing structure[J]. Electric drive for locomotives. Electric drive for locomotives, 2024(4): 125-131.
姜焙晨, 王晖, 高乾宸, 等. 切削吸能结构垂向偏置冲击试验与数值模拟研究[J]. 机车电传动. 2024(4): 125-131. DOI：10.13890/j.issn.1000-128X.2024.04.106..

JIANG Beichen, WANG Hui, GAO Qianchen, et al. Vertical offset impact experiment and numerical simulation study on cutting-type energy absorbing structure[J]. Electric drive for locomotives. Electric drive for locomotives, 2024(4): 125-131. DOI：10.13890/j.issn.1000-128X. 2024. 04.106.

切削吸能结构垂向偏置冲击试验与数值模拟研究

姜焙晨 ; 王晖 ; 高乾宸 ; 汪依宁 ; 王明猛 ; 王晋乐 ;

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摘要

为了充分研究切削式吸能装置在垂向偏置载荷下的吸能性能，文章设计了全尺寸垂向偏置冲击试验，并利用有限元软件LS-DYNA对碰撞过程进行了数值模拟，基于验证后的有限元模型，进一步研究垂向偏置冲击对吸能过程的影响。结果表明，文章建立的有限元模型可以准确捕捉切削变形过程，预测的碰撞响应与试验结果吻合较好。轴向冲击工况下切削式吸能装置的总吸能量为230.74 kJ，平均力为590.20 kN，总压缩量为387.02 mm，相比于轴向冲击工况，垂向偏置冲击工况下结构的平均力、总压缩位移和总吸收能量分别减少了2.6%、1.8%和4.3%。研究发现垂直偏置冲击迫使吸能管产生了约3°的偏转，减少了吸能过程中刀具的切削深度和压缩量，这一变化解释了垂向偏置冲击工况对吸能性能的影响。

译

Abstract

To comprehensively study the energy-absorbing performance of cutting-type energy-absorbing devices under vertical offset loads, this study conducted full-scale vertical offset impact experiments and numerically simulated the collision process using LS-DYNA. Based on the verified finite element model, further exploration was performed to investigate the influence of vertical offset impact on the energy absorption process. The results indicated that the established finite element model accurately captured the cutting deformation process, showcasing close agreement between the projected collision responses and the experimental results. Under axial impact conditions, the cutting-type energy absorbing device exhibited a total energy absorption of 230.74 kJ, with an average force of 590.20 kN and a total compression of 387.02 mm. In contrast, under vertical offset impact conditions, the average force, total compression, and total energy absorption of the structure decreased by 2.6%, 1.8%, and 4.3%, respectively, when compared to axial impact conditions. The study reveals a deflection of the energy-absorbing tube by about 3° under the action of vertical offset impact, leading to a reduction in both the cutting depth and compression of the tool during the energy-absorption process. This adaption sheds light on the effect of vertical offset impact conditions on energy absorption performance.

译

关键词

切削吸能结构; 结构设计; 垂向偏置冲击试验; 数值模拟

译

Keywords

cutting-type energy-absorbing structure; structural design; vertical offset impact test; numerical simulation

译

0 引言

在实际列车运行中，碰撞事故导致的人员伤亡和财产损失难以承受，因此如何提高轨道车辆的被动安全性能已成为一个十分重要的问题。一种常见的防护措施是在车辆端部安装吸能装置，这种装置可以有效减少列车碰撞事故造成的损失，从而最大程度地保证司乘人员的安全。随着地铁车辆运营速度的不断提高，新型吸能结构如功能梯度结构^[

1-2]、泡沫填充^{[参考文献 3

百度学术

3]}、蜂窝结构^{[参考文献 1

百度学术

1]}、切削式吸能装置被广泛应用于轨道交通车辆安全防护部件。就吸能特性而言，金属切削随着切屑的生成是一种典型的不可逆能量耗散过程^{[参考文献 4

百度学术

4]}，其吸能效果优于依靠金属材料产生塑性变形的常规吸能结构^{[参考文献 5

百度学术

5]}。切削式吸能结构因其吸能稳定和初始峰值力低的特点，在列车结构设计中受到了广泛关注。

译

长期以来，相关领域学者通过试验^[

6]与数值模拟^{[参考文献 7-8

7-8]}方法对切削式吸能结构进行了大量研究，文献[4]提出了一种用于轨道车辆被动安全的新型切削式吸能装置，仿真结果表明切削式吸能具有吸能能力强、峰值力低和吸能过程可控性好等优势。文献[9]采用有限元方法研究了刀具数量、切削深度和截面外形等设计因素对切削吸能过程的影响规律，并提出了设置减荷槽控制初始峰值力的方法，随着切削深度的增加，耗散能量表现出线性增加的趋势。文献[10]提出了一种主动、被动结合的新型切削式吸能结构，并进行了试验研究，试验结果表明在准静态试验条件下该结构的吸能性能良好，铝管切割变形模式比钢管更稳定。文献[11]提出了利用金属球体代替常规切削式吸能结构的刀具进行切削吸能，以减少刀具受到的应力集中，但容易导致支撑座变形。切削式吸能结构的结构参数对吸能的影响显著，优化刀具前角和切削深度可以改善结构的耐撞性^{[参考文献 8

百度学术

8,参考文献 12

百度学术

12]}。文献[13]采用准静态试验和数值仿真方法研究了结构参数对切削吸能装置耐撞性的影响，试验结果表明切削吸能装置具有稳定的界面力、良好的变形和剥离响应。文献[14-15]提出了切削式与压溃式组合吸能装置，并对吸能过程进行了模拟，结果表明刀具前角、切屑圆心角和切削深度对切削式吸能装置的吸能过程影响较大，而切削速度对吸能过程的影响较小。

译

虽然目前已经有大量关于切削式吸能装置的设计和研究，但多数以仿真研究为主，并未考虑偏置冲击对装置吸能性能的影响。为了更好地指导切削式吸能装置结构设计，非轴向冲击影响机理和切削吸能机理都需要进一步揭示。本研究首先介绍切削式吸能装置的结构特点，并基于有限元方法对装置的耐撞性进行分析研究，通过切削式吸能装置的全尺寸垂向偏置冲击试验对模型进行验证，研究轴向冲击和垂向偏置冲击工况下切削式吸能装置的碰撞响应，并进一步分析垂向偏置载荷对结构耐撞性的影响。

译

1 冲击试验

1.1 切削式吸能装置结构

图1显示了切削式吸能装置的结构与安装位置，该装置由防爬齿、吸能管、刀具、安装座组成，这些组件通过固定螺栓安装在头车车体底架端部的两侧。当碰撞事故发生时，吸能管受压向后溃缩，切屑层受到刀具的剪切和摩擦作用形成金属切屑。冲击能量通过刀具与切屑层之间的滑动摩擦和剪切滑移变形，被转化为塑性变形能、断裂能和摩擦热能^[

6]。

译

图1 切削式吸能装置和安装位置

Fig. 1 Cutting-type energy-absorbing device and installation position

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切削式吸能装置的材料参数如表1所示，吸能管材料选用普通碳素结构钢Q235，安装座材料为低合金高强度结构钢Q355，刀具的材料为硬质合金钢。

译

表1 Q235与Q355材料参数

Table 1 Q235 and Q355 material parameters

参数名称	参数值或说明
参数名称	吸能管	安装座
材料	Q235	Q355
密度/ (kg·m^-3)	7 850	7 850
弹性模量/ GPa	210	210
屈服强度/ MPa	235	355
泊松比	0.3	0.3

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图2(a)为切削吸能装置的结构设计示意，吸能管为厚圆筒结构，可以有效承载碰撞过程中产生的垂向、轴向载荷和附加弯矩。切削式吸能装置沿吸能管周向配置了4把刀具，如图2(b)所示，当吸能装置承受到垂向偏置冲击时，吸能管会发生轻微弯曲，从而实现各刀具的均匀负载。根据文献[

13]的研究，随着切削式吸能装置行程临近最大值，切削力级呈现上升趋势，这对于吸能过程的稳定性是不利的，为了抑制这一趋势，对切屑层后段进行收口处理，随着切削行程的增加，逐步减少切削宽度，如图2(c)所示。参考类似研究，切槽设计可以消除撕裂型切屑断裂模式，从而降低热应力对刀具磨损的影响^{[参考文献 16

百度学术

16]}。此外，在本研究中，设计了垂向切槽，与传统的径向切槽^{[参考文献 9

百度学术

9, 参考文献 17

百度学术

17]}不同，其垂向切槽与副后刀面平行，如图2(d)所示，可以为刀具提供更好的导向作用。切削吸能装置的各结构参数如表2所示。

译

表2 结构设计参数

Table 2 Structural design parameters

参数名称	参数值	参数名称	参数值
吸能管外径R/mm	65	收口宽度b/mm	26
吸能管厚度T/mm	17	切削深度h/mm	4
吸能管长度L/mm	539	切削宽度e/mm	33
切槽宽度c/mm	2	切削长度l/mm	390
切槽深度h/mm	3	刀具宽度w/mm	35
收口长度a/mm	125	刀具前角α/(°)	7

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(a) 切削式吸能装置

(b) 刀具安装位置

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(d) 切槽设计

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图2 结构和切削参数设计

Fig. 2 Structural and cutting parameter design

1.2 垂向偏置冲击试验

中车青岛四方机车车辆股份有限公司进行了相关的垂直偏置冲击试验，图3为试验系统，包括切削式吸能装置、试验台车、轨道、刚性墙、数据采集系统。主动切削式吸能装置通过螺栓固定在台车前部，被动切削式吸能装置通过螺栓固定在钢板上，同时钢板和刚性墙通过2个动态高频力单元相连接。在切削吸能装置前面附加触发带，用于标定碰撞零时刻。试验轨道旁设置激光速度传感器和高速摄像机，用于记录试验台车的初始碰撞速度和结构变形。基于高速摄影图像识别技术，识别试验件上预设标记点的位置，获取主/被动切削式吸能装置压缩量。试验台车通过配重板调整配重至15.285 t，试验台车以25 km/h速度撞向轨道另一侧固结在刚性墙的被动切削式吸能装置。主/被动切削式吸能装置之间设置40 mm高度差，主动端高于被动端。

译

图3 垂向偏置冲击试验

Fig. 3 Vertical offset impact experiment

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1.3 耐撞性指标

本文选择总吸能量 $E_{A}$ 、平均力 $F_{a v e}$ 、初始峰值力 $F_{I P C}$ 、总压缩量d来量化吸能装置的耐撞性。

译

总吸能量 $E_{A}$ 表示吸能结构吸收的能量，定义为“切削力‒行程”曲线上的积分值，具体为

译

E_{A} = \int_{0}^{d} F (x) d x

(1)

式中：d为切削行程； $F (x)$ 为行程x处的瞬时切削力。

译

平均力 $F_{a v e}$ 是切削吸能过程中承受剪切载荷的平均值，可以反映切削吸能结构在稳态阶段的吸能能力，定义为

译

F_{a v e} = \frac{\int_{0}^{d} F (x) d x}{d}

(2)

2 有限元模型

本研究利用有限元软件LS-DYNA模拟轴向冲击工况和垂向偏置冲击工况下切削吸能装置的碰撞响应。图4为建立的有限元模型，模型由切削式吸能装置和刚性墙2部分组成，参考文献[

16]中的网格收敛性分析，切削区域单元尺寸设置为0.2 mm×0.4 mm×0.4 mm，其余区域单元尺寸为1 mm×2 mm×2 mm(切削区域说明见图1)。碰撞质量为15.285 t，碰撞速度为25 km/h，约束被动安装座所有自由度，只保留主动安装座x方向平动自由度，以模拟试验的边界条件。

译

图4 有限元模型

Fig. 4 Finite element model

A—轴向冲击工况；X—垂向偏置冲击工况；a—主动端吸能装置；b—被动端吸能装置。

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吸能管选择Johnson-Cook材料模型，该模型考虑了金属材料的应变硬化、应变速率强化和温度软化3种效应，在切削吸能研究中已得到了广泛的应用^[

7-8]，Johnson-Cook材料定义为：

译

σ_{y} = [A + B \cdot ({\bar{ε}}^{p})^{n}] [1 + C \cdot l n ({\dot{ε}}^{*})] [1 - (T^{*})^{m}]

(4)

T^{*} = \frac{T - T_{r o o m}}{T_{m e l t} - T_{r o o m}}

(5)

式中： $A$ 为屈服强度（准静态）； $B$ 为应变硬化常数； $σ_{y}$ 为等效应力； ${\bar{ε}}^{p}$ 为等效塑性应变；n为应变硬化指数；C 为应变率硬化常数； ${\dot{ε}}^{*}$ 为对于 ${\dot{ε}}_{0} = 1.0 s^{- 1}$ 的无因次塑性应变率， ${\dot{ε}}^{*} = \dot{ε} / {\dot{ε}}_{0}$ ；m为温度相关常数； $T^{*}$ 为对应温度； $T$ 为变形时的温度； $T_{r o o m}$ 为室温； $T_{m e l t}$ 为熔化温度；各材料参数的取值见表3。

译

表3 Johnson-Cook材料参数^{[参考文献 18

百度学术

18]}

Table 3 Johnson-Cook material parameters^{[参考文献 18

百度学术

18]}

参数名称	参数值	参数名称	参数值
屈服强度A/MPa	235	D₁	$- 0.8$
应变硬化系数B/MPa	250	D₂	2.1
应变率强化系数C	0.22	D₃	0.5
n	0.36	D₄	0.002
m	1	D₅	0.61

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Johnson-Cook模型中包含了失效模型，其断裂应变表达式为：

译

ε^{f} = [D_{1} + D_{2} e x p (D_{3} σ^{*})] (1 + D_{4} l n {\dot{ε}}^{*}) (1 + D_{5} T^{*})

(6)

σ^{*} = \frac{p}{σ_{e f f}}

(7)

式中： $ε^{f}$ 为允许破坏应变值； $D_{1} ~ D_{5}$ 为变形温度或低于变形温度条件下的失效参数； $p$ 为静水压力； $σ_{e f f}$ 为等效应力。

译

单元损伤定义为

译

D = \sum \frac{Δ {\bar{ε}}^{p}}{ε^{f}}

(8)

式中： $D$ 为单元损伤，当 $D = 1$ 时发生单元失效； $Δ {\bar{ε}}^{p}$ 为累计塑性应变； $ε^{f}$ 为断裂应变。

译

Johnson-Cook材料模型还需要用状态方程来描述固体材料在LS-DYNA中的力学行为，线性多项式状态方程为

译

p = C_{0} + C_{1} μ + C_{2} μ^{2} + C_{3} μ^{3} + (C_{4} + C_{5} μ + C_{6} μ^{2}) E

(9)

式中： $μ$ 为相对体积； $C_{0}$ ~ $C_{6}$ 为线性多项式状态方程的相关系数，本文取 $C_{1}$ 为体积模量，其他系数为0； $E$ 为内能。

译

3 数值模拟结果与验证

图5为分别通过试验和数值模拟得到的不同时刻切削吸能装置结构变形和应力云图。由图5可知，在碰撞初始阶段，只有被动切削式吸能装置参与切削过程，切屑不断卷起，形成了连续带状切屑。随着被动切削式吸能装置达到最大压缩位置，主动切削式吸能装置开始切削过程。整个碰撞过程在210 ms时刻结束，应力最大值出现在切屑大变形区域，为294 MPa。

译

图5 切削式吸能装置结构变形

Fig. 5 Structural deformation of cutting-type energy-absorbing device

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图6为切削式吸能装置“界面力‒位移” 历程曲线和“吸能量‒位移”历程曲线。通过图6对比可知，试验与仿真的吸能特性曲线吻合较好，在刀具与吸能管发生接触后，碰撞力级急剧增加，达到初始峰值力。随着切削阻力不断增加，切削吸能过程进入相对平稳阶段，力级稳定在600 kN左右。实测吸能装置总压缩位移为572 mm，其中主动端变形量为214 mm，被动端变形量为358 mm，有效吸能行程比为91.8%；数值模拟得到的总压缩位移为601 mm，其中主动端和被动端变形量分别为229 mm和372 mm。

译

(a) 界面力‒位移曲线

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(b) 吸能量‒位移曲线

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图6 切削式吸能装置的吸能性能

Fig. 6 Energy absorption performance of cutting-type energy-absorbing device

表4为通过试验与数值仿真模拟得到的耐撞性指标。由表4可知，在总吸能量、平均力和总压缩位移方面，试验和数值模拟结果仅存在较小的差异，最大误差为5.78%。研究中观察到数值模拟的初始峰值力高于试验结果，这是由于碰撞初期的吸能行为难以预测，但该误差对总体吸能过程影响较小。总体而言，数值模拟得到的碰撞响应与试验结果吻合较好，可以准确模拟吸能装置的切削过程。

译

表4 试验与仿真耐撞性指标

Table 4 Experimental and simulation impact resistance indicators

项目

总吸能量

E_{A}

/kJ

平均力

F_{a v e}

/kN

总压缩位移d/mm

初始峰值力

F_{I P C}

/kN

试验

333.56

583.17

571.98

652.39

数值

仿真

352.84

586.66

601.44

618.25

误差/%

5.78

0.60

5.15

5.23

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4 垂向偏置冲击对结构性能的影响

为了研究垂向偏置冲击对结构吸能性能的影响，使得当碰撞结束时切削式吸能装置达到最大压缩量，将增加碰撞质量至25 t。图7为轴向冲击工况和垂直偏置冲击工况切削式吸能装置的“界面力‒位移”曲线。由图7可知，在垂直偏置冲击工况下结构在位移200 ~300 mm内的力级下降约50 kN。表5为2种工况下吸能装置耐撞性对比，其中轴向冲击工况的总吸能量 $E_{A}$ 为230.74 kJ，平均力 $F_{a v e}$ 为590.20 kN，总压缩量d为387.02 mm，相比于轴向冲击工况，垂向偏置冲击工况下结构的平均力 $F_{a v e}$ 、总压缩位移d和总吸能量 $E_{A}$ 分别减少了2.6%、1.8%和4.3%。

译

图7 不同工况装置的吸能性能

Fig. 7 Energy absorption performance of devices under different operating conditions

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表5 不同工况耐撞性指标对比

Table 5 Comparison of impact resistance indicators under different conditions

项目

总吸能量

E_{A}

/kJ

平均力

$F_{a v e}$ /kN

总压缩位移

d/mm

轴向冲击工况

230.74

596.20

387.02

垂向偏置冲击工况

220.78

580.94

380.04

误差/%

4.3

2.6

1.8

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刀具负载过程可以定义为初始切削阶段（0~40 mm）、稳定切削阶段（40~360 mm）和挤压阶段（360~400 mm），图8(a)为2种工况下不同刀具负载的数值模拟结果。由图8(a)可知，在初始阶段和稳定切削阶段前期，各刀具表现出了相似的吸能特性，但值得注意的是X-2-b在稳定切削阶段后期其力级又出现明显下降的现象，结合表6的耐撞性指标对比发现，X-2-b的总吸能量 $E_{A}$ 、平均力 $F_{a v e}$ 和总压缩量d均小于其他刀具。图8(b)为主动端和被动端吸能管的偏转角变化曲线。由图8(b)可知，在0.12 s时吸能管发生了约3°的偏转，产生的原因可以归结为吸能管受到了垂向载荷和附加弯矩的耦合作用。图9描述了切削式吸能装置在垂直偏置载荷冲击下的吸能过程。由图9可知，随着防爬齿的啮合和压缩量的增加，吸能管的偏转减少了X-2-b的切削深度和压缩量，这一变化解释了垂向偏置冲击工况对吸能性能的影响。

译

表6 刀具耐撞性指标对比

Table 6 Comparison of impact resistance indicators of tool

仿真工况	初始峰值力 $F_{I P C}$ /kN	总吸能量 $E_{A}$ /kJ	平均力 $F_{a v e}$ /kN	总压缩位移d/mm
A-1	141.98	64.51	166.62	387.16
A-2	140.42	64.04	165.49	386.96
X-1-a	121.43	61.08	160.80	379.84
X-2-a	120.43	62.69	164.23	381.71
X-1-b	122.88	62.61	163.67	382.54
X-2-b	124.76	59.66	158.86	375.56

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(a) 刀具负载曲线

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(b) 吸能管偏转角

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图8 刀具和吸能管吸能性能

Fig. 8 Energy absorption performance of tool and tube

图9 吸能管受垂向载荷和附加弯矩的耦合作用

Fig. 9 Coupling effect of vertical load and additional bending moment on energy absorbing tube

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5 结论

本文首先进行了切削式吸能装置结构设计，并基于有限元方法对装置的耐撞性进行研究，通过全尺寸垂向偏置冲击试验验证了数值模型的有效性。在此基础上，进一步研究了垂向偏置载荷对吸能装置耐撞性的影响，得出以下主要结论：

译

①全尺寸冲击试验结果表明，在偏置冲击下切削式吸能装置切削力级平稳，结构变形模式稳定，有效吸能行程比为91.8%。

译

②数值模拟结果表明，模型可以准确捕捉切削变形过程，预测的碰撞响应与试验结果吻合较好，总吸能量、平均力和总压缩位移的最大误差为5.78%。

译

③轴向冲击工况下切削式吸能装置的总吸能量为230.74 kJ，平均力为590.20 kN，总压缩量为387.02 mm，相比于轴向冲击工况，垂向偏置冲击工况下结构的平均力、总压缩位移和总吸能量分别减少了2.6%、1.8%和4.3%。在垂向载荷和附加弯矩的耦合作用下，吸能管发生了约3°的偏转，减少了刀具的切削深度和压缩量，这一变化解释了垂向偏置冲击工况对吸能性能的影响。

译

参考文献

王晋乐, 田洪雷, 赵士忠, 等. 蜂窝填充梯度吸能结构力学特性试验研究[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2022, 53(5): 1904-1917. [百度学术]

WANG Jinle, TIAN Honglei, ZHAO Shizhong, et al. Experimental study on mechanical properties of honeycomb-filled gradient energy absorption structure[J]. Journal of central south university (science and technology), 2022, 53(5): 1904-1917. [百度学术]

陈佳明, 朱涛, 肖守讷, 等. 结构参数对铝蜂窝防爬器吸能特性影响[J]. 机车电传动, 2022(2): 155-162. [百度学术]

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摘要

Abstract

To comprehensively study the energy-absorbing performance of cutting-type energy-absorbing devices under vertical offset loads

this study conducted full-scale vertical offset impact experiments and numerically simulated the collision process using LS-DYNA. Based on the verified finite element model

further exploration was performed to investigate the influence of vertical offset impact on the energy absorption process. The results indicated that the established finite element model accurately captured the cutting deformation process

showcasing close agreement between the projected collision responses and the experimental results. Under axial impact conditions

the cutting-type energy absorbing device exhibited a total energy absorption of 230.74 kJ

with an average force of 590.20 kN and a total compression of 387.02 mm. In contrast

under vertical offset impact conditions

the average force

total compression

and total energy absorption of the structure decreased by 2.6%

1.8%

and 4.3%

respectively

when compared to axial impact conditions. The study reveals a deflection of the energy-absorbing tube by about 3° under the action of vertical offset impact

leading to a reduction in both the cutting depth and compression of the tool during the energy-absorption process. This adaption sheds light on the effect of vertical offset impact conditions on energy absorption performance.

关键词

切削吸能结构结构设计垂向偏置冲击试验数值模拟

Keywords

cutting-type energy-absorbing structurestructural designvertical offset impact testnumerical simulation

references

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