安春雷 叶天一 谢兴龙 王凯
(中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛）
摘要：本文基于轨道车辆被动安全性研究，结合蜂窝材料优异的吸能特性和近几年对蜂窝铝结构的试验分析与理论研究，设计出两种内置六边形蜂窝铝的防爬吸能装置，并对两种防爬吸能结构进行仿真分析，参考吸能元件耐撞性评价指标，对两种蜂窝吸能结构的吸能特性进行评估。该研究对轨道交通装备的新型缓冲吸能结构的设计具有一定的参考价值。
关键词：被动安全性；蜂窝铝结构；耐撞性；吸能
引言：
蜂窝材料不仅具有良好的缓冲吸能功能，还可适应于多种复杂的外界环境，以不同形式满足众多需求。因此本文尝试通过建立均匀壁厚组合式蜂窝吸能结构和串联式蜂窝吸能结构仿真模型，对比两种吸能结构的比吸能、初始碰撞力峰值、平均载荷和缓冲指数，比较其吸能特性。
1.蜂窝铝异面冲击性能研究
1.1蜂窝铝力学特性介绍
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图1.均匀壁厚蜂窝铝结构模型
1.2有限元模型的建立
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图3整体型组合式蜂窝吸能结构
2.吸能元件耐撞性评价指标
吸能元件作为重要的碰撞吸能装置，评价其碰撞特性的指标如下：
（1）比吸能SEA：比吸能（Specific Energy Absorption）表示结构单位质量上所吸收的碰撞能量。其表达式为：
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3.仿真结果分析
（1）图4和图5分别为移动刚性墙将整体型串联式蜂窝吸能结构和整体型组合式蜂窝吸能结构压溃至264mm时的能量和碰撞力变化曲线。由能量-缓冲行程曲线可知：在整个碰撞仿真过程中，总能量不变，动能逐渐被耗散，当该吸能结构压溃至264mm时，共吸能211KJ；由碰撞力-缓冲行程曲线可知：该结构在缓冲行程约为6mm时出现初始碰撞力峰值1090KN，之后随着金属蒙皮和铝蜂窝的塑性变形，碰撞力有所降低，整体变化趋势较为稳定。
（2）图6和图7分别是整体型组合蜂窝式吸能结构的能量和碰撞力随时间变化的曲线。由能量-缓冲行程曲线可知：总能量始终不变，动能逐渐被耗散，内能上升，当该吸能结构被压溃至264mm时，共吸能189KJ；由碰撞力-缓冲行程曲线可知：该吸能结构在缓冲行程约为1ms时出现碰撞力峰值484.86KN，随着缓冲行程的不断增加，碰撞力起伏较大。
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图7组合式吸能结构碰撞力-缓冲行程曲线
4.两种吸能结构评价指标对比
基于上面所提到的吸能元件耐撞性评价指标，对两种吸能结构进行对比。表5.3为具体对比情况。由数据可知，相同规格的二级串联式铝蜂窝的比吸能远大于同规格二级组合式铝蜂窝，除初始碰撞力峰值较大外，平均载荷及缓冲指数均优于组合式蜂窝吸能结构，因此，串联式蜂窝吸能结构的吸能力要优于组合式蜂窝吸能结构，综上所述：串联式蜂窝吸能结构更适合作为缓冲吸能装置使用。
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5.结论
（1）本文首先对蜂窝铝的力学性能进行了简要介绍，并结合国内外学者对轨道车辆防爬器的研究，建立了两种内置蜂窝铝的防爬吸能结构：整体型串联式蜂窝吸能结构和整体型组合式蜂窝吸能结构。并对其进行了碰撞仿真分析，经过耐撞性评价指标对比，结果表明：整体型串联式蜂窝吸能结构的吸能力要优于整体型组合式蜂窝吸能结构。
（2）本文研究内容可用于完善和拓展蜂窝材料的结构设计和应用领域，针对耐撞性仿真分析所设计出的两种防爬吸能结构的研究，对轨道交通装备的新型缓冲吸能结构的设计具有一定的参考价值。
6.参考文献
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表3.1 两种吸能结构的评价指标对比