張松，馮勝全，黃建新

(中國直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

常見的結(jié)構(gòu)壓潰吸能方式主要有刨削式、收縮式、折疊式和脹筒式等四種形式。這些吸能結(jié)構(gòu)在汽車、航空航天、高速列車等領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。通過結(jié)構(gòu)的變形、相互作用等形式來吸收碰撞時的能量，從而起到對駕乘人員的保護作用。

對于脹筒式壓潰吸能結(jié)構(gòu)，JE W[1]第一次提出采用剛性錐形壓頭置于金屬管中作為飛行器軟著陸系統(tǒng)緩沖器。為了更好地理解這種緩沖器的性能，就必須研究它的變形機理以及圓管膨脹時的吸能特性。盧險峰等[2]利用主應(yīng)力法綜合考慮擴口變形過程中多個影響因素，推導(dǎo)出一組錐形模擴口成形力計算的理論公式。LU Y H[3]在研究中給出了管擴徑比、管端向下比和管端應(yīng)變比隨擴徑過程中壓頭行程和速度理論表達式。AlMEIDA B P P等[4]研究了界面摩擦對材料流動的影響以及材料損傷和應(yīng)變路徑對斷裂、起皺和局部屈曲的影響。羅昌杰等[5]通過試驗方法研究了薄壁鋁管在準靜態(tài)作用下的吸能特性，分析其工作過程中的變形機理，并提出用預(yù)處理方法來提高緩沖器的理想吸能效率，減小緩沖力波動。馬彥婷[6]在研究脹筒壓潰吸能結(jié)構(gòu)參數(shù)的同時，提出了脹筒緩沖器的優(yōu)化設(shè)計方向。也有多位學(xué)者采用數(shù)值模擬方法研究了薄壁方管和圓管在軸向載荷、側(cè)向載荷作用下的塑性膨脹吸能特性[7-10]。文獻[11-12]嘗試采用特殊的壓模結(jié)構(gòu)，使得薄壁圓管在軸向載荷作用下，發(fā)生膨脹-劈裂組合變形，進一步提高緩沖器的吸能能力。

前人大多研究鋁合金等材料的小尺寸脹筒結(jié)構(gòu)吸能特性，其吸能效率高，功量曲線飽滿。本文將對30CrMnSiA材料的大尺寸脹筒結(jié)構(gòu)進行準靜態(tài)壓縮試驗和有限元仿真，對脹筒結(jié)構(gòu)壓潰吸能能力進行研究。后續(xù)將采用脹筒壓潰結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)雙腔油氣式緩沖器的高壓腔。這對后續(xù)研究和發(fā)展新型油氣+脹筒串聯(lián)式壓潰吸能抗墜毀起落架具有重要意義和實用價值。

1 試驗設(shè)計

1.1 脹筒結(jié)構(gòu)壓潰吸能結(jié)構(gòu)

脹筒式結(jié)構(gòu)壓潰吸能結(jié)構(gòu)是依靠擴徑變形過程中的彈塑性變形和摩擦來吸收沖擊能量的。圖1為該結(jié)構(gòu)的工作原理圖。當(dāng)外部輸入的沖擊載荷超過緩沖器的設(shè)計閾值時，由于錐環(huán)的大端外徑大于脹環(huán)下端的內(nèi)徑，在錐環(huán)進入脹環(huán)時會出現(xiàn)擴徑現(xiàn)象，外部輸入的沖擊能量轉(zhuǎn)換為脹環(huán)材料的彈塑性變形及組件之間的摩擦熱能，從而達到緩沖吸能的目的[5]。

圖1 脹筒壓潰吸能結(jié)構(gòu)原理圖

根據(jù)文獻[2-13]可得，未考慮定徑長度，壓潰緩沖力表達式為

P=1.15KπR1t(1+μcot?)cos?·[

(1-2n)·

(1)

式中：R1、R2分別為擴徑前、后脹筒的中徑；t為脹筒壁厚；?為脹筒的半錐角；ke為擴徑系數(shù)，ke=R2/R1；μ為摩擦系數(shù)；K為材料的強度系數(shù)；n為材料硬化指數(shù)。

根據(jù)文獻[14]考慮定徑長，壓潰緩沖力表達式為

P=2.3πσsBR1t

(2)

式中

其中：σs為30CrMNSiA材料的屈服強度；l為定徑段長度。

1.2 試驗準備

根據(jù)脹筒擴徑原理以及上述兩種理論計算方法，影響脹筒軸向載荷的主要因素有脹筒的壁厚、初始直徑、擴后直徑、脹筒的半錐角、定經(jīng)段長度以及材料的摩擦系數(shù)、屈服極限等。本文將選取半錐角、壁厚、定徑長3個因素進行研究。試驗所用的脹筒結(jié)構(gòu)模型及主要尺寸如圖2所示，脹筒材料選取飛機制造業(yè)中使用最廣泛的一種調(diào)制鋼30CrMnSiA，材料基本參數(shù)如表1所示。脹筒結(jié)構(gòu)變形前中徑R1=55mm，變形后中徑R2=60mm，采用控制變量法，分別對壁厚從2mm～3mm、半錐角從10°～20°、定徑段長度從40mm～80mm進行準靜態(tài)壓縮試驗。試驗件的具體變化參數(shù)如表2所示。

圖2 試驗結(jié)構(gòu)的主要尺寸

表1 30CrMnSiA材料參數(shù)表

表2 試驗件明細表

2 試驗

對脹筒式壓潰吸能結(jié)構(gòu)進行壓縮試驗研究，主要研究其在準靜態(tài)壓縮條件下的緩沖性能。所有試驗均在室溫20 ℃、相對濕度50%的條件下進行，在靜壓曲線試驗臺上以3mm/min的穩(wěn)態(tài)壓縮速度完成。

2.1 半錐角影響因素試驗

半錐角影響因素試驗分別完成了10.0°、12.5°、15.0°、17.5°、20.0° 5種不同半錐角脹筒的擴徑試驗，試驗件的其他尺寸參數(shù)見圖2及表2。圖3為半錐角20°的脹筒結(jié)構(gòu)的壓縮過程。圖4給出了不同半錐角的脹筒結(jié)構(gòu)在準靜態(tài)壓縮下的載荷-位移曲線。從載荷-位移曲線可以看出，當(dāng)錐桿下部初次接觸脹筒待變形區(qū)時，載荷迅速增加達到一個峰值，隨著錐桿的侵入，變形量的增加，載荷逐漸減小，然后達到一個穩(wěn)定水平，出現(xiàn)一個平臺區(qū)，載荷波動較小，可以有效吸能，使被保護的對象得到有效保護。

圖3 脹筒結(jié)構(gòu)的壓潰過程

圖4 不同半錐角脹筒擴徑試驗曲線

前文分析過，脹筒壓潰結(jié)構(gòu)吸能緩沖器緩沖力的主要來源是脹筒彈塑性變形產(chǎn)生的擴徑力以及錐桿和脹筒之間接觸產(chǎn)生的摩擦力。在參數(shù)不同的情況下，有些是擴徑力起到主導(dǎo)作用，另一些是摩擦力起到主導(dǎo)作用。在半錐角不同的情況下，變徑段長度發(fā)生變化，導(dǎo)致接觸面積發(fā)生變化，接觸面積與半錐角呈負相關(guān)關(guān)系，半錐角越小，接觸面積越大。如圖5所示，半錐角在15.0°、17.5°、20.0°時，壓潰載荷隨半錐角的增加而緩慢增大，可見此時擴徑力為主導(dǎo)因素；半錐角為10.0°時接觸面積最大，穩(wěn)定壓潰載荷也明顯偏大，可見此時壓潰載荷由摩擦力占主導(dǎo)作用，但整體上在10.0°～20.0°小范圍內(nèi)，半錐角變化對壓潰載荷的影響較小。

圖5 不同半錐角脹筒穩(wěn)定壓潰載荷變化圖

2.2 壁厚影響因素試驗

壁厚影響因素試驗分別完成了2.00mm、2.25mm、2.50mm、2.75mm和3.00mm 5種不同壁厚脹筒的擴徑試驗，試驗件的其他尺寸參數(shù)見圖2及表2。圖6給出了不同壁厚的脹筒結(jié)構(gòu)在準靜態(tài)壓縮下的載荷-位移曲線。如圖7所示，隨著脹筒厚度的增加，相同的擴徑量下，擴徑材料增多，于是脹筒的壓潰載荷也隨之增大。當(dāng)脹筒壁厚從2.00mm增加到2.75mm的過程中，脹環(huán)的壓潰載荷呈線性上升趨勢。當(dāng)脹筒壁厚從2.75mm增加到3.00mm時，壓潰載荷的增幅較小。這可根據(jù)金屬彈塑性理論對此作出解釋，當(dāng)脹筒擴徑導(dǎo)致材料的應(yīng)變增大到一定程度，應(yīng)力超過σb點后，金屬將由均勻塑性變形轉(zhuǎn)向局部集中塑性變形，應(yīng)力開始下降，導(dǎo)致壓潰載荷增幅減緩。

圖6 不同壁厚脹筒擴徑試驗曲線

圖7 不同壁厚脹筒穩(wěn)定壓潰載荷變化圖

2.3 定徑長影響因素試驗

定徑段長度影響因素試驗分別完成了40mm、50mm、60mm、70mm、80mm 5種不同定徑長度脹筒的擴徑試驗，試驗件的其他尺寸參數(shù)見圖2及表2。圖8給出了不同定徑長的脹筒結(jié)構(gòu)在準靜態(tài)壓縮下的載荷-位移曲線。圖9展示了脹筒穩(wěn)定壓潰載荷隨定徑長變化的變化趨勢，從趨勢上看，穩(wěn)定載荷基本相同。該趨勢是由于半錐角的存在，錐桿變徑帶和定徑帶過渡段存在局部幾何突變，金屬材料的塑性形變在此處不會完全貼合錐桿的外表面，導(dǎo)致脹筒的實際擴徑量會略大于設(shè)計擴徑量。因此定徑帶的外表面幾乎不會與脹筒的內(nèi)壁接觸，即定徑帶的長度對壓潰載荷的影響不大。但定徑長過小易失穩(wěn)導(dǎo)致初始壓潰載荷偏大。在設(shè)計過程中只要保證定徑帶長度滿足強度要求且不發(fā)生失穩(wěn)情況即可。

圖8 不同定徑長脹筒擴徑試驗曲線

圖9 不同定徑長脹筒穩(wěn)定壓潰載荷變化圖

3 有限元模擬

3.1 模型建立

模擬實驗采用ABAQUS/Standard有限元分析，模型中脹筒結(jié)構(gòu)采用三維可變形殼單元，錐桿為三維實體單元，本文不考慮其變形，在相互作用中將錐桿賦予剛體約束，下底板采用離散剛體。材料屬性中輸入表1中相關(guān)的密度、彈性屬性，塑性數(shù)據(jù)，按圖10[15]進行相應(yīng)處理。分析步中建立一個靜力通用分析步。相互作用環(huán)節(jié)，脹筒與錐桿之間設(shè)置面面接觸，接觸屬性法向行為設(shè)為硬接觸，切向行為摩擦為罰摩擦，摩擦系數(shù)取0.18。同時脹筒在變形過程中存在自接觸現(xiàn)象，對脹筒自身設(shè)置一個自接觸，接觸屬性同上。脹筒下端與下底板之間設(shè)置綁定約束，防止脹筒在壓縮過程中發(fā)生側(cè)向位移。約束和加載方式：選擇下底板的剛體參考點，約束全部自由度，約束錐桿的2個平動自由度和3個轉(zhuǎn)動自由度，同時給一個向下400mm的位移約束，確保錐桿可以垂直下壓。三維殼體的網(wǎng)格劃分選用S4R單元，錐桿的網(wǎng)格劃分選用C3D10單元，下底板的網(wǎng)格劃分選用R3D4單元。網(wǎng)格劃分完成后，對網(wǎng)格進行質(zhì)量檢查，有限元模型如圖11所示。

圖10 30CrMnSiA材料壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖11 脹筒壓潰吸能結(jié)構(gòu)的有限元模型

3.2 脹筒結(jié)構(gòu)壓潰結(jié)果分析

如圖12所示，錐桿緩慢下壓，錐桿的下端先與脹筒的導(dǎo)向部分接觸，隨后錐桿的定徑段進入脹筒，脹筒受到擠壓，接觸位置應(yīng)力達到屈服強度，發(fā)生塑性變形。

圖12 脹筒壓潰吸能結(jié)構(gòu)壓潰過程及應(yīng)力變化

對上述擴徑前中徑為55mm，擴徑后中徑為60mm的脹筒，選取KT-2210-2、KT-2210-3、KT-2220-3、KT-2320-3四組工況代入1.1中式(1)、式(2)進行理論計算，并將計算結(jié)果、仿真結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比，結(jié)果如表3所示。同時還選取了編號KT-2320-3脹筒和編號KT-4000-12錐桿試驗壓潰載荷-位移曲線和仿真壓潰載荷-位移曲線進行對比，結(jié)果如圖13所示。仿真得到的曲線變化趨勢與試驗曲線相近，載荷先快速增加達到一個峰值，隨后載荷逐漸減小，達到一個較為穩(wěn)定的水平，出現(xiàn)一個平臺區(qū)。

表3 理論計算與仿真、試驗結(jié)果對比

圖13 試驗與仿真載荷-位移曲線對比

綜合對比表3和圖13數(shù)據(jù)，本文所建立的大尺寸脹筒壓潰吸能結(jié)構(gòu)有限元模型仿真計算結(jié)果與方法一理論計算結(jié)果和試驗實測結(jié)果的契合度都比較高，說明了建模的正確性。但根據(jù)方法二，考慮定徑段長度時，擴徑成形力計算結(jié)果與試驗值偏差普遍超過20%。分析其原因是因為該方法推導(dǎo)的計算公式只適用于小半錐角的情況。通過仿真繪制脹筒上節(jié)點軌跡，發(fā)現(xiàn)由于較大半錐角的存在，脹筒實際擴徑量略大于設(shè)計值，導(dǎo)致錐桿的定徑段外表面不會完全接觸脹筒內(nèi)壁。在此基礎(chǔ)上，本文做了半錐角為5°情況下的有限元仿真，結(jié)果穩(wěn)定壓潰載荷約為341 930.24N，而用方法二計算得到的擴徑力為307 535.27N，二者的偏差為10.06%。綜合對比仿真數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)，仿真數(shù)據(jù)一般略大于試驗數(shù)據(jù)，故該計算值與真實試驗值的偏差應(yīng)該<10%。綜上所述，在本文研究的半錐角范圍內(nèi)，定徑段的長度對壓潰載荷的影響不大。

最后，給出所有仿真和試驗脹筒擴徑穩(wěn)定壓潰載荷對比圖(圖14-圖16)，仿真結(jié)果和試驗值之間的偏差都控制在10%以內(nèi)，符合工程標準。

圖14 半錐角影響因素試驗與仿真載荷對比

圖15 壁厚影響因素試驗與仿真載荷對比

圖16 定徑長影響因素試驗與仿真載荷對比

4 動態(tài)沖擊下的吸能研究

作為起落架抗墜毀部段結(jié)構(gòu)，脹筒結(jié)構(gòu)主要承受沖擊載荷，有學(xué)者做過相關(guān)研究[16],證明薄壁管壓潰擴徑的緩沖力對壓潰速度不敏感。本文在此基礎(chǔ)上，對編號為KT-2010-3的脹筒，采用ABAQUS/Explicit建立動態(tài)仿真模型，在10m/s的速度沖擊下，壓潰載荷位移曲線如圖17所示，與靜態(tài)條件相比，二者的變化趨勢基本一致，穩(wěn)定壓潰載荷相差在1.8%左右。因此可用準靜態(tài)壓潰的試驗值進行動態(tài)壓潰情況分析。

圖17 動靜態(tài)仿真下脹筒載荷-位移曲線對比圖

5 結(jié)語

本文通過試驗研究了大尺寸結(jié)構(gòu)鋼脹筒壓潰吸能結(jié)構(gòu)的性能，采用控制變量法研究了半錐角、壁厚以及定徑段長度3個因素對脹筒壓潰吸能效果的影響，并給出了合理的理論解釋。文中還建立了脹筒壓潰吸能結(jié)構(gòu)的有限元模型，其仿真計算結(jié)果與試驗結(jié)果基本吻合，對后期脹筒結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計有著積極的作用。本文的研究對壓潰式吸能抗墜毀起落架的設(shè)計以及結(jié)構(gòu)參數(shù)選取具有一定的參考價值和指導(dǎo)意義。