基于FEM的吸能盒模具優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳秋平 董萬鵬 張震 李鵬飛

摘要：為實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，用鋁制吸能盒代替原先鐵制吸能盒，利用SolidWorks軟件建立吸能盒的幾何模型，以吸能盒模型的橫截面形狀為變量，通過對(duì)9種不同橫截面形狀吸能盒進(jìn)行CAE分析，數(shù)據(jù)結(jié)果表明，正六邊形蜂巢結(jié)構(gòu)吸能盒的吸能效果最佳，能更有效地保護(hù)乘員安全。

關(guān)鍵詞： 吸能盒; 輕量化; CAE分析; 汽車; 吸能效果

【Abstract】 In order to realize the lightweight of the car， the aluminum energy absorbing box is used to replace the original iron energy absorbing box， and the geometric model of the energy absorbing box is established by SolidWorks software. The cross sectional shape of the energy absorbing box model is used as a variable， and 9 different cross sections are adopted. The shapes of energy absorbing box are used for CAE analysis. The data results show that the positive hexagonal honeycomb structure energy absorbing box has the best energy absorption effect， which can more effectively protect the occupant safety.

【Key words】 ?energy absorbing box; lightweight; CAE analysis; automobile; energy absorption effect

0 引 言

汽車吸能盒置于保險(xiǎn)杠后部，在汽車發(fā)生碰撞時(shí)，通過吸能盒的塑形變形，沖擊能大部分被吸能盒吸收，大大減少了乘客所受到的沖擊能，提高了乘客乘車安全性。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[1]。隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，近年來對(duì)汽車吸能盒的研究層出不窮。在國(guó)外，Qureshi等人[2]提出了6種不同類型的吸能盒表面模型，并利用商用預(yù)處理器（Tm）和商用顯式粒度（Tm）對(duì)43個(gè)樣品進(jìn)行了模擬。在國(guó)內(nèi)，鐘志華院士[3]首先對(duì)汽車抗碰撞性能進(jìn)行了研究，并對(duì)汽車吸能部件和緩沖裝置進(jìn)行優(yōu)化;楊永生[4]對(duì)汽車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)低速碰撞性能進(jìn)行研究;萬鑫銘等人[5]提出將近似模型技術(shù)和數(shù)值優(yōu)化方法引入到汽車用吸能盒的耐撞性優(yōu)化設(shè)計(jì);都雪靜等人[6]用蜂窩狀實(shí)體結(jié)構(gòu)代替低碳鋼薄管結(jié)構(gòu)，吸能盒性能有很大的提升。本文在前人的基礎(chǔ)上，對(duì)吸能盒的截面形狀以及結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，用有限元法對(duì)其進(jìn)行模擬碰撞實(shí)驗(yàn)，根據(jù)9種不同吸能盒的模擬碰撞位移和應(yīng)力分析結(jié)果，實(shí)驗(yàn)表明：正六邊形蜂巢結(jié)構(gòu)吸能盒的吸能效果最佳，與另外8種結(jié)構(gòu)的吸能盒相比，吸能性有較大提高。

1 材料和方法

1.1 選擇吸能盒材料

對(duì)于吸能盒材料的選擇，首先需要滿足結(jié)構(gòu)的安全性，其次需要考慮生產(chǎn)制造的成本、維修的方便性、節(jié)能環(huán)保和輕量化。研究可知，鋁合金與傳統(tǒng)低碳鋼相比，滿足材料的強(qiáng)度硬度要求;同時(shí)，鋁合金還具有環(huán)保、節(jié)能、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)比分析鋁合金（6061）和低碳鋼（Q435）的力學(xué)性能，詳見表1。

通過表1中數(shù)據(jù)的對(duì)比，鋁導(dǎo)熱性好，汽車碰撞時(shí)，吸能盒在吸收能量變形時(shí)，能將熱能快速傳遞到外界;鋁表面有致密氧化膜Al2O3，有效阻止內(nèi)部氧化，確保吸能盒的質(zhì)量穩(wěn)定。隨著壓縮的不斷進(jìn)行，鋁合金產(chǎn)生應(yīng)變硬化效應(yīng)，流變應(yīng)力、屈服強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度均隨應(yīng)變速率的增大而增大[7]。鑒于此，選擇鋁合金（6101）作為吸能盒材料。

1.2 方法

1.2.1 吸能盒三維模型設(shè)計(jì)依據(jù)說明

圓形、正六邊形、正八邊形薄壁梁具有較高最大峰值碰撞力，潰縮距離小，正方形薄壁梁最大峰值碰撞力小，潰縮距離大，結(jié)合圓形截面和正方形截面的優(yōu)勢(shì)[8]。通過綜合考慮吸能盒的材料、結(jié)構(gòu)的可加工性、成本、節(jié)能環(huán)保、輕量化五個(gè)因素，主要從三方面進(jìn)行吸能盒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)：圓形截面、正六邊形截面和三角形截面。

1.2.2 構(gòu)建吸能盒三維模型

利用SolidWorks軟件建立吸能盒三維模型，截面最大尺寸為150 mm×150 mm，吸能盒高度為170 mm。研究得到的9組橫截面積所對(duì)應(yīng)的吸能盒三維模型如圖1所示。汽車在碰撞過程中，其速度迅速下降并到達(dá)靜止?fàn)顟B(tài)，由于汽車質(zhì)量較大，在碰撞過程中會(huì)產(chǎn)生巨大的動(dòng)量，而碰撞時(shí)間極短，將會(huì)產(chǎn)生極大的作用力。根據(jù)這一原理，用SolidWorks軟件模擬整個(gè)過程，得到鋁制吸能盒的變形狀況。

2 模擬計(jì)算結(jié)果

分別對(duì)9個(gè)不同橫截面和結(jié)構(gòu)的吸能盒模擬碰撞分析，一般私家車的質(zhì)量在1.4～2.1噸之間，取碰撞速度為50 km/h，碰撞時(shí)間為60 ms。根據(jù)上述分析可以計(jì)算出撞擊力為4.63×104 KN，取碰撞時(shí)吸能盒受力為4.63×104 KN。使用軟件進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分，設(shè)定模型材料為6061鋁合金。然后對(duì)模型施加載荷，并設(shè)定夾具固定一端，求解后得出位移和應(yīng)力圖（見圖2），并對(duì)位移和應(yīng)力圖進(jìn)行整理分析，分析后結(jié)果見表2。

通過上述實(shí)驗(yàn)過程的分析，計(jì)算出9組方案中各自的吸能值，其結(jié)果見表2。通過對(duì)比，施加同樣大小的應(yīng)力（55.15 MPa）時(shí)， 圖2（e）組方案位移值（8.482 mm）最大，吸能值（467.782 J）最大，吸能效果最好。與傳統(tǒng)吸能盒設(shè)計(jì)（應(yīng)力：62.18 MPa，吸能：409.616 J）相比，新結(jié)構(gòu)能量吸收提高了14.2%，吸能盒最大碰撞力比原設(shè)計(jì)減小了 11.3%。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在低速碰撞情況下，正六邊形蜂巢結(jié)構(gòu)吸能盒能吸收大部分撞擊能，降低乘客發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

（1）不同截面形狀的比較。不同橫截面對(duì)應(yīng)的吸能盒吸收能量的差異很大。正六邊形輪廓的吸能盒吸收的能量要遠(yuǎn)多于圓形輪廓和正方形輪廓吸能盒吸收的能量，而正方形輪廓的吸能盒整體平均吸收的能量比圓形多。究其原因就在于正方形及六邊形截面有棱角，可以充當(dāng)誘導(dǎo)槽的作用，正六邊形亦比正方形截面更加合適。而對(duì)于圖2（i）三角形管狀結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)來說，由于其三角形結(jié)構(gòu)的緣故，使得金屬流動(dòng)阻力增大，且容易導(dǎo)致應(yīng)力集中，故吸能效果最不明顯，遠(yuǎn)不及此次實(shí)驗(yàn)的其他結(jié)構(gòu)。

（2）不同結(jié)構(gòu)的比較。受力方向的截面差異的位置結(jié)構(gòu)方面來看，正對(duì)于受力位置的截面形狀中圖2（a）雙內(nèi)圓形結(jié)構(gòu)的吸能效果最好，垂直于受力位置的截面形狀中圖2（e）正六邊形蜂巢結(jié)構(gòu)的吸能效果最好，通過改變垂直于受力位置的截面形狀得到的吸能效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于改變正對(duì)于受力位置的截面形狀。因此在結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的截面優(yōu)化最好是優(yōu)化垂直于受力方向的截面。

4 結(jié)束語

影響吸能盒撞擊性能的結(jié)構(gòu)因素有很多，從所分析的9種吸能盒結(jié)構(gòu)得出結(jié)論：正六邊形蜂巢輪廓的吸能盒，吸能性相比更好。本實(shí)驗(yàn)基于有限元數(shù)值模擬分析，未進(jìn)行實(shí)際的試驗(yàn)驗(yàn)證，其試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)性雖滿足試驗(yàn)要求，但仍有進(jìn)一步提升的空間。針對(duì)此現(xiàn)象，可考慮用實(shí)際的縮小比例實(shí)物，進(jìn)行真實(shí)的碰撞試驗(yàn)，進(jìn)一步完善并驗(yàn)證試驗(yàn)的可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1] 師光耀. 基于ANSYS Workbench的汽車吸能盒碰撞仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D]. 石家莊：河北科技大學(xué)，2015.

[2]QURESHI O M， BERTOCCHI E. Crash behavior of thin-Walled box beams with complex sinusoidal relief patterns[J]. Thin-Walled Structures， 2012， 53：217.

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

[4]楊永生. 汽車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)低速碰撞性能研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2009.

[5]萬鑫銘，徐小飛，徐中明，等. 汽車用鋁合金吸能盒結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 汽車工程學(xué)報(bào)，2013， 3（1）： 15.

[6]都雪靜，韋麗蘋. 吸能盒盒體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改進(jìn)[J]. 重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)）， 2015， 29（12）：7.

[7]易兆祥，李新和，常士武，等. 2219鋁合金熱壓縮時(shí)的流變應(yīng)力本構(gòu)方程[J]. 機(jī)械工程材料，2018，42（7）： 53.

[8]柳艷杰，胡焜，夏春艷，等. 低速碰撞時(shí)汽車前縱梁的數(shù)值仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2008，24（3） ： 347.

[9]梁建術(shù)，師光耀，駱孟波，等. 汽車吸能盒的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2016（9）：16.

[10]LU Rihuan， GAO Weizhao， HU Xianlei， et al. Crushing analysis and crashworthiness optimization of tailor rolled tubes with variation of thickness and material properties[J]. International Journal of Mechanical Sciences， 2018， 136：67.

[11]楊星，于野，張偉，等. 基于三維多胞結(jié)構(gòu)的汽車吸能盒優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，57（4）： 331.

[12]于用軍，郭永奇，李飛，等. 鋁合金吸能盒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及耐撞性分析[J]. 汽車實(shí)用技術(shù)，2017（22）：55 .

[13]KONDA A K， FARMER R， SOREN K R， et al. Structural modelling and molecular dynamics of a multi-stress responsive WRKY TF-DNA complex towards elucidating its role in stress signalling mechanisms in chickpea[J]. Journal of Biomolecular Structure and Dynamics， 2018，36（9）：2279.

[14]雷剛，譚皓文，樊偉，等. 基于汽車正面碰撞的吸能盒設(shè)計(jì)及優(yōu)化[J]. 重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2013， 27（3）：1.

[15]朱學(xué)武，王士彬，張健. 內(nèi)高壓碰撞吸能盒的耐撞性能開發(fā)[J]. 汽車技術(shù)，2018（7）：43.

[16]鄧小林，劉旺玉. 一種負(fù)泊松比正弦曲線蜂窩結(jié)構(gòu)的面內(nèi)沖擊動(dòng)力學(xué)分析[J]. 振動(dòng)與沖擊， 2017，36（13）：103.

[17]李超超，向建華，王慧敏，等. 汽車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)吸能盒結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)低速碰撞下吸能特性的影響[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)， 2017， 51（10）：77.

[18]付炯. 轎車追尾碰撞結(jié)構(gòu)安全性仿真優(yōu)化研究[D]. 長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2011.

[19]曲明. 汽車吸能盒結(jié)構(gòu)低速正面撞擊的數(shù)值仿真研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2008.

[20]董宗岐. 基于沖壓成型的汽車吸能盒碰撞吸能特性的仿真研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2013.