[科普中国]-吸能过程

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吸能过程是一个能量转换的过程，包括动能与内能的转化，动能与其他形式能量的转化。

轨道车辆切削式吸能过程示例利用金属切削过程吸收能量的原理，在金属切削研究和轨道车辆吸能研究的交叉领域内，提出一种利用切屑生成过程进行吸能并用于轨道车辆被动安全的新型切削式吸能装置。根据非线性动态模拟理论，利用显式有限元软件 ANSYS/LS-DYNA对该切削式吸能装置的吸能过程进行三维仿真，得到该装置在撞击过程中能量吸收和切削力的时程曲线。研究结果表明：与现有吸能装置相比，切削式吸能装置可以在更短的时间内吸收撞击能量，而且吸能能力更强；切削式吸能装置具有更强的降低撞击力峰值的能力，而且撞击力到达第1个峰值的时间也有所延迟。1

轨道车辆切削式吸能过程的仿真在切削式吸能过程中，工件上的被切削层在刀具的挤压作用下，沿切削刃附近的金属首先产生弹性变形，当剪应力引起的应力达到金属材料的屈服极限后，切削层金属便发生滑移，沿切削分离线与工件未加工表面发生分离，产生塑性变形，然后，沿前刀面流出。在流出过程中，受摩擦力作用再次发生滑移变形。

借助于大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA对切削式吸能过程进行仿真。ANSYS/LS-DYNA同时具有ANSYS强大的前后处理功能和LS-DYNA的非线性求解功能的特点，而且LS-DYNA是世界上著名的以显式为主、隐式为辅的通用显式非线性动力分析程序，能够模拟真实世界的各种复杂问题，适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性动力冲击问题，在工程应用领域被认可为最佳的分析软件包。1

接触的处理切削过程中刀具与工件、切屑的接触处理是一个非常关键的问题。接触问题涉及应力集中、边界非线性、材料或几何非线性，甚至单元的侵蚀，问题复杂，但十分重要。

由于是三维分析且切削式吸能过程中涉及工件材料的去除问题，因此，选用面面侵蚀接触算法来仿真切削过程中的刀具和工件的接触问题。在定义侵蚀接触时，指定发生材料失效时保持边界条件对称，允许发生实体内部侵蚀，自由表面发生侵蚀时包括实体单元的表面。1

能量吸收速度和切削力的时程变化曲线对切削吸能过程进行仿真，对吸能过程中能量变化及切削力变化曲线进行分析。

切削式吸能过程是一个能量转换的过程，包括：动能与内能的转化，动能与其他形式能量的转化。能量以何种方式耗散对吸能装置的吸能效果有较大影响。由能量守恒定理可知：在吸能过程中能量总和不变，发生碰撞前的动能与碰撞后的内能相当，即在碰撞发生时能量开始趋于平稳，最终吸收的总能量为2.276kJ。

随着撞击时间的推移，结构塑性变形逐渐增大，吸能装置因发生塑性变形和变形后的材料破裂消耗了内能，该内能来自冲击动能。也可以说是吸能装置在碰撞过程中因发生材料的塑性大变形和变形之后材料破裂吸收冲击动能。

在撞击开始时，速度最大，当吸能元件开始切削时，碰撞速度迅速下降，直至趋为0。撞击开始后约2ms，出现整个撞击过程中撞击力的第1个峰值，其值为39.7kN。1

与现有吸能过程进行比较为了与切削式吸能过程进行比较，现给出利用金属塑性变形吸能的现有吸能元件的吸能特性曲线。已用于耐冲击地铁车辆的吸能元件，其形状为方管薄壁结构(60mm×70mm×300mm，侧壁厚度均为1.5 mm)，在与切削式吸能元件相同的撞击条件(即方管的一端约束，另一端受到质量为50kg的刚性块以10m/s的速度撞击)下，数值仿真结果和实物撞击结果吻合。

撞击开始后约35ms，撞击动能逐渐被消耗，装置吸收的能量开始趋于平稳，最终吸收的总能量为2.47kJ。撞击开始后约1ms，出现整个撞击过程中撞击力的第1个峰值，其值为58.176kN。1

在不考虑切削式吸能过程中以热能形式耗散掉的能量的基础上，对2种吸能过程吸能效果进行比较。进行比较可知：在撞击条件完全相同情况下，2种原理不同的吸能装置在撞击过程中能量随时间的变化趋势均是一致的；与现有吸能元件比较，切削式吸能过程可以在更短的时间内吸收更多的撞击能量。

现有吸能元件撞击力峰值是切削式吸能过程撞击力峰值的1.5倍，说明切削式吸能装置具有更强的降低撞击力峰值的能力；切削式吸能装置撞击力达到第1个峰值的时间比现有吸能装置到达第1个峰值的时间长，说明切削式吸能装置对撞击力峰值出现时间的调控能力更强。1

金属切削吸能过程的示例利用显式有限元软件LS-DYNA，对4340钢的切削吸能过程进行三维数值仿真，模拟了切屑的形成过程。模型以 Cowper-Symonds本构模型模拟切削层材料，采用有效塑性应变作为切屑分离准则。研究结果表明，金属切削吸能过程的吸能能力较强，金属材料塑性大变形和变形之后材料破裂的过程是一种理想的吸能模式。2

4340钢切削吸能过程金属切削吸能过程属于典型的几何非线性问题，塑性变形又属于材料非线性问题，同时切削过程具有连续性和动态性的特点。刀具切削工件，当应力达到4340钢的屈服极限后，切削层材料产生滑移变形，与工件材料分离，切削层材料沿前刀面流出，在这个过程中形成切屑。在切屑形成的过程中，由于工件材料的塑性变形和变形后的材料破裂吸收能量。塑性流动在切屑起始弯曲的部分值最大，并且向切屑两边逐渐减小。2

4340钢的切削吸能过程是一个能量的转移过程，要遵循能量守恒定理，切削前刀具的动能与切削后工件材料的内能应该是相当的，即在切削过程中刀具大部分的动能转化为工件材料的内能。从吸收的能量－时间历程图可以得到，切削前刀具的动能为117kJ，切削后工件的内能为110.9 kJ，有94.8%的动能转化为内能，说明切削吸能的能力较强。还可以看出，随着切削时间的推移，工件材料塑性变形逐渐增大，工件因发生塑性变形和变形后的材料破裂消耗了刀具的动能。2

切削吸能过程中的切削力—时间历程当刀具切入时，材料的塑性变形不断增大，刀屑接触长度进一步增加，切削力也随之不断增大。当切屑开始形成以后，刀屑之间的接触长度基本不再变化，切屑不断平稳地产生和流出，切削力趋于稳定，但是切削过程中，由于刀具的速度逐渐减小，切削力有所波动。从切削吸能过程中的刀具速度—时间历程曲线可以看出，切削开始时，刀具的速度最大，当工件开始切削时，刀具的速度逐渐减小，直至为 0，并有回弹。2

金属切削吸能过程性质（1）经过对4340钢切削吸能过程的仿真研究可以得出，金属切削吸能过程的吸能能力较强，金属材料塑性大变形和变形之后材料破裂的过程是一种理想的吸能模式；

（2）金属切削吸能过程吸能效果较好 ，经过研究和设计，采用该吸能原理的能量吸收装置可以应用在各种载运工具上，应用前景非常广泛。2

本词条内容贡献者为:

李嘉骞 - 博士 - 同济大学