不同負(fù)泊松比填充結(jié)構(gòu)在汽車前端中的應(yīng)用

劉宇，郝琪，田鈺楠，毛怡

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，湖北 十堰442002）

汽車耐撞性設(shè)計(jì)一直是汽車開發(fā)過程中的關(guān)注重點(diǎn)，設(shè)計(jì)的好壞將直接影響汽車碰撞過程中汽車的損壞程度和乘員的傷亡情況，因此在汽車前端設(shè)有專門的防撞子系統(tǒng)來提高汽車的耐撞性，其中吸能盒是汽車前端重要的部件。吸能盒一般布置在汽車縱梁的前端，為廂型式薄壁結(jié)構(gòu)。為達(dá)到最優(yōu)的吸能效果，除對(duì)吸能盒本身進(jìn)行設(shè)計(jì)外，目前有大量研究采用添加填充物以達(dá)到較好的防撞效果。正泊松比材料在受到單軸拉伸時(shí)橫向會(huì)發(fā)生收縮，負(fù)泊松比材料反而會(huì)發(fā)生側(cè)向膨脹，這種反常的“拉脹”行為使其逐漸得到關(guān)注，成為具有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N新材料。負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)在有效吸能的同時(shí)，出現(xiàn)收縮壓實(shí)，有效減小壓潰量，極大地調(diào)節(jié)了吸能與壓潰的矛盾。在對(duì)負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的研究中，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)汽車吸能盒進(jìn)行了大量負(fù)泊松比蜂窩填充研究［1-3］，研究結(jié)果皆表明采用負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)對(duì)汽車相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以顯著提高汽車的耐撞性及對(duì)行人的保護(hù)作用。但在針對(duì)負(fù)泊松比填充結(jié)構(gòu)的研究中缺乏不同填充結(jié)構(gòu)之間的應(yīng)用對(duì)比，文中采用目前研究較多的內(nèi)凹六邊形結(jié)構(gòu)以及雙箭頭結(jié)構(gòu)［8］，在內(nèi)凹六邊形結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種新型弧邊結(jié)構(gòu)，將三者應(yīng)用于汽車前端吸能盒內(nèi)，對(duì)比研究在低速及高速碰撞速度下不同負(fù)泊松比填充結(jié)構(gòu)的吸能防護(hù)性能。

1 仿真模型的建立

1.1 汽車前端吸能盒結(jié)構(gòu)

汽車前端防護(hù)結(jié)構(gòu)主要包括前保險(xiǎn)杠、兩側(cè)吸能盒以及縱梁等結(jié)構(gòu)，文中主要研究3種負(fù)泊松比填充結(jié)構(gòu)在碰撞防護(hù)中的性能差異，故采用的研究對(duì)象為單個(gè)吸能盒結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

文中采用的吸能盒有限元模型如圖2所示，吸能盒在圖1所示原始結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了等效尺寸放大4倍以便于填充研究，后部采用殼單元模擬吸能盒后部汽車結(jié)構(gòu)，并賦予600 kg 質(zhì)量，吸能盒殼體間采用1D 焊接單元進(jìn)行連接，后部質(zhì)量板采用剛性材料、使用MAT20 號(hào)材料卡片進(jìn)行模擬，殼體使用Q235 號(hào)材料、采用MAT24 號(hào)材料卡片進(jìn)行模擬，內(nèi)部填充結(jié)構(gòu)采用鋁合金材料，材料性能見表1。

殼單元類型取shell 163殼單元，單元算法采用Belytschko-Tsay，使用面內(nèi)單點(diǎn)積分，計(jì)算速度快，通常對(duì)于大變形問題是穩(wěn)定有效的。為保證數(shù)值結(jié)果的收斂性，沿單元厚度取5個(gè)積分點(diǎn)。在沖擊過程中采用自動(dòng)單面接觸形式，忽略碰撞過程中摩擦力的影響。為便于對(duì)比各填充結(jié)構(gòu)的壓縮距離，約束模型后部質(zhì)量板自由度，僅釋放沿碰撞方向的移動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，分別在低速及高速下進(jìn)行碰撞研究，采用Ls-dyna求解器進(jìn)行碰撞計(jì)算。

圖1 前端防護(hù)結(jié)構(gòu)

圖2 吸能盒有限元模型

表1 材料性能

1.2 負(fù)泊松比三維填充結(jié)構(gòu)

建立內(nèi)凹六邊形結(jié)構(gòu)、雙箭頭結(jié)構(gòu)和某種新型弧邊負(fù)泊松比填充結(jié)構(gòu)，二維連接方式見圖3：L1和L2為桿長，T1和T2為桿厚，H為高，α和β為夾角，尺寸參數(shù)皆采用現(xiàn)有研究中的優(yōu)化值［1，5-6］，內(nèi)凹六邊形與弧邊結(jié)構(gòu)相鄰行通過共用邊連接，相鄰列通過連接桿連接［11］，雙箭頭結(jié)構(gòu)相鄰行與相鄰列緊密相鄰，通過對(duì)二維排列進(jìn)行旋轉(zhuǎn)陣列得到三維填充結(jié)構(gòu)。圖4為3種填充結(jié)構(gòu)三維有限元模型。

圖3 不同結(jié)構(gòu)二維排列圖

圖4 不同結(jié)構(gòu)三維排列圖

2 低速碰撞仿真

低速碰撞是指車速為15 km·h-1左右的碰撞，常發(fā)生在堵車、停車等情況下，一般不會(huì)造成重大的事故和人員傷亡，但會(huì)對(duì)汽車和駕駛員造成一定程度的傷害［9］。采用低速碰撞速度為20 km·h-1，無填充時(shí)吸能盒碰撞能量曲線見圖5，總能量守恒，沙漏能小于總能量的5%，模型有效，滿足要求。

圖5 原始吸能盒碰撞能量曲線圖

原始吸能盒與內(nèi)凹六邊形結(jié)構(gòu)低速碰撞結(jié)束變形圖見圖6，其他2 種結(jié)構(gòu)與內(nèi)凹六邊形結(jié)構(gòu)相似。結(jié)果顯示，在低速碰撞中原始吸能盒在碰撞接觸處發(fā)生結(jié)構(gòu)變形，而3種填充結(jié)構(gòu)皆未發(fā)生較大的變形，未表現(xiàn)出明顯的負(fù)泊松比變形特性，僅在碰撞接觸處內(nèi)部填充結(jié)構(gòu)發(fā)生了微小的結(jié)構(gòu)變形，結(jié)構(gòu)整體基本仍能夠保持原有形狀及尺寸，此時(shí)3種填充結(jié)構(gòu)的壓縮量皆小于原始吸能盒，在低速時(shí)填充結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力要遠(yuǎn)好于原始吸能盒。低速下使用3 種填充結(jié)構(gòu)后的模型碰撞各項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)比如表2和圖7所示。單位質(zhì)量結(jié)構(gòu)的吸能量為

式中：SEA為比吸能；EA為吸能量；M為總質(zhì)量。

圖6 低速碰撞結(jié)束變形圖

表2 低速碰撞壓縮量及峰值碰撞力數(shù)據(jù)表

圖7 低速碰撞吸能數(shù)據(jù)圖

從圖7a 可看出：內(nèi)凹六邊形結(jié)構(gòu)最快達(dá)到能量吸收峰值，隨后雙箭頭與弧邊結(jié)構(gòu)基本同時(shí)達(dá)到能量峰值，原始結(jié)構(gòu)最后達(dá)到峰值，但其最終吸能量略高于雙箭頭結(jié)構(gòu)，弧邊結(jié)構(gòu)高于內(nèi)凹六邊形結(jié)構(gòu)而低于雙箭頭結(jié)構(gòu)，最終吸能量都相差不大。從圖7b中可看到考慮質(zhì)量因素時(shí)4種結(jié)構(gòu)的差異：總吸能量相差不大的情況下，原始吸能盒由于未增加填充結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小，故比吸能值遠(yuǎn)高于其余結(jié)構(gòu)；內(nèi)凹六邊形結(jié)構(gòu)與弧邊結(jié)構(gòu)比吸能皆高于雙箭頭結(jié)構(gòu)。在汽車碰撞中，研究內(nèi)容皆以時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)，在碰撞時(shí)間內(nèi)結(jié)構(gòu)的壓縮量越小意味著結(jié)構(gòu)在碰撞中的變形量越小，也意味著汽車前圍對(duì)于駕駛室的侵入量越小。原始吸能盒的壓縮量最大，因此在碰撞中的變形量最大，結(jié)構(gòu)最終吸能量最大，對(duì)于駕駛室的侵入量也最大；內(nèi)凹六邊形結(jié)構(gòu)的壓縮量雖然最小，但其峰值碰撞力高于原始結(jié)構(gòu)與弧邊結(jié)構(gòu)。綜合壓縮量及峰值碰撞力來看，弧邊結(jié)構(gòu)相較于其他結(jié)構(gòu)，壓縮量較小，峰值碰撞力最小，對(duì)汽車碰撞的保護(hù)性能較好；從吸能與比吸能綜合考慮，原始結(jié)構(gòu)由于變形量較大吸能效果略好于其他結(jié)構(gòu)；從結(jié)構(gòu)本身考慮，當(dāng)4 種結(jié)構(gòu)皆達(dá)到相同的壓縮量即碰撞方向的應(yīng)變一致時(shí)，原始結(jié)構(gòu)的吸能效果遠(yuǎn)低于其他結(jié)構(gòu)。綜合來看，在低速碰撞中，內(nèi)凹六邊形結(jié)構(gòu)的吸能效果較好，但造成的峰值碰撞力較大；弧邊結(jié)構(gòu)在吸能中表現(xiàn)低于內(nèi)凹六邊形結(jié)構(gòu)但高于雙箭頭結(jié)構(gòu)，且造成的峰值碰撞力較小。

3 高速碰撞仿真

圖8 高速碰撞結(jié)束變形圖

按照C-NCAP 正面碰撞試驗(yàn)［7］設(shè)置碰撞速度為50 km·h-1，各模型高速碰撞結(jié)束變形圖如圖8所示，在高速碰撞中3種填充結(jié)構(gòu)皆呈現(xiàn)出較為明顯的負(fù)泊松比狀態(tài)，在碰撞方向結(jié)構(gòu)收縮的同時(shí)，結(jié)構(gòu)本身在垂直碰撞方向上也進(jìn)行收縮；3種填充結(jié)構(gòu)中部位置皆向結(jié)構(gòu)中心進(jìn)行不同程度的收縮，這種兩向收縮的特性為負(fù)泊松比典型的變形特點(diǎn)［10］，此時(shí)結(jié)構(gòu)密度集中，硬度增大，抵抗變形的能力增強(qiáng)。3 種結(jié)構(gòu)在碰撞端的結(jié)構(gòu)變形程度較大，而雙箭頭結(jié)構(gòu)中部位置收縮變形程度相較于內(nèi)凹六邊形結(jié)構(gòu)較大，相較于弧邊結(jié)構(gòu)較小，故其結(jié)構(gòu)密度增加程度大于內(nèi)凹六邊形結(jié)構(gòu)小于弧邊結(jié)構(gòu)；3種結(jié)構(gòu)的壓縮量大小也表現(xiàn)出此種趨勢。由于雙箭頭結(jié)構(gòu)密度增加程度大于內(nèi)凹六邊形結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)硬度較大，抵抗變形的能力相應(yīng)提高，其最終壓縮量也小于內(nèi)凹六邊形結(jié)構(gòu)；同理弧邊結(jié)構(gòu)整體收縮程度大于雙箭頭結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)密度及硬度增加程度皆最大，抵抗變形的能力最高，最終壓縮量也最??；而3種填充結(jié)構(gòu)的變形程度皆小于原始吸能盒。因此通過增加填充結(jié)構(gòu)能夠提高吸能盒結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力。

圖9 高速碰撞吸能數(shù)據(jù)圖

模型高速碰撞各項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖9 和表3 所示。在高速碰撞中弧邊結(jié)構(gòu)與雙箭頭結(jié)構(gòu)最快達(dá)到吸能峰值，且基本同時(shí)達(dá)到吸能峰值，在吸能曲線上升階段弧邊結(jié)構(gòu)吸能最多；其次為內(nèi)凹六邊形階段，接近峰值時(shí)雙箭頭結(jié)構(gòu)吸能超過內(nèi)凹六邊形結(jié)構(gòu)，最終接近弧邊結(jié)構(gòu)；原始吸能盒最慢達(dá)到吸能峰值。越快達(dá)到吸能峰值，結(jié)構(gòu)的相對(duì)密度越大，硬度越大，抵抗變形的效果越好。在高速碰撞中各模型比吸能情況與低速下基本相似，弧邊結(jié)構(gòu)的比吸能與內(nèi)凹六邊形結(jié)構(gòu)的差距不斷減小。而從壓縮量及峰值碰撞力考慮，原始吸能盒壓縮量極大，峰值碰撞力由于壓縮量的增大，結(jié)構(gòu)逐級(jí)變形，碰撞力隨結(jié)構(gòu)壓潰相應(yīng)降低，其峰值碰撞力最??；與低速碰撞相比，雙箭頭結(jié)構(gòu)在高速下的防護(hù)效果較好，其壓縮量低于內(nèi)凹六邊形結(jié)構(gòu)；弧邊結(jié)構(gòu)在高速碰撞下壓縮量最小，峰值碰撞力低于其他填充結(jié)構(gòu)高于原始吸能盒，原因是高速下結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出負(fù)泊松比狀態(tài)，在結(jié)構(gòu)收縮初始階段吸能盒殼體與填充結(jié)構(gòu)存在間隙，在填充結(jié)構(gòu)與剛性墻接觸時(shí)，結(jié)構(gòu)開始變形，給予剛性墻很大的抵抗作用，從而造成其碰撞力高于原始吸能盒，而在低速碰撞中，內(nèi)部填充結(jié)構(gòu)基本未發(fā)生變形，故其碰撞力低于原始吸能盒。綜合各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，弧邊結(jié)構(gòu)在高速碰撞中的防護(hù)效果較好，具有更好的吸能抗沖擊性能。

表3 高速碰撞壓縮量及峰值碰撞力數(shù)據(jù)表

4 結(jié)論

1）在低速及高速碰撞中3 種填充結(jié)構(gòu)的壓縮量皆小于原始吸能盒結(jié)構(gòu)，在應(yīng)用中對(duì)于駕駛室的侵入量皆小于原始結(jié)構(gòu)。

2）在低速碰撞中，由于速度較低，各填充結(jié)構(gòu)皆未呈現(xiàn)負(fù)泊松比變形特性；而高速中3種填充結(jié)構(gòu)皆呈現(xiàn)出明顯的兩向收縮負(fù)泊松比變形特性。

3）在低速時(shí)，內(nèi)凹六邊形結(jié)構(gòu)吸能效果較好，弧邊結(jié)構(gòu)峰值碰撞力最低；在高速時(shí)雙箭頭結(jié)構(gòu)性能遠(yuǎn)好于其在低速時(shí)的防護(hù)性能，而弧邊結(jié)構(gòu)的吸能防護(hù)效果最好，且其造成的峰值碰撞力也較低。

4）在應(yīng)用中，弧邊填充結(jié)構(gòu)在低速及高速中的綜合表現(xiàn)優(yōu)于其余結(jié)構(gòu)，對(duì)于汽車碰撞防護(hù)具有較高的實(shí)際意義。