新穎波紋截面薄壁圓管的耐撞性

葛平政, 張勇

(華僑大學(xué) 機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院， 福建 廈門 361021)

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新穎波紋截面薄壁圓管的耐撞性

葛平政, 張勇

(華僑大學(xué) 機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院， 福建 廈門 361021)

提出一種新穎的波紋薄壁圓形結(jié)構(gòu)，采用數(shù)值對(duì)比分析方法，分析不同波紋截面形狀對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)耐撞性的影響.結(jié)果表明：對(duì)于同一外截面形狀的波紋，波紋內(nèi)截面形狀的變化使吸能相差10%；外截面是矩形的不同內(nèi)截面波紋結(jié)構(gòu)的吸能性要高于外截面是圓形的不同內(nèi)截面波紋結(jié)構(gòu)，其中，外截面為矩形,而內(nèi)截面為圓形的波紋結(jié)構(gòu)具有最優(yōu)的吸能性，比外截面為圓形,內(nèi)截面為矩形的波紋結(jié)構(gòu)的吸能性提高34.5%；波長(zhǎng)對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)的耐撞性也具有較大的影響，波長(zhǎng)為7.8 mm的波紋管具有較好的耐撞性；與無波紋結(jié)構(gòu)的圓管相比，外截面為矩形,內(nèi)截面為圓形的波紋薄壁管在不影響吸能的情況下,可以使峰值力降低50.8%.

波紋管； 薄壁結(jié)構(gòu)； 截面； 耐撞性； 吸能性

薄壁結(jié)構(gòu)具有成本低、強(qiáng)度高、吸能效率好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于汽車、航空、航天等領(lǐng)域[1].然而，傳統(tǒng)的薄壁管在沖擊過程中的變形模式具有一定的隨機(jī)性，易受到?jīng)_擊速度的影響，不能充分發(fā)揮吸能特性.此外，傳統(tǒng)薄壁管在碰撞過程中，易產(chǎn)生較大的初始峰值力，從而產(chǎn)生較大的碰撞加速度，對(duì)乘員造成較為嚴(yán)重的二次傷害[2].因此，為了降低碰撞過程中的峰值力,并獲得較好的變形吸能模式，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在薄壁結(jié)構(gòu)的誘導(dǎo)變形結(jié)構(gòu)、缺陷槽及組合缺陷結(jié)構(gòu)方面開展了一些研究[3-8].雖然目前的誘導(dǎo)變形及缺陷結(jié)構(gòu)能較好地降低薄壁結(jié)構(gòu)的最大峰值力，但對(duì)于具有缺陷結(jié)構(gòu)的薄壁結(jié)構(gòu)仍易導(dǎo)致變形模式的不穩(wěn)定性，從而降低薄壁結(jié)構(gòu)的吸能特性[9].為了獲得穩(wěn)定的折疊變形模式,且能較好地降低碰撞峰值力的薄壁結(jié)構(gòu)，本文提出一類新穎的波紋薄壁結(jié)構(gòu)，對(duì)不同截面形狀的波紋進(jìn)行研究.

圖1　薄壁波紋管的幾何模型Fig.1　Geometry model of thin-walled corrugated tube

1　不同截面形狀的波紋薄壁結(jié)構(gòu)

1.1不同截面形狀的波紋薄壁管幾何模型

提出的新穎波紋薄壁管模型，如圖1所示.波紋薄壁結(jié)構(gòu)主要由不同的內(nèi)外截面的形狀構(gòu)成.其中，外截面分為矩形(r)和半圓形(c)2種截面形式，內(nèi)截面分為半圓形(c)、三角形(t)、矩形(r)、半六邊形(h)4種截面形式，由不同內(nèi)外截面組成不同波紋形式的的波紋管結(jié)構(gòu).薄壁波紋管總長(zhǎng)度L為150 mm，直徑d為50 mm，壁厚t為1 mm，波紋的波長(zhǎng)w為7.8 mm，振幅h為2 mm.波紋在距管的頂部和底部5 mm處，均勻分布在薄壁管上，波紋管固定在剛性墻上，撞擊塊質(zhì)量m為500 kg，以10 m·s-1的撞擊速度對(duì)波紋管進(jìn)行沖擊.

1.2不同截面形狀薄壁管有限元結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)幾何示意圖，建立新型波紋結(jié)構(gòu)的有限元模型,如圖2所示.波紋結(jié)構(gòu)采用1 mm×1 mm的單元尺寸進(jìn)行有限元離散.薄壁管的材料為鋁合金，密度ρ為2 700 kg·m-3，彈性模量E為70 GPa，泊松比μ為0.3，其應(yīng)力-應(yīng)變(σ-ε)曲線，如圖3所示.沖擊塊和剛性墻定義為剛體，波紋結(jié)構(gòu)的撞擊過程在非線性有限元軟件LS-DYNA中進(jìn)行.其中，撞擊塊與薄壁波紋管采用點(diǎn)面接觸，薄壁波紋管結(jié)構(gòu)本身采用單面接觸，接觸的靜動(dòng)摩擦因數(shù)均為0.2，剛性墻與波紋管間的摩擦因數(shù)定義為0.3.

圖2　不同截面形狀的薄壁管有限元模型Fig.2　Different cross section of thin-walled

圖3　鋁合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3　Stress and strain curve of aluminum structure finite element model

1.3薄壁管的耐撞性評(píng)價(jià)指標(biāo)

1) 比吸能SEA.比吸能表示碰撞過程中薄壁結(jié)構(gòu)塑形變形吸收的能量E與結(jié)構(gòu)的質(zhì)量M的比值[10].它是薄壁結(jié)構(gòu)耐撞評(píng)價(jià)的一個(gè)非常重要的指標(biāo)，表征了單位質(zhì)量的能量吸收率，即

(1)

(2)

式(1)，(2)中:E為薄壁結(jié)構(gòu)吸收的能量；F為壓縮過程中的碰撞力；ρ為壓縮距離；M為薄壁波紋管的總質(zhì)量.

2) 載荷比LR[11].荷載比表示平均碰撞力載荷與最大碰撞力載荷的比值，即

(3)

式(3)中：Fmax指碰撞發(fā)生時(shí)，波紋管在壓潰過程中沿軸向產(chǎn)生的沖擊載荷的最大值[11]，即式 (2) 中F的最大值，F(xiàn)max過大使車體的碰撞加速度較大，易造成車內(nèi)乘員的損傷；Fmean是指碰撞過程中沖擊載荷的平均值.LR反映了載荷的波動(dòng)情況,比值越大,載荷波動(dòng)越小;當(dāng)比值為1時(shí),LR最優(yōu)，此時(shí)，載荷的波動(dòng)最平緩，碰撞對(duì)人造成的傷害也最小.

3) 行程利用率SE.行程利用率表示結(jié)構(gòu)壓實(shí)前的總位移x與結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)度L的比值，即

(4)

SE越大，薄壁結(jié)構(gòu)壓實(shí)前的位移x越大，其有效壓縮位移就越大，表示其吸能利用率大.

2　不同波紋截面薄壁管的耐撞性分析

2.1外截面為矩形的波紋管耐撞性分析

從碰撞力特性、能量吸收特性及行程利用率等3個(gè)方面對(duì)外截面為矩形的不同內(nèi)截面形狀(rc，rt，rr，rh)的波紋薄壁管耐撞性進(jìn)行研究.4種波紋薄壁結(jié)構(gòu)的峰值力及載荷比，如圖4所示.由圖4可知：rr，rh，rc的Fmax基本一致.然而，rt波紋結(jié)構(gòu)的Fmax則明顯高于其余3種波紋結(jié)構(gòu)，這表明在碰撞過程中，rt波紋結(jié)構(gòu)的薄壁管將產(chǎn)生較大的碰撞減速度，不利于乘員安全.從LR方面看，rc波紋結(jié)構(gòu)的LR明顯優(yōu)于其余3種，其值為0.73；rt波紋結(jié)構(gòu)的LR最小，其值為0.58，增幅達(dá)到了25.8%.由此可知：rc波紋結(jié)構(gòu)能大大改善薄壁結(jié)構(gòu)的載荷比，使碰撞力變化較為平緩，碰撞發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的加速度較小.

4種矩形波紋薄壁管的吸能圖，如圖5所示.由圖5可知：雖然rr波紋結(jié)構(gòu)吸收的總能量E較大，其他截面形狀吸收的總能量E相差較小，然而，rc波紋結(jié)構(gòu)的單位質(zhì)量的吸能量SEA卻更有優(yōu)勢(shì)，比rr波紋結(jié)構(gòu)的波紋薄壁管高6%，比rh波紋結(jié)構(gòu)的波紋薄壁管高約10%.因此，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的輕量化角度出發(fā)，rc波紋結(jié)構(gòu)的吸能性要優(yōu)于其他3種結(jié)構(gòu).

圖4　不同內(nèi)截面形狀的薄壁管峰值力和載荷比Fig.4　Peak force and load ratio of different internal

圖5　不同內(nèi)截面形狀的薄壁管吸能Fig.5　Energy absorption of different internal cross section of thin-walled structure cross section of thin-walled structure

rr,rh,rt,rc的行程利用率，分別為0.61,0.63,0.72,0.73.由此可知：rc，rt的SE大于rr，rh的SE，這說明rc，rt碰撞時(shí)的有效壓縮位移大于另外兩種波紋結(jié)構(gòu)，且rc波紋結(jié)構(gòu)的行程利用率最大.綜上分析可知：rc波紋結(jié)構(gòu)在碰撞力特性、能量吸收特性和行程利用率等方面都優(yōu)于其他3種波紋結(jié)構(gòu).因此，外截面為矩形，內(nèi)截面為圓形的波紋結(jié)構(gòu)(rc)的波紋可以更好地改善薄壁管的耐撞性.

2.2外截面為圓形的波紋管耐撞性分析

方形和圓形截面在薄壁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用最為廣泛.因此，進(jìn)一步研究外截面為圓形的4種不同波紋結(jié)構(gòu)的耐撞性.cc，ct，cr，ch等4種波紋薄壁結(jié)構(gòu)的碰撞力峰值及載荷比，如圖6所示.在4種結(jié)構(gòu)中，cc薄壁結(jié)構(gòu)的Fmax最大，而ct薄壁結(jié)構(gòu)的Fmax最小，表明其在沖擊過程中所產(chǎn)生的碰撞加速度較小，更有利于乘員保護(hù).

此外，cc波紋結(jié)構(gòu)的LR最小，其值為0.87；ct波紋結(jié)構(gòu)的載荷比LR的值最大，其值為0.97.因此，ct波紋結(jié)構(gòu)的薄壁管碰撞力波動(dòng)較小，造成的二次傷害程度也相應(yīng)減小.

不同內(nèi)截面形狀薄壁管的吸能情況，如圖7所示.由圖7可知：cr，ct波紋結(jié)構(gòu)吸收的總能量E相對(duì)較大，分別為0.89，0.82 kJ;ch波紋結(jié)構(gòu)的E最小,其值為0.76 kJ；ct波紋結(jié)構(gòu)的SEA最大，其值為11.85 kJ·kg-1，高于其余3種結(jié)構(gòu)；ch波紋結(jié)構(gòu)的SEA最小，其值為10.63 kJ·kg-1,比ch波紋結(jié)構(gòu)高出11.5%.因此，ct截面形狀的波紋薄壁管吸能性優(yōu)于其他3種截面.

cr，ch，cc，ct等4種結(jié)構(gòu)的行程利用率分別為0.49,0.47,0.55,0.50.由此可知：ct波紋結(jié)構(gòu)的SE大于cr，ch，cc，說明其壓縮前的有效壓縮位移較大，碰撞發(fā)生時(shí)有較大的有效壓縮行程，對(duì)車內(nèi)乘員起到較好的保護(hù)作用.因此，在4種外截面為圓形的波紋結(jié)構(gòu)中，ct波紋結(jié)構(gòu)的耐撞性更為優(yōu)異.

圖6　不同內(nèi)截面形狀的薄壁管峰值力和載荷比Fig.6　Peak force and load ratio of different internal

圖7　不同內(nèi)截面形狀的薄壁管吸能Fig.7　Energy absorption of of different internal cross section of thin-walled structure cross section of thin-walled structure

2.3rc截面形狀的波長(zhǎng)對(duì)薄壁管耐撞性的影響

對(duì)外截面為圓形與矩形的8種波紋結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，由此可知：rc,ct波紋結(jié)構(gòu)具有較好的耐撞性.相對(duì)而言，rc波紋結(jié)構(gòu)的SEA最大，其值為14.3 kJ·kg-1；ct波紋結(jié)構(gòu)的SEA為11.85 kJ·kg-1.因此，rc波紋結(jié)構(gòu)的SEA比ct波紋結(jié)構(gòu)高出20.7%.

當(dāng)碰撞力特性和行程利用率在一定的可行范圍內(nèi)時(shí)，吸能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中最為重要的指標(biāo)為SEA.因此，rc結(jié)構(gòu)相對(duì)于其他7種不同波紋結(jié)構(gòu)具有最優(yōu)的耐撞性.

以最優(yōu)的rc波紋結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，研究波紋波長(zhǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)耐撞性的影響.對(duì)rc波紋結(jié)構(gòu)的薄壁管建立波長(zhǎng)為0,5.6,7.8,17.5 mm的波紋，分別命名為N0，N8，N18，N25.

不同波長(zhǎng)的rc結(jié)構(gòu)的碰撞力峰值及載荷比，如圖8所示.由圖8可知：沒有波紋的薄壁結(jié)構(gòu)N0，F(xiàn)max明顯高于其他波紋管，比有波紋的Fmax高了50.8%.此外，3個(gè)波紋管之間，N8，N18，N25的碰撞力峰值呈現(xiàn)先降低，后小幅上升的趨勢(shì)，N18波紋管的Fmax最小(12.8 kN).由此可知：降低峰值力要選擇合適的波長(zhǎng).同時(shí)，載荷比LR也呈現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì)，N0薄壁管的LR僅為0.32，而N18的薄壁管的LR達(dá)到了0.70，是N0薄壁結(jié)構(gòu)的2.2倍，表明波紋結(jié)構(gòu)能顯著改善薄壁管碰撞力特性，降低碰撞傳遞到車內(nèi)乘員的碰撞力，降低車內(nèi)乘員的傷害程度，從而提高安全性能.

不同波長(zhǎng)的rc波紋結(jié)構(gòu)薄壁管的吸能圖，如圖9所示.由圖9可知：N0的波紋結(jié)構(gòu)吸收的能量E比N18高了3.1%，SEA也增加了3.8%，這主要是由于波紋結(jié)構(gòu)減少材料用量所致.對(duì)于N8，N18，N25波紋結(jié)構(gòu)而言，N18波紋結(jié)構(gòu)在總吸能E與比吸能SEA方面都優(yōu)于N8，N25.因此，相對(duì)而言，N18波紋結(jié)構(gòu)具有最好的吸能性.

圖8　不同波長(zhǎng)的薄壁管峰值力和載荷比Fig.8　Peak force and load ratio of different

圖9　不同波長(zhǎng)的薄壁管吸能Fig.9　Energy absorption of different corrugated corrugated length of thin-walled structure length of thin-walled structure

N0，N8，N18，N25的行程利用率分別為0.73,0.71,0.72,0.69.由此可知：N0薄壁管的SE稍高，但與波紋薄壁管的SE相差不大，說明有波紋的薄壁管并沒有顯著降低其行程利用率；在有波紋的薄壁管中，N18波紋薄壁管的SE仍較大，但不同波紋結(jié)構(gòu)的SE之間并無明顯差異.因此，相對(duì)于沒有波紋的薄壁結(jié)構(gòu)而言，波紋結(jié)構(gòu)對(duì)薄壁管的SE沒有太大的影響.綜上可知：在能量吸收E與SEA方面，無波紋結(jié)構(gòu)N0較有波紋結(jié)構(gòu)有一定的提高，但波紋結(jié)構(gòu)卻能大大改善薄壁結(jié)構(gòu)的碰撞力特性.因此，波紋結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的直壁薄壁結(jié)構(gòu)具有更好的耐撞性.

為了進(jìn)一步揭示波紋結(jié)構(gòu)的耐撞性，對(duì)波紋結(jié)構(gòu)在不同變形位移處的折疊模式進(jìn)行研究，如圖10所示.由圖10可知：直壁無波紋結(jié)構(gòu)(N0)與波紋結(jié)構(gòu)的變形模式有較大的差異，直壁無波紋結(jié)構(gòu)主要以鉆石折疊模式為主，此種折疊形式的碰撞力波動(dòng)較大；而波紋結(jié)構(gòu)的的變形開始皆由波紋的內(nèi)截面缺陷開始，使波紋結(jié)構(gòu)大大降低碰撞峰值力.從N8，N18，N25的變形也可以看出，波紋結(jié)構(gòu)在變形初期階段皆發(fā)生規(guī)則對(duì)稱折疊變形.但是，后期易發(fā)生波紋結(jié)構(gòu)相互擠壓而形成的非對(duì)稱變形模式(N25)，從而導(dǎo)致吸能特性的降低.因此，進(jìn)一步論證了波紋波長(zhǎng)(數(shù)目)對(duì)波紋結(jié)構(gòu)具有重要的影響，具有18個(gè)波紋數(shù)的N18波紋結(jié)構(gòu)，不僅可以明顯降低碰撞過程中的峰值力，而且可以保持較高的吸能特性.

(a) 30 mm (b) 70 mm (c) 110 mm圖10　不同波長(zhǎng)的薄壁管在不同變形位移處的折疊模式Fig.10　Deformation of different corrugated length thin-walled structure at different distance

3　結(jié)論

對(duì)不同截面形狀和波長(zhǎng)的波紋薄壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐撞性研究，通過數(shù)值分析可得出以下3點(diǎn)結(jié)論.

1) 外截面為矩形的波紋薄壁管比外截面為圓形的波紋薄壁管整體比吸能大，最大提高到34.5%.因此，要想獲得較好的吸能特性，應(yīng)選擇rc截面形狀的的波紋薄壁管.

2) 外截面為圓形的碰撞力整體比外截面為矩形的碰撞力變化平緩,而在行程利用率方面，矩形外截面的行程利用率要整體高于圓形外截面.

3) 薄壁管的波長(zhǎng)對(duì)圓管的變形吸能和峰值力產(chǎn)生影響.其中，N18波長(zhǎng)的薄壁管在耐撞性和吸能性方面都優(yōu)于其他波長(zhǎng).

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(責(zé)任編輯： 錢筠英文審校： 崔長(zhǎng)彩)

Crashworthiness of Novel Thin-Walled Circular Tube With Novel Corrugated Cross Section

GE Pingzheng, ZHANG Yong

(College of Mechanical Engineering and Automation, Huaqiao University, Xiamen 361021, China)

A novel corrugated thin-walled structure was proposed, and the crashworthiness of the structure with different corrugated cross section were studied using numerical analysis method. The research results show that the corrugated structure with same outer cross section and different internal cross sections can change energy absorption rate by approximately 10%. Moreover, the energy absorption rates of corrugated structure with rectangular outer cross section and different internal cross sections are higher than that of round outer cross sections. Meantime, corrugated structures with rectangular outer cross section and round internal cross section have the most excellent energy absorption capacity, 34.5% higher than that of round outer cross section and rectangular internal cross section. In addition, the corrugated length has an important influence on crashworthiness of thin-walled structure, and corrugated length of 7.8 mm has better crashworthiness performance. Furthermore, compared to traditional thin-walled circular tubes, the tubes with the proposed corrugated structure reduce peak force by 50.8% if energy absorption is not influenced.

corrugated tube; thin-walled structure; cross section; crashworthiness; energy absorption

10.11830/ISSN.1000-5013.201605002

2015-07-24

張勇(1980-)，男，副教授，博士，主要從事汽車碰撞安全性的研究.E-mail:flashzy1980@163.com.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51205141); 中國(guó)博士后基金特別資助項(xiàng)目(2014T70613)； 福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015J01204); 華僑大學(xué)中青年教師培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(ZQN-PY202)

V 214.4； U 271.1

A

1000-5013(2016)05-0531-05