吸能盒盒體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

都雪靜，韋麗蘋

(東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，哈爾濱 150040)

吸能盒作為汽車在發(fā)生正碰時(shí)的主要吸能部件，其抗撞性能至關(guān)重要。在20世紀(jì)中期，Alexande建立吸能部件模型［1］對(duì)圓管軸向變形時(shí)吸能的過程進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過觀察，提出了宏單元，簡(jiǎn)化了薄壁結(jié)構(gòu)模型，為結(jié)構(gòu)抗撞性能的研究奠定了基礎(chǔ)。隨 后，Melosh［2］，Ni［3－5］，Herridge［6］以 及Kama1［7－9］等學(xué)者將計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)引入吸能部件的抗撞性能設(shè)計(jì)中，使有限元技術(shù)在吸能盒結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中起了很大作用。PAM-CRASH，LSDYNA，ABAQUS和RADIOSS等各種有限元軟件的不斷更新，進(jìn)一步促進(jìn)了對(duì)汽車抗撞性能的研究。20世紀(jì)60年代開始，學(xué)者們對(duì)吸能盒的材料進(jìn)行了大量研究，在高分子復(fù)合材料、金屬材料、蜂窩材料等方面已有所突破。在結(jié)構(gòu)方面，Macaulay和Alexander首先開始了這方面的研究，取得了一定的突破，為吸能盒結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。20 世紀(jì) 90 年代，Han 和 Yamazaki［10－11］對(duì)吸能盒的形狀進(jìn)行了研究，分別對(duì)圓管和方管吸能盒以及圓柱殼的吸能特性進(jìn)行了分析。21世紀(jì)初，吸能盒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化已經(jīng)有了一定的突破。但在國(guó)內(nèi)，只有少數(shù)學(xué)者對(duì)吸能盒內(nèi)部結(jié)構(gòu)的抗撞性進(jìn)行了研究。鐘志華院士等［12］為了研究汽車抗碰撞的性能，對(duì)相關(guān)的吸能部件和緩沖裝置進(jìn)行了優(yōu)化，隨后有關(guān)吸能盒的研究才開始在國(guó)內(nèi)興起。目前，汽車上所應(yīng)用的吸能盒種類很多，結(jié)構(gòu)也各不相同，但各種結(jié)構(gòu)的吸能盒的抗撞性都不是很高。因此，本文按照吸能盒的設(shè)計(jì)原則，對(duì)吸能盒內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，用有限元法對(duì)其進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬碰撞實(shí)驗(yàn)，根據(jù)吸能盒的吸能性的評(píng)價(jià)參數(shù)，對(duì)改進(jìn)后的吸能盒與原結(jié)構(gòu)的吸能盒進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明:具有內(nèi)部蜂窩孔結(jié)構(gòu)的吸能盒的抗撞性比原結(jié)構(gòu)的吸能盒有較大提高。

1 吸能盒的改進(jìn)依據(jù)

1.1 吸能盒的設(shè)計(jì)原則

在車輛的正面碰撞過程中，吸能盒是最重要的吸能件，良好的吸能盒結(jié)構(gòu)可以在很大程度上改善車輛的被動(dòng)安全性。汽車在城市道路上行駛時(shí)，車速較低，當(dāng)發(fā)生正面碰撞時(shí)，碰撞產(chǎn)生的動(dòng)能主要靠前橫梁和吸能盒來吸收，而撞擊產(chǎn)生的最大撞擊力主要靠吸能盒緩沖，以保護(hù)前縱梁及汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等主要部件不受損壞。由于吸能盒的吸能性主要靠撞擊產(chǎn)生的變形來實(shí)現(xiàn)，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，吸收的能量越多，但如果長(zhǎng)度過長(zhǎng)，對(duì)汽車的造型方面又產(chǎn)生了不利影響。因此，吸能盒在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使其在允許范圍內(nèi)能產(chǎn)生最大程度變形，即滿足吸能盒在最大變形位移的同時(shí)達(dá)到最大吸能效果。同時(shí)，由于汽車各部件的剛度不同，抵抗撞擊力的最大值也不同，如果吸能盒所承受的撞擊力超過限定值，那么超出的力將由和吸能盒連接的前縱梁承受，甚至?xí)鬟f到其他部件，這樣就會(huì)造成部件損壞，增加了維修費(fèi)用。如果吸能盒所承受的撞擊力沒有達(dá)到限定值，其他部件就不會(huì)發(fā)生損壞。但當(dāng)發(fā)生高速碰撞時(shí)，由于吸能盒不能很好地吸收碰撞產(chǎn)生的全部動(dòng)能，也會(huì)使其他部件遭到破壞，甚至?xí)管噧?nèi)成員受到傷害。所以，吸能盒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不但要在限定的撞擊力值下進(jìn)行，還要盡量接近這個(gè)數(shù)值，才能使吸能盒達(dá)到最大的吸能效果。

綜上所述，為了使汽車吸能盒的吸能特性達(dá)到最大效果，吸能盒在結(jié)構(gòu)改進(jìn)過程中應(yīng)該遵循以下原則:①盡量降低吸能盒的成本;② 碰撞過程中產(chǎn)生的全部動(dòng)能最大程度地轉(zhuǎn)化為不可逆的變形能;③吸能盒應(yīng)該在單位變形長(zhǎng)度內(nèi)吸能最多，即吸收單位能量時(shí)變形量小，使吸能效果最佳;④在發(fā)生碰撞過程中，使沖擊的最大撞擊力值小于規(guī)定的限制值;⑤吸能盒的吸能方式應(yīng)盡量穩(wěn)定，即變形模式穩(wěn)定，并可重復(fù);⑥為了實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化，在不影響吸能效果的前提下，吸能盒的質(zhì)量應(yīng)盡可能小。對(duì)吸能盒結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面最重要的一條原則是:在撞擊力許可的限度內(nèi)發(fā)生的變形量最小，即具有較平穩(wěn)的撞擊力－位移曲線。

1.2 吸能盒碰撞性能的評(píng)價(jià)參數(shù)

吸能盒在碰撞過程中的吸能特性起著至關(guān)重要的作用。為了使吸能盒的結(jié)構(gòu)改進(jìn)達(dá)到最優(yōu)，在遵循吸能盒設(shè)計(jì)原則的同時(shí)，還提出了多種評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中最常用的是以下4種評(píng)價(jià)指標(biāo):

1)撞擊力峰值Fp

在吸能盒的設(shè)計(jì)原則中，要求接近但不能超過撞擊力許可值。這個(gè)許可值的確定是由汽車生產(chǎn)廠家根據(jù)車輛連接件的剛度不同而設(shè)定的。在汽車發(fā)生碰撞過程中，產(chǎn)生的最大撞擊力即撞擊力峰值可能出現(xiàn)在2個(gè)時(shí)刻:一是在剛發(fā)生碰撞導(dǎo)致吸能盒將要產(chǎn)生屈曲時(shí)，吸能盒處于臨界狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)的屈曲彈塑性決定著撞擊力峰值，因此吸能盒的結(jié)構(gòu)與最大撞擊力峰值息息相關(guān);二是在碰撞快結(jié)束時(shí)，吸能盒的變形量已經(jīng)達(dá)到最大，這時(shí)撞擊力會(huì)突然升高。在研究低速碰撞過程中，吸能盒的壓縮位移不會(huì)達(dá)到最大，所以撞擊力峰值只會(huì)在第1個(gè)時(shí)刻出現(xiàn)。

吸能盒在正面低速碰撞情況的力－位移曲線趨勢(shì)一般如圖1所示，圖2為簡(jiǎn)化后的圖形。

圖1 吸能盒低速正面碰撞的力－位移曲線

圖2 簡(jiǎn)化的力－位移曲線

圖2中:Fp為吸能盒的撞擊力峰值;Fm為平均撞擊力;δρ為對(duì)應(yīng)撞擊力峰值的變形量;δe為吸能盒的壓縮位移。由圖2可見:碰撞力峰值的減小對(duì)于提高吸能盒的抗撞性能十分重要。

2)吸收的總能量E

吸能盒在碰撞過程中吸收的總能量與撞擊力和壓縮位移有關(guān)，計(jì)算公式為

式中:F(s)為撞擊力;s為變形位移。

由此可見，吸能盒在單位壓縮長(zhǎng)度內(nèi)吸收的能量越多，吸能盒的結(jié)構(gòu)抗撞性越好，車輛的被動(dòng)安全性越高。

3)吸能盒壓縮位移

車輛在發(fā)生低速正面碰撞時(shí)吸能盒產(chǎn)生形變，可將碰撞產(chǎn)生的動(dòng)能全部吸收。吸能盒未發(fā)生變形的空間越大，在高速碰撞時(shí)吸收的能量將會(huì)越多，從而使乘員艙的變形減小，乘員的安全能更好地得以保障。所以，在撞擊動(dòng)能被全部吸收的前提下，壓縮位移越小越好。

4)平均撞擊力Fm

平均碰撞力Fm反映了吸能盒結(jié)構(gòu)在整個(gè)碰撞過程中的平均吸能情況，是對(duì)吸能盒吸能特性的總體反映。由于汽車造型的限制，吸能盒的變形空間也是有限的。當(dāng)變形長(zhǎng)度一定時(shí)，吸能盒吸收的能量會(huì)隨著平均撞擊力的增大而增大，從而更有利于對(duì)乘員的保護(hù)。因此，在滿足撞擊力峰值不超過撞擊力許可值的前提下，平均撞擊力應(yīng)盡可能大，其計(jì)算公式為

式中:E為吸收的能量;δe為吸能盒的壓縮位移。

2 吸能盒吸能特性仿真

2.1 吸能盒計(jì)算機(jī)仿真模型的建立

2.1.1 仿真模型材料參數(shù)的確定

在研究吸能盒結(jié)構(gòu)抗撞性的過程中，材料的選取非常重要。在沖擊載荷作用下，材料的強(qiáng)度、耐磨性以及延展性對(duì)結(jié)構(gòu)大變形過程中的沖擊力響應(yīng)都有直接的影響。隨著汽車輕量化的發(fā)展，材料的輕量化也十分重要，不僅可以減輕車身質(zhì)量、降低油耗、減輕污染、節(jié)約能源，也可以降低成本、增加企業(yè)利潤(rùn)和提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。目前，大多數(shù)汽車的吸能部件都使用鋼質(zhì)材料，但鋼材存在一定的缺陷。姜正旭等［13－15］對(duì)不銹鋼和低碳鋼圓管的吸能特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)鋼質(zhì)材料在制造時(shí)需要焊接，會(huì)產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，在使用過程中容易出現(xiàn)開裂等現(xiàn)象，因而擠壓成型的材料的優(yōu)越性較明顯，其中鋁合金材料強(qiáng)度高，遠(yuǎn)勝于軟鋼，也是常用最強(qiáng)力的合金之一。該材料的特點(diǎn)是強(qiáng)度高，可熱處理，具有良好的機(jī)械性能，使用性好，易于加工，耐磨性好，抗腐蝕性能、抗氧化性好，經(jīng)過熱處理后能達(dá)到較高的強(qiáng)度特性。鋁合金也是典型的可以通過擠壓成形的材料［16－17］。因此，本實(shí)驗(yàn)的吸能盒采用鋁合金材料，材料的主要參數(shù)如表1所示。

表1 鋁合金材料的主要參數(shù)

2.1.2 仿真實(shí)驗(yàn)條件

1)參數(shù)的選擇

根據(jù)SAE標(biāo)準(zhǔn)［18］中有關(guān)保險(xiǎn)杠低速碰撞系統(tǒng)的相應(yīng)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)，要求試驗(yàn)車輛的沖撞速度達(dá)到15+1 km/h。研究發(fā)現(xiàn)，低速(16 km/h)正碰(以完全重疊剛性墻為例)時(shí)保險(xiǎn)杠橫梁吸收的內(nèi)能占系統(tǒng)吸收總內(nèi)能的5%左右，吸能盒能夠吸收大約90%以上的能量，是主要的吸能部件。綜合正面碰撞兼顧低速RCAR標(biāo)準(zhǔn)低速碰撞法規(guī)，本實(shí)驗(yàn)采用質(zhì)量為1 000 kg的剛性材料長(zhǎng)方體(材料參數(shù)見表2，長(zhǎng)1 000 mm，寬1 000 mm，厚500 mm)沿軸向以16 km/h(即4.44 m/s)的速度撞擊吸能盒，撞擊力許可值為160 kN，其中碰撞產(chǎn)生的動(dòng)能，即吸能盒低速碰撞過程中要吸收的動(dòng)能的計(jì)算公式為:E

表2 剛性板的材料參數(shù)

2)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

本文依據(jù)上海大眾某款車型的吸能盒，對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。原吸能盒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為中空，現(xiàn)將其盒體內(nèi)部設(shè)為6個(gè)蜂窩孔結(jié)構(gòu)(孔的個(gè)數(shù)可依據(jù)不同車型進(jìn)行變化)。依據(jù)計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)條件及吸能盒材料模型參數(shù)，構(gòu)建吸能盒計(jì)算機(jī)仿真模型。圖3為吸能盒原結(jié)構(gòu)，圖4為改進(jìn)后的吸能盒結(jié)構(gòu)。

由圖3和4可以看出:改進(jìn)后結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于6個(gè)蜂窩孔以縱向、平行、對(duì)稱、等間距的方式固定在吸能盒盒體內(nèi)。

圖3 吸能盒原結(jié)構(gòu)

圖4 改進(jìn)后的吸能盒結(jié)構(gòu)

2.2 仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.2.1 變形對(duì)比分析

本文應(yīng)用LS-DYNA分析軟件，對(duì)吸能盒碰撞的整個(gè)過程進(jìn)行了仿真模擬，得到了不同階段的形變情況。圖5～7為兩種結(jié)構(gòu)吸能盒變形時(shí)序圖，其中:(a)為改進(jìn)前的吸能盒;(b)為改進(jìn)后的吸能盒。

圖5 0.016 s的變形時(shí)序

圖6 0.022 s的變形時(shí)序

圖7 0.027s的變形時(shí)序

通過對(duì)以上3組不同時(shí)刻、兩種結(jié)構(gòu)的變形對(duì)比可見:當(dāng)t=0.016 s時(shí)，兩種結(jié)構(gòu)吸能盒與碰撞塊接觸，碰撞剛要開始發(fā)生形變;當(dāng)t=0.022 s時(shí)，圖(a)的變形量已經(jīng)開始大于圖(b)的變形量了;當(dāng)t=0.027 s時(shí)，碰撞結(jié)束，可明顯看出(a)的變形量遠(yuǎn)大于(b)的變形量。由前面吸能盒的碰撞評(píng)價(jià)參數(shù)分析可知:在相同撞擊力下，壓縮位移越小越好。因此，從變形圖分析可知:改進(jìn)后的吸能盒吸能效果更明顯。

2.2.2 吸收能量的對(duì)比分析

當(dāng)碰撞發(fā)生時(shí)，吸能盒主要利用吸收碰撞產(chǎn)生的能量來保護(hù)乘員安全。圖8為改進(jìn)前后吸能盒碰撞過程中的能量吸收情況。由圖8可見:改進(jìn)前吸能盒在0.062 s吸能結(jié)束，吸收的能量為9 778.97 J;改進(jìn)后的吸能盒在0.029 s吸能結(jié)束，吸收的能量為9 856.80 J。改進(jìn)后的吸能盒能在較短時(shí)間內(nèi)吸收更多的能量，可更有效地保護(hù)車內(nèi)乘員的安全。

圖8 改進(jìn)前后吸能盒碰撞能量吸收情況

2.2.3 平均撞擊力對(duì)比分析

平均碰撞力能夠反映吸能盒在整個(gè)碰撞過程的吸能情況。圖9為改進(jìn)前后碰撞過程中的位移變化情況。由圖9可見:當(dāng)能量完全被吸收時(shí)，改進(jìn)前的吸能盒的壓縮位移為0.048 m，改進(jìn)后吸能盒的壓縮位移為0.006 1 m，可知改進(jìn)前后吸收的能量分別為9 778.97 J、9 856.80 J，根據(jù)計(jì)算公式Fm=E/δe，可求出改進(jìn)前后的平均撞擊力分別為2.037 ×102，16.16 ×102kJ/m?？梢?，改進(jìn)后吸能盒的平均撞擊力大于改進(jìn)前，說明其抗撞性更優(yōu)。

圖9 改進(jìn)前后碰撞位移變化

3 結(jié)束語

為了提高吸能盒在低速下的抗撞性能，將原低碳鋼薄管結(jié)構(gòu)的吸能盒用鋁合金材料替換，并做成蜂窩狀實(shí)體結(jié)構(gòu)。通過碰撞實(shí)驗(yàn)仿真，對(duì)改進(jìn)前后的吸能盒分別從能量、壓縮位移和平均撞擊力3方面進(jìn)行吸能對(duì)比。結(jié)果表明:改進(jìn)后的吸能盒的吸能性得到提高，更能有效地保護(hù)乘員安全。

［1］ALEXANDER J M.An approximate analysis of the collapse of thin cylindrical shells under axial load［J］.Quarterly Journal of Mechanics and Applied Mathematics，1969(214):5.

［2］KIM H S.New extruded multi-cell aluminum profile for maximum crash energy absorption and weight efficiency［J］.Thin-Walled Structures，2002(40):311－327.

［3］NI C M，SONG J O.Computer-aided design analysis methods for crashworthiness design［C］//Proceedings of Symp Vehicle Crashworthiness Including Impact Biomechanics.Canada:American Society of Mechanical Engineers，1986:10－20.

［4］DOMINIC M M.Engineering Thermoplastic Energy Absorber Solutions for Pedestrian Impact［Z］.USA:SAE paper，2002:63－65.

［5］BRUGHMANS M，GOOSSENS S.Cross-attribute optimization to support the vehicle development process by simulation driven design［M］.USA:SAE paper，2002:32－34.

［6］HERRIDGE J T，MITCHELL R K.Development of a computer simulation program for collinar car/car and car/barrier collisions［C］//Proceedings of U.S.Department of Transportation.America:American，1972:800－864.

［7］KAMAL M M.Analysis and simulation of vehicle-to-barrier impact［C］//Proceedings of SAE Transportation.USA:Detroit，1970:4－14.

［8］SOHN S M，KIM B J，PARK K S，et al.Evaluation of the crash energy absorption of hydroformed bumper stays［J］.Journal of Materials Processing Technology，2007(187/188):283－286.

［9］TAKASHI S，YOSHIHIRO K.Variations of a passive safety containment for a BWR with active and passive safety system［J］.Nuclear Engineering and Design，2007(237):74－86.

［10］KURTARAN H，ESKANDARIAN A，MARZOUGUI D.Crashworthiness design optimization using successive response surface approximations［J］.Computational Mechanics，2002，29(4):409－421.

［11］AVALLE M，CHIANDUSSI G，BELINGARDI G.Design optimization by response surface methodology:application to crashworthiness design of vehicle structures［J］.Structural and Multidisciplinary Optimization，2002，24(8):325－332.

［12］張維剛，鐘志華.汽車正碰吸能部件改進(jìn)的計(jì)算機(jī)仿真［J］.汽車工程，2002，24(1):6－10.

［13］何刻江.蒙皮效應(yīng)在輕型鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用［D］.杭州:浙江工業(yè)大學(xué)，2007:11－13.

［14］雷正保.汽車縱向碰撞控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論與方法［D］.長(zhǎng)沙:湖南大學(xué)，2000:86－89.

［15］陳曉斌.基于現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和提高整車碰撞安全性的車身輕量化研究［D］.長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2011:40－52.

［16］米林，魏顯坤，萬鑫銘，等.鋁合金保險(xiǎn)杠吸能盒碰撞吸能特性［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012(6):1－7.

［17］魏顯坤，楊晶晶，米林.鋁合金保險(xiǎn)杠準(zhǔn)靜態(tài)壓潰仿真與試驗(yàn)［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013(8):14－17.

［18］SAE J211(1998)，On-highway vehiles and off-high-way machinery［S］.