薄壁管的橫向吸能性能數(shù)值分析

黃春曼

（廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣東廣州 510300）

0 引言

隨著我國交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，車輛運(yùn)行速度不斷提高，同時(shí)發(fā)生車輛碰撞的數(shù)量和頻率也不斷上升，造成了大量人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，因此，提高車輛的被動(dòng)安全性對(duì)于保護(hù)乘客和貨物安全具有重要意義。目前，車輛上利用吸能結(jié)構(gòu)的塑性變形吸收車輛撞擊能量，從而保護(hù)乘客和貨物安全，使得吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為車輛被動(dòng)安全保護(hù)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面，受到車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員的重視。

薄壁管是一類常用的吸能元件，W.Abramowicz對(duì)矩形柱殼在壓縮工況下的吸能行為，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論分析，建立了四邊形柱殼的理想變形力學(xué)分析模型[1]。中南大學(xué)的姚松、高廣軍等對(duì)圓管、矩形管、多邊形管、錐管等管材，進(jìn)行了沖擊吸能的數(shù)值模擬分析，為車輛吸能材料的設(shè)計(jì)和選擇提供了參考[2-4]。蘭州理工大學(xué)的喬及森等對(duì)鋁合金薄壁方管耐軸向撞擊性能進(jìn)行研究[5]。這些研究主要是針對(duì)方管的軸向吸能行為，較少對(duì)管的橫向吸能性能進(jìn)行研究，而在車輛前端有橫向方管作為防撞元件，其受撞后屈曲吸能行為沒有得到詳細(xì)研究。本文主要針對(duì)薄壁管的橫向性能進(jìn)行數(shù)值模擬，為薄壁管橫向吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù)。

1 薄壁管橫向吸能分析

1.1 屈曲方程

薄壁管受到橫向沖擊時(shí)吸能是通過其本身屈曲變形實(shí)現(xiàn)的，這種屈曲現(xiàn)象用拉格朗日公式描述如下。

其中，[KT]表示切線剛度矩陣；[K0]表示常規(guī)有限元?jiǎng)偠染仃嚕籟KR]表示初應(yīng)力剛度矩陣（或幾何剛度矩陣）；[KL]為初位移剛度矩陣（或大位移剛度矩陣）；[Kg]為載荷矩陣；{Δq}為節(jié)點(diǎn)位移增量。

1.2 薄壁管的幾何參數(shù)和計(jì)算參數(shù)

本文研究5 種不同形狀的橫截面（周長都相等）的薄壁結(jié)構(gòu)（如圖1 所示）。5 種薄壁結(jié)構(gòu)的橫截面周邊長均為314 mm，長度均為50 mm，壁厚均為2 mm，材料均為Q235鋼。5種薄壁結(jié)構(gòu)的單元尺寸分別取為：（1）R50 mm×50 mm、（2）78.5 mm×78.5 mm×50 mm、（3）60 mm×97 mm×50 mm、（4）97 mm×60 mm×50 mm、（5）6 mm×52.3 mm×50 mm。網(wǎng)格劃分每格約為2 mm。

圖1 5種橫截面的薄壁管有限元模型

邊界條件：管的徑向方向的一側(cè)固定約束，另一側(cè)采用剛性墻撞擊薄壁管，剛性墻質(zhì)量500 kg，撞擊速度為33.34 m/s，碰撞計(jì)算時(shí)間取30 ms。

1.3 計(jì)算結(jié)果分析

采用LS-DYNA 進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，碰撞發(fā)生1.2 ms 時(shí)薄壁結(jié)構(gòu)的變形如圖2 所示。從中可以看出，5種薄壁結(jié)構(gòu)的變形均為對(duì)稱變形模式。

圖2 碰撞發(fā)生1.2 ms時(shí)各薄壁管的變形

在各計(jì)算模型上選取Z 軸向三點(diǎn)A、B、C 對(duì)其Z 方向的應(yīng)力進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)（例如圖3 為④管的取點(diǎn)位置及各點(diǎn)的撞擊力曲線圖），可得①、②、③、④管都能在碰撞后迅速出現(xiàn)各自的峰值，并迅速回落，能快速平穩(wěn)地達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，表明都能迅速吸收碰撞時(shí)的能量，不會(huì)出現(xiàn)太多反反復(fù)復(fù)的脈沖，形成不必要的震蕩及二次沖擊，⑤管沖擊后出現(xiàn)A 點(diǎn)持續(xù)的出現(xiàn)反反復(fù)復(fù)的脈沖，穩(wěn)定性較差。

圖3 ④管的取點(diǎn)位置及各點(diǎn)的撞擊力曲線圖

出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)前要經(jīng)歷一段比較長的時(shí)間歷程，而且在這段時(shí)間里會(huì)普遍出現(xiàn)振幅比較大，次數(shù)比較多的反反復(fù)復(fù)的脈沖，這樣會(huì)影響方管在碰撞時(shí)的穩(wěn)定性和產(chǎn)生不必要的二次沖擊，對(duì)人體造成不必要的傷害。

在各管中，最快進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)的是④管，其次是②管，第三是③管，表明④管能以最快的速度完成碰撞時(shí)的吸收能量的功能，并迅速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，是安全可靠的一種體現(xiàn)。

圖4為5種不同截面形狀的薄壁管橫向撞擊時(shí)的內(nèi)能—時(shí)間曲線，從各管內(nèi)能圖曲線可以看出：五種管碰撞后最終產(chǎn)生的內(nèi)能（即能夠最多吸收的碰撞能量）從大到小的順序?yàn)棰芄?、③管、②管、⑤管、①管，吸收的能量?.07 kJ>1.85 kJ>1.6 kJ>0.432 kJ>0.225 kJ。而且斜率越變小（曲線變得平緩），表明沖擊時(shí)有效變形吸收能量的能力變差，變形有效時(shí)間變長，效果變差，對(duì)車體以及人體的沖擊就更大。因此上述分析的5 種薄壁管截面形狀中，④管97 mm×60 mm×50 mm尺寸的方管在受到橫向沖擊時(shí)能實(shí)現(xiàn)較大限度的吸能保護(hù)。

圖4 各模型的內(nèi)能比較

2 新型薄壁管結(jié)構(gòu)橫向吸能分析

2.1 預(yù)變形結(jié)構(gòu)的薄壁管橫向吸能分析

通過設(shè)置預(yù)變形結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在薄壁管撞擊時(shí)誘導(dǎo)變形，本文采用將距薄壁管被撞擊面中部的位置進(jìn)行剛度弱化形成一個(gè)V 形槽的預(yù)變形結(jié)構(gòu)，如圖5 所示，⑥管為圓管管壁設(shè)置V 形槽，⑦管為方管管壁設(shè)置V形槽。

圖5 預(yù)變形結(jié)構(gòu)

通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，采用預(yù)變形結(jié)構(gòu)的薄壁管在提升撞擊時(shí)吸能穩(wěn)定性方面有較大貢獻(xiàn)，使得撞擊過程中，撞擊應(yīng)力波動(dòng)不大，但由于預(yù)變形結(jié)構(gòu)等同于將結(jié)構(gòu)弱化，故吸能量（如圖6 所示的兩個(gè)預(yù)變形管的內(nèi)能曲線）也相應(yīng)弱化，特別是方管結(jié)構(gòu)，吸能量明顯下降。

2.2 排疊薄壁管結(jié)構(gòu)橫向吸能分析

將三個(gè)圓管并排疊加焊接而成的結(jié)構(gòu)模型，稱為New model 1（下文簡(jiǎn)稱為N1），如圖7 所示。計(jì)算1.2 ms后的變形如圖8所示。

通過計(jì)算比較發(fā)現(xiàn)，排疊結(jié)構(gòu)在5 ms 后撞擊力就保持平穩(wěn)狀態(tài)，而且內(nèi)能與相近周長的①管相比（如表1所示），吸能量有較大的提升，說明N1結(jié)構(gòu)有著更好的橫向耐沖擊性。

3 結(jié)論

（1）管截面形狀對(duì)薄壁管的橫向吸能行為產(chǎn)生影響，以橫向撞擊過程中的撞擊穩(wěn)定性和吸能量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，經(jīng)過比較分析，97 mm×60 mm×50 mm尺寸的方管在受到橫向沖擊時(shí)能實(shí)現(xiàn)較大限度的吸能保護(hù)。

圖7 N1 模型圖

圖8 N1在1.2 ms變形

表1 內(nèi)能比較

（2）對(duì)圓管和方管設(shè)置V 形槽的預(yù)變形結(jié)構(gòu)，計(jì)算發(fā)現(xiàn)，預(yù)變形結(jié)構(gòu)能夠提高薄壁管在撞擊過程中吸能穩(wěn)定性，但無法提升吸能量。

（3）將多個(gè)薄壁管排疊焊接，通過與相近周長的單薄壁管相比，排疊結(jié)構(gòu)能夠同時(shí)提升結(jié)構(gòu)在撞擊過程中的吸能穩(wěn)定性和吸能量，在車輛吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)有足夠空間狀況下優(yōu)先選用這種排疊結(jié)構(gòu)進(jìn)行車輛被動(dòng)安全保護(hù)裝置。

［1］Abramowicz W.Thin-wall structures as impact energy absorbs ［J］.Thin-Walled Structures，2003（41）：91-107.

［2］姚松，田紅旗.車輛吸能部件的薄壁結(jié)構(gòu)碰撞研究［J］.中國鐵道科學(xué)，2001，22（2）：55-60.

［3］高廣軍，姚松.車輛薄壁結(jié)構(gòu)撞擊吸能特性研究［J］.鐵道機(jī)車車輛，2002（2）：8-10.

［4］江 帆，劉堂紅.帽型、點(diǎn)焊薄壁柱殼軸向擠壓性能分析［J］.中國鐵道科學(xué)，2003，24（2）：103-108.

［5］張憲，孔濤，蔣建東，等.基于ls-dyna的振動(dòng)旋耕三維數(shù)值模擬［J］.機(jī)電工程，2011（2）：144-147.

［6］喬及森，車洪艷，陳劍虹.6063 鋁合金薄壁方管耐軸向撞擊性能研究［J］.蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，32（2）：14-17.