仿荷薄壁管的耐撞性研究

張安煜　王連進

摘要： 針對傳統(tǒng)薄壁圓管結(jié)構(gòu)存在的問題，本文采用結(jié)構(gòu)仿生原理，主要對仿荷薄壁管在軸向沖擊下的耐撞性進行研究。利用有限元分析軟件對薄壁管做碰撞仿真，以比吸能和峰值力為評價指標(biāo)，結(jié)合不同薄壁管在碰撞時發(fā)生的變形模式，分析3組仿荷薄壁管的軸向吸能特性。仿真結(jié)果表明，仿荷薄壁管較普通圓管有更好的吸能特性；在比吸能指標(biāo)方面，3組結(jié)構(gòu)同一系列的仿荷薄壁管比吸能為：B組>C組>A組，B組結(jié)構(gòu)的比吸能提升最高，比A組平均提升20%；在峰值力指標(biāo)方面，同一系列的B組仿荷薄壁管較A組仿荷薄壁管的峰值力也有所提升，C組仿荷薄壁管的峰值力受胞數(shù)增加的影響最大，當(dāng)胞數(shù)增加到7以上時，C組峰值力大于B組，在不影響吸能的情況下，減小碰撞過程中產(chǎn)生的峰值力，可以保護車內(nèi)乘員的安全，說明B組仿荷薄壁管是一種更合理的吸能結(jié)構(gòu)。該研究在汽車數(shù)值結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計中具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： 仿生； 薄壁管； 軸向沖擊； 耐撞性

中圖分類號： TH12； U260.2文獻標(biāo)識碼： A

汽車車身結(jié)構(gòu)的潰縮式吸能設(shè)計可以提升碰撞安全性[1]。汽車吸能元件主要采用金屬薄壁管、泡沫材料、蜂窩材料和復(fù)合材料等。其中，金屬薄壁管（下稱薄壁管）是應(yīng)用最廣泛的元件[24]，其具有強度高、成本低、吸能效率好等優(yōu)點[5]。在現(xiàn)代汽車設(shè)計中，往往在防撞梁與車身縱梁的連接處加裝吸能盒，將吸能盒設(shè)計成金屬薄壁管，在碰撞力的作用下，吸能盒能按預(yù)先設(shè)計的形式潰縮變形，最優(yōu)化地吸收能量[6]。國外對薄壁管的研究時間比較長，主要利用計算機仿真和真實實驗，對不同結(jié)構(gòu)的金屬薄壁吸能特性進行分析，研究內(nèi)容主要包括薄壁管的截面形狀[79]、薄壁的厚度、直管和錐管的特性、薄壁管結(jié)構(gòu)的處理（如引入溝槽[1011]、增加填充[1214]）等方面。因此，在提高金屬薄壁管吸能性和耐撞性[1516]方面取得了很多成果。近年來，國內(nèi)對仿荷薄壁管也進行了研究，鄒猛等人[1718]對仿牛角結(jié)構(gòu)薄壁管吸能特性進行分析，結(jié)果表明這種仿牛角結(jié)構(gòu)的比吸能比普通錐管提高了18倍；魏燦剛等人[1920]對仿竹結(jié)構(gòu)薄壁管進行研究，證明仿竹薄壁管具有更高的比吸能；唐智亮[21]對仿生薄壁管軸向沖擊能量吸收性能進行分析與改進設(shè)計，為仿荷薄壁管研究提供了思路?；诖耍疚囊院蔀樯镌?，在分析荷莖和荷葉生物學(xué)和力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，通過結(jié)構(gòu)仿生學(xué)方法，對傳統(tǒng)薄壁圓管的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，觀察荷莖和葉的宏微觀結(jié)構(gòu)，獲取主要結(jié)構(gòu)和特征，并通過結(jié)構(gòu)仿生學(xué)原理，設(shè)計仿荷薄壁管截面，對仿荷薄壁管進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，得到不同截面的仿荷薄壁管。同時，在軸向載荷的沖擊作用下，分析仿荷薄壁管的吸能特性，并與普通圓管的軸向吸能特性進行對比，以期提高薄壁管在軸向載荷作用下的吸能效果。該研究為設(shè)計車輛吸能元件提供了理論參考。

1仿荷薄壁管

1.1仿荷薄壁管的幾何模型

荷莖和荷葉的外觀結(jié)構(gòu)如圖1所示，荷花葉大且呈盾狀圓形，具有輻射狀葉脈，其受力時，變形延展面積大，具有較好的柔韌性。荷莖的橫斷面有許多大小不一的孔道，使荷莖具有一定的彈性，有抵御風(fēng)雨的能力。荷葉和荷莖與薄壁管的相似性分析：

1）功能相似性：荷花的莖和葉可以通過變形過程中吸收能量完成自我保護。薄壁管通過發(fā)生潰縮變形來吸收碰撞能量，從而避免整體結(jié)構(gòu)的破壞。

2）結(jié)構(gòu)相似性：薄壁管結(jié)構(gòu)具有良好的耐撞性能；荷花的莖類比于薄壁多胞管，同樣具有一定的耐撞性；荷花的葉在變形時可以承受較大的沖擊載荷，荷葉隆起的脈使結(jié)構(gòu)耐撞性得到提升，后面提出的仿荷薄壁管截面形狀也將以輻射狀葉脈為參考。

荷莖和荷葉都是仿生研究的對象，荷莖類比于多胞薄壁管，孔道的分布使荷莖受力穩(wěn)定，不易彎曲變形。荷葉具有輻射狀葉脈的特點?；诖?，本研究提出的仿生多胞薄壁管（下稱仿荷薄壁管）具有類比于荷莖的多胞結(jié)構(gòu)和類比于荷葉的輻射狀內(nèi)部結(jié)構(gòu)，再對所提出的仿荷薄壁管進行軸向碰撞分析，對比于傳統(tǒng)的普通圓管，分析仿荷薄壁管在耐撞性上的優(yōu)劣。

根據(jù)荷的功能和結(jié)構(gòu)特性，對金屬管截面進行仿生設(shè)計，主要考慮兩方面：一是荷花的莖截面多孔類比于多胞薄壁管，說明多胞薄壁管可能較單胞管有更好的耐撞性；二是荷葉的脈呈輻射狀，在自然界中具有抵抗風(fēng)雨的力學(xué)特性。從輻射狀荷葉葉脈和多胞結(jié)構(gòu)荷莖出發(fā)，將輻射狀多胞結(jié)構(gòu)引入薄壁管研究，提出了A、B、C三組截面形狀的仿荷薄壁管，每組分為3，5，7，9，11系列，仿荷薄壁管的命名方式為“組別+系列”，不同截面形狀的仿荷薄壁管截面示意圖如圖2所示。圖2中，實線代表薄壁，壁厚為1 mm，3組薄壁管截面的圓管外部直徑為60 mm，B組薄壁管截面內(nèi)部管壁直徑為30 mm，C組薄壁管內(nèi)部多邊形結(jié)構(gòu)的外接圓直徑為30 mm。

1.2薄壁管有限元結(jié)構(gòu)模型

利用有限元軟件HYPERMESH，建立仿荷薄壁管有限元模型，不同截面形狀的薄壁管有限元模型如圖3所示，薄壁管承受軸向沖擊載荷。薄壁管L=170 mm，外徑D=60 mm，結(jié)構(gòu)采用1 mm×1 mm的正方形單元進行網(wǎng)格劃分。薄壁管選用鋁合金材料，密度ρ=2 700 kg·m-3，泊松比u=03，彈性模量E=70 GPa，初始屈服應(yīng)力σy0=80 MPa，極限屈服應(yīng)力σu=173 MPa。碰撞塊和剛性墻定義為剛體，仿荷薄壁管的撞擊過程采用非線性顯式有限元求解器LSDYNA進行求解，其中碰撞塊與薄壁管采用點面接觸，薄壁管結(jié)構(gòu)采用單面接觸，接觸的靜動摩擦因數(shù)均為02，剛性墻與薄壁管之間的摩擦因數(shù)定義為03。仿荷薄壁管碰撞末端節(jié)點模擬固支邊界條件，施加所有六個自由度的約束。碰撞塊以10 m/s的速度撞擊薄壁管，質(zhì)量為300 kg，求解時的碰撞時間設(shè)置為11 ms。

1.3薄壁管的耐撞性指標(biāo)

1）比吸能SEA，即單位質(zhì)量的能量吸收率，它表示碰撞過程中薄壁管發(fā)生塑性變形吸收的能量E與薄壁管質(zhì)量M的比值，即

SEA=EM， E=∫ρ0Fdρ

式中，E為薄壁管吸收的能量；ρ為壓縮距離；F為碰撞壓縮過程中的碰撞力；M為薄壁管的總質(zhì)量。

2）峰值力F，峰值力表示碰撞發(fā)生時薄壁管在壓潰過程中沿軸向產(chǎn)生的最大沖擊載荷。峰值力過大，會導(dǎo)致車體碰撞的加速度較大，對車內(nèi)乘員造成損傷。

2仿荷薄壁管的耐撞性分析

2.1三組仿荷薄壁管的比吸能研究

對A、B和C組仿荷薄壁管的比吸能進行分析，比較同一組別不同系列薄壁管和同一系列不同組別薄壁管的比吸能差異。3組仿荷薄壁管的比吸能圖如圖4所示，由圖4可以看出，在一定范圍內(nèi)，同一組別的薄壁管，其比吸能較普通圓管有較大的提升，并且隨著胞數(shù)的增加，比吸能提高的幅度有所增加，3條比吸能曲線均呈正增長趨勢。普通圓管的比吸能為1284 kJ/kg，圖4所有仿荷薄壁管中，仿荷薄壁管A3比吸能最小，為1358 kJ/kg，較普通圓管的比吸能提高545%。比吸能最大的是仿荷薄壁管B11，其比吸能為185 kJ/kg，較普通圓管結(jié)構(gòu)的比吸能提高4408%；另外，同一系列的薄壁管，其比吸能為：B組>C組>A組，可以初步判定，在所研究的范圍內(nèi)，B組仿荷薄壁管的比吸能都優(yōu)于A組和C組，B組仿荷薄壁管相對于A組同一系列薄壁管，其比吸能平均提高20%。C組薄壁管的比吸能介于A和B組之間。圖4中，仿荷薄壁管A3的比吸能為1358 kJ/kg，B3的比吸能為1612 kJ/kg，C3的比吸能為1454 kJ/kg，B3的比吸能是C3的111倍，是A3的119倍。仿荷薄壁管A11的比吸能為1484 kJ/kg，B11的比吸能為1854 kJ/kg，C11的比吸能為1804 kJ/kg，仿荷薄壁管C11的比吸能是仿荷薄壁管A11的103倍，仿荷薄壁管B11的比吸能是仿荷薄壁管A11的128倍。

2.23組仿荷薄壁管的峰值力研究

在碰撞瞬間所產(chǎn)生的峰值力是耐撞性研究的重要指標(biāo)。車輛發(fā)生事故時，過大的峰值力會對乘車人員造成嚴(yán)重的傷害，在不影響吸能的情況下，減小碰撞過程中產(chǎn)生的峰值力，可以保護車內(nèi)乘員的安全。以下研究同一組別不同系列和同一系列不同組結(jié)構(gòu)的峰值力的變化規(guī)律，3組仿荷薄壁管的峰值力圖如圖5所示。

1）同一組別的薄壁管，隨著薄壁管胞數(shù)的增加，其峰值力也隨之增加，其中普通圓管的峰值力為2840 kN；仿荷薄壁管A3的峰值力為4928 kN，比普通圓管A1提高了735%；仿荷薄壁管A11的峰值力為7262 kN，比普通圓管提高了1557%；仿荷薄壁管B3的峰值力為5198 kN，比普通圓管提高了830%；仿荷薄壁管A11的峰值力為7389 kN，比普通圓管提高了1602%；仿荷薄壁管C3的峰值力為4371 kN，比普通圓管提高了539%；仿荷薄壁管C11的峰值力為8655 kN，比普通圓管提高了2047%。

2）同一系列的薄壁管，在軸向碰撞時，3組仿荷薄壁管隨著胞數(shù)的增加，碰撞時峰值力也隨之增加，其中A組和B組較C組峰值力增加的趨勢較緩慢，C組仿荷薄壁管的峰值力受胞數(shù)增加的影響最大。峰值力的提高，使汽車發(fā)生碰撞時，對乘車人員造成傷害的可能性加大，所以在耐撞性分析時，要聯(lián)系比吸能和峰值力進行綜合考慮。在3組仿荷薄壁管的比吸能圖的比較中，同一系列仿荷薄壁管的比吸能為：B組>C組>A組，在所研究的范圍內(nèi)，B組結(jié)構(gòu)的比吸能均優(yōu)于A組和C組；在峰值力指標(biāo)方面，同一系列的B組仿荷薄壁管較A組仿荷薄壁管的峰值力提升較小，C組仿荷薄壁管的峰值力受胞數(shù)增加的影響最大，當(dāng)胞數(shù)增加到7以上時，C組峰值力大于B組，在不影響比吸能的情況下，減小碰撞過程中產(chǎn)生的峰值力，可以保護車內(nèi)乘員的安全，因此B組仿荷薄壁管是一種更合理的吸能結(jié)構(gòu)。

2.33組仿荷薄壁管的變形模式研究

在薄壁管軸向碰撞時，薄壁管的褶皺數(shù)越多，褶皺越規(guī)律，則金屬管的變形越穩(wěn)定。當(dāng)薄壁管呈現(xiàn)出漸進疊縮變形模式時，結(jié)構(gòu)的吸能特性將大大提高。因本研究所用薄壁管使用相同的金屬材料，不需考慮材料不同對碰撞結(jié)果的影響。在相同軸向碰撞條件下，且在100 mm變形位移處，選取不同薄壁管的變形模式進行研究，仿荷薄壁管在100 mm位移處的變形如圖6所示，探究薄壁管的變形模式，并與前面得到的吸能特性進行對比分析。

1）在一定范圍內(nèi)，同一組別的薄壁管，隨著薄壁管胞數(shù)的增加，軸向碰撞時產(chǎn)生更多的褶皺，金屬管的變形更加穩(wěn)定，耐撞性得到提升。在100 mm變形位移處，普通圓管的褶皺數(shù)為5，薄壁管A3的褶皺數(shù)為6，薄壁管A5的褶皺數(shù)為7，薄壁管A7的褶皺數(shù)為8，薄壁管A11的褶皺數(shù)為9。仿荷薄壁管較普通圓管具有更好的吸能特性。在碰撞過程中，仿荷薄壁管在壓潰截面上會有較多的塑性變形，從而提高了仿荷薄壁管抵抗沖擊變形的能力，這種能力在一定范圍內(nèi)將隨著薄壁管胞數(shù)的增加而得到提高。

2）同一系列的薄壁管，B組和C組的變形模式較A組更好，產(chǎn)生的褶皺更多，B組在3組模型中變形最規(guī)律。聯(lián)系薄壁管在軸向沖擊時吸能特性和變形模式的關(guān)系，在同一系列中，B組仿荷薄壁管的吸能特性最好，C組仿荷薄壁管的吸能特性次之，A組仿荷薄壁管的吸能特性為3組最差，驗證了3組薄壁管在比吸能上的差異。

3結(jié)束語

本文主要研究了3組不同截面的仿荷薄壁管在軸向碰撞時的耐撞性。以仿生學(xué)為基礎(chǔ)提出仿荷薄壁管的不同截面，比較了不同仿荷薄壁管之間的比吸能和峰值力上的差異，并對模型的變形模式進行研究。研究結(jié)果表明，在比吸能指標(biāo)方面，3組仿荷薄壁管較普通圓管的比吸能大幅提升，說明仿荷薄壁管可以提高薄壁管的吸能特性，對比同一組別的薄壁管，3條比吸能曲線均呈正增長趨勢，說明在一定范圍內(nèi)，隨著薄壁管胞數(shù)的增加，比吸能也隨之增加。對比同一系列的仿荷薄壁管，比吸能為B組>C組>A組，因此B組結(jié)構(gòu)可以更好的提高薄壁管吸能特性，吸能特性最好的是B11仿荷薄壁管；在峰值力指標(biāo)方面，同一組別的薄壁管，隨著薄壁管胞數(shù)的增加，其峰值力也隨之增加。同一系列的B組仿荷薄壁管較A組仿荷薄壁管的峰值力也有所提升，C組仿荷薄壁管的峰值力受胞數(shù)增加的影響最大，當(dāng)胞數(shù)增加到7以上時，C組峰值力大于B組，在不影響吸能的情況下，減小碰撞過程中產(chǎn)生的峰值力，可以保護車內(nèi)乘員的安全，顯然B組仿荷薄壁管是一種更合理的吸能結(jié)構(gòu)。該研究可以有效提高薄壁管的耐撞性，為汽車的數(shù)值結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。

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