局部表面納米化雙層嵌套式金屬薄壁吸能結構的數(shù)值模擬和設計

趙 禎， 王 偉， 廉增博， 王鈞仡，仝真真,2， 林志華， 周震寰， 徐新生*

(1.大連理工大學 工業(yè)裝備結構分析國家重點實驗室，大連 116024；2.大連交通大學 機車車輛工程學院，大連 116028； 3.香港城市大學 建筑學及土木工程學系，香港)

1 引 言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進程的加快，機動車的數(shù)量逐年增加，隨之而來的交通阻塞、環(huán)境污染和碰撞事故等社會問題也不容忽視。為了提高機動車的安全性能，車端的吸能裝置近年來受到了廣泛的關注。目前的吸能裝置主要由金屬薄壁結構制造而成[1]，金屬薄壁結構在受到軸向載荷時，易發(fā)生塑性屈曲變形從而吸收大量的能量，由于結構吸收的能量與變形模式密切相關，通過誘導結構發(fā)生規(guī)則穩(wěn)定的高階變形模式可有效提高吸能效果。

金屬薄壁吸能結構一般由圓管或多邊形管件制作而成[2,3]，隨著吸能結構的不斷發(fā)展，一些新型截面的金屬薄壁管的吸能研究隨之出現(xiàn)[4]。為了誘導結構的變形模式并提高結構的吸能效果，目前采取的方法和技術主要針對金屬薄壁結構進行改良，對殼體結構進行開槽[5]、加筋[6]或預制壓痕[7]是常見的技術手段。這些技術主要通過改變結構強度分布來誘導屈曲變形，與原始金屬薄壁結構相比，改進后的結構能夠按照預制的形狀發(fā)生規(guī)則穩(wěn)定的疊縮變形。但由于外觀發(fā)生了改變，結構加工難度增加且整體強度和吸能效果受到影響[8]。

納米表面化技術是通過特定的加工技術對固體表面進行強化、改性、超精細加工或賦予表面新功能和性能的一種方法。研究表明，經(jīng)過表面納米化后，金屬材料的硬度[9]、韌性[10]和屈服強度[11,12]能夠得到顯著的提高。納米表面技術原理簡單、操作方便，目前利用該技術在低碳鋼[13]、不銹鋼[14]，鎂合金[15]和鋁合金[16]等常規(guī)金屬材料上均已制備出納米結構表層。與傳統(tǒng)控制金屬薄壁結構變形模式的技術相比，表面納米化技術可以在不破壞結構外部形狀的情況下，改變材料的局部力學性能，實現(xiàn)通過控制薄壁結構的變形模式來提高結構吸能效果。表面納米化方法既適用于結構的整體，又可用于局部的改性，能夠按照不同的設計進行局部加工處理。

表面納米化處理的金屬薄壁吸能裝置已經(jīng)引起了人們的關注，但相關研究還處于發(fā)展階段。目前表面納米化吸能裝置以單層薄壁結構為主，包括方管[17,18]和六邊形管結構[19]等。本文將表面納米化技術引入到多層嵌套式金屬薄壁吸能裝置中，探究在沖擊下，不同局部表面納米化布局下，組合嵌套式吸能裝置的動力變形行為和設計方法。

2 計算模型與材料參數(shù)試驗

選擇一種雙層嵌套式正方形金屬薄壁管作為研究對象并研究其吸能特性。與單壁結構相比，雙層嵌套式結構由于截面面積的增加，在沖擊的初始階段峰值載荷急劇上升。為降低峰值載荷，考慮和設計一種高度不同的雙層嵌套式方管結構，如圖1所示。

在數(shù)值模擬中，取外管的邊長L=100 mm，高度H=160 mm，內(nèi)管的邊長l=60 mm，高度h=120 mm，內(nèi)外管的厚度T=t=1 mm。吸能結構材料由304不銹鋼制作而成，材料的密度為7960 kg/m3，泊松比為0.3，彈性模量為196 GPa。

為確定304不銹鋼在表面納米化前后的材料參數(shù)變化，采用超聲沖擊的方法對標準試件進行單面和雙面兩種納米化處理。圖2(a)給出HY2050超聲沖擊設備沖擊頭對試件的表面納米化；圖2(b)為納米化后的標準拉伸試件。三組試件(每組5個)的力學性能測試表明，表面納米化對彈性模量的影響不大，但對屈服極限有顯著的影響。單面納米化后，材料的屈服極限由未納米化的 254 MPa 提升至551 MPa；雙面納米化后，材料的屈服極限提高到654 MPa，而納米化前后材料的彈性模量和泊松比變化不大。本文根據(jù)上述材料參數(shù)，對雙層嵌套式方管吸能結構進行數(shù)值模擬和設計。

3 吸能結構數(shù)值模擬和納米化設計

采用上述304不銹鋼材料參數(shù)構建雙層嵌套式結構的有限元模型，借助有限元軟件ANSYS的Ls -dyna 模塊進行數(shù)值模擬。薄壁方管選用shell 163網(wǎng)格，經(jīng)過收斂性驗證，網(wǎng)格大小選取2 mm。剛體質量塊選用solid 164單元，質量為100 kg，以6 m/s的恒定速度沖擊吸能結構。質量塊與結構之間為面-面接觸，摩擦系數(shù)為0.2。結構(內(nèi)外薄壁管)之間為自然接觸，并以整體結構的壓縮位移為外管總長度的70%為限定，避免結構由于壓實附加其他能量。

圖1 雙層嵌套式方管

圖2 超聲沖擊納米化設備沖擊頭和納米化處理標準拉伸試件

為提供參考，考慮未納米化和全納米化(分別選取單面和雙面納米化參數(shù))兩類雙層薄壁方管吸能結構，在沖擊下數(shù)值分析其動力行為。為了更清楚地展示結構的變形模式，分別給出雙管結構沿軸線的剖面變形和俯視變形，如圖3所示，能量吸收對比列入表1?？梢钥闯觯瑑深惤Y構變形模式有不同之處，也有相似部分。對于未納米化結構，初始屈曲發(fā)生在結構的中部(圖3(a))，外管首先產(chǎn)生對稱式疊縮變形并影響了內(nèi)管的變形模態(tài)；隨后，兩管的褶皺發(fā)生重疊，隨著壓縮位移的增加，結構的下部逐漸壓實且上部向外擴展，變形主要集中在整體結構的中下部。經(jīng)過表面納米化的雙層薄壁方管，其初始屈曲發(fā)生在結構上端(圖3(b))；屈曲過程呈現(xiàn)出由上而下的漸進式疊縮變形，且屈曲褶皺的幅值相對略大，這是由于表面納米化后材料的彈性階段增加。兩類結構變形模式相似之處在于，變形均屬于不規(guī)則和不可控。

圖3 雙層薄壁方管變形模式

由表1可知，表面納米化結構的能量吸收均有所提升。其中，EA為吸收總能量，SEA為比吸能(單位質量所吸收的能量)，PCF為峰值載荷，CFE為吸能效率(平均載荷/最大載荷)，RHI為沙漏能和內(nèi)能的比值。這里，比吸能、峰值載荷和吸能效率是三個重要的設計指標。一般而言，比吸能和吸能效率越高，峰值載荷越低，結構的吸能效果越好。由表1可知，單面和雙面表面納米化結構的比吸能提升超過62%和77%，但峰值載荷也急劇升高，從106.63 kN提升至193.24 kN和223.67 kN，與未納米化模型相比吸能效率有所降低。在設計中，最大沖擊載荷(峰值載荷)及與之對應的最大沖擊加速度需有限制性指標，以保障對人員的安全。由 表1 可知，全納米化結構的峰值載荷不能令人滿意。此外，數(shù)值計算模型所得的RHI值遠低于5%，說明是可抑制沙漏模式。事實上，兩類結構等效于使用了兩種不同的材料，因此，需要在保持較低峰值載荷且比吸能最大化的條件下設計新的方案。

從方管薄壁結構的變形模式可注意到，在受到軸向壓縮載荷時，結構會主要發(fā)生沿環(huán)向的疊縮變形。根據(jù)這一特性，考慮一種環(huán)向條紋式局部表面納米化布局方案。兩方管的每一面等分成數(shù)量不同的矩形條帶區(qū)域，并根據(jù)條紋數(shù)量的不同調整每個條紋的寬度，如圖4所示。圖中深色區(qū)域代表納米化區(qū)域，淺色區(qū)域代表未納米化區(qū)域。令M和N分別表示外管和內(nèi)管的納米化條紋數(shù)量，并記M-N為雙管薄壁結構納米化條紋布局。先考慮內(nèi)外兩管具有相同的布局方案和條紋數(shù)量。對于環(huán)向連續(xù)式設計(圖4(b))，取M=N=2，4，6，8，此時方管每一面的納米化和未納米化條紋均為M/2個。對于環(huán)向交錯式設計(圖4(a))，取M=N=2，3，4，5，6，7，此時方管的對邊局部表面納米化分布相同，而鄰邊的分布相反?；谏鲜鰞煞N設計，所有模型的納米化面積均為總面積的一半，因此相互更具有可比性，更能準確反映局部表面納米化布局對結構變形模式和吸能性能的影響。數(shù)值模擬結果列入表2。

表1 雙層薄壁管吸能參數(shù)

表2 單面納米化環(huán)向條紋式雙層薄壁管吸能參數(shù)

通過對比發(fā)現(xiàn)，環(huán)向局部表面納米化雙管結構的比吸能得到了顯著的提升，且吸能效率也所有提高。對于交錯式的情況，內(nèi)外雙管3條紋設計(M-N為3-3)對應的吸能參數(shù)能夠實現(xiàn)最大程度的提高，該模型的比吸能達到6921.10 J/kg，與未納米化模型相比提升了30.3%，而峰值載荷僅升高了11.3%，說明該設計能夠在保持較低峰值載荷的條件下有效提高結構在軸向載荷下吸收的能量。由由表2還可知，隨著納米化條紋數(shù)量的增加，峰值載荷也緩慢降低，同時對應的比吸能也隨之下降，說明并非納米化條紋越多結構的吸能效果越好。結果表明，對于4條紋模型，其褶皺數(shù)量較少且向外延伸距離較長，該模式的塑性變形無法使吸收能量最大化，對應的吸能和比吸能較低。因此，存在一個最佳的表面納米化布局設計。

圖4 環(huán)向條紋式局部表面納米化布局

對于連續(xù)式條紋的情況，最優(yōu)的設計對應于環(huán)向4條紋的表面納米化布局。該結構的比吸能為7662.27 J/kg，相對提升了44.3%；而峰值載荷僅為103.85 kN，與未納米化結構相近，吸能效率提升至0.48。因而，可以說4條紋表面納米化布局的環(huán)向連續(xù)式設計為該條件下最優(yōu)的設計方案。與交錯式條紋的情況類似，也存在環(huán)向連續(xù)式局部表面納米化條紋的最佳數(shù)目，更多的條紋數(shù)量可能會降低結構的吸能效果。這是因為過多的納米化條紋會使結構表面的材料強度分布趨于均勻，從而不能達到局部表面納米化對變形模式的誘導和控制作用以提高其吸能效果的目的。事實上，局部表面納米化條紋數(shù)目與納米化條帶的寬度一一對應，而條帶的寬窄與結構變形區(qū)域有關。也就是說，結構的比吸能不可能無限制提升，因此優(yōu)化局部表面納米化區(qū)域是必要的。此外，還注意到，在結構的變形過程中，未納米化區(qū)域進入塑性時，局部納米化區(qū)域仍處于彈性階段，這種特性是局部納米化誘導屈曲模態(tài)的主要機理。

為了更清晰地揭示環(huán)向局部表面納米化雙管結構的變形演化和吸能過程，以環(huán)向交錯式納米化3條紋和連續(xù)式4條紋為例，觀察其變形模式和載荷-位移曲線，如圖5和圖6所示。

由于局部納米化區(qū)域和未納米化區(qū)域的材料強度差異，結構初始屈曲位置和屈曲模式(圖5)與圖3有較大的差別。圖5(b)變形模式呈現(xiàn)出四邊相對的對稱屈曲變形，而圖5(a)表現(xiàn)為疊層式的屈曲變形。這些現(xiàn)象正是由于局部納米化區(qū)域分布的緣故，同時也說明局部納米化對結構屈曲變形具有主要的誘導作用，并且局部納米化在結構屈曲變形中對內(nèi)外薄壁管的相互作用產(chǎn)生影響。從 圖6 可以看出，沖擊載荷出現(xiàn)多個峰值。每一個主要載荷峰值都對應較大的屈曲波紋產(chǎn)生，圖5也反映了這種現(xiàn)象。這些曲線的許多波動現(xiàn)象是內(nèi)外薄壁管相互作用的產(chǎn)物。根據(jù)能量的守恒性，曲線與橫坐標所圍面積即為結構所吸收的能量?？梢?，環(huán)向連續(xù)式4條紋納米化設計所對應的載荷始終保持在較高數(shù)值，因而表現(xiàn)出該結構模型較高的能量吸收性能。

為了分析納米化強度和內(nèi)外薄壁管不同的納米化分布對結構吸能性能的影響，進一步研究采用雙面納米化材料參數(shù)(屈服極限654 MPa)的雙層薄壁管模型。仍考慮與以上模型同樣的雙管結構尺寸和環(huán)向連續(xù)式與交錯式納米化兩種布局設計。

經(jīng)過計算，表3給出各種情況的吸能參數(shù)。結果顯示，環(huán)向連續(xù)式4條紋的模型(4-4)具有相對最高的吸能效果，比吸能提升至8163.38 J/kg，相表2還可知，隨著納米化條紋數(shù)量的增加，峰值載荷緩慢降低，同時對應的比吸能也隨之下降，也就是說并非納米化條紋越多結構的吸能效果越好。比未納米化模型的比吸能提高了53.7%。而環(huán)向連續(xù)式6條紋模型(6-6)對應的比吸能也高達8114.81 J/kg，說明兩種納米化條紋設計均提高了吸能效果。這種比吸能的進一步提高主要是因為采用了雙面納米化結構。可以說，提高納米化材料的屈服極限起到了主要作用。

圖5 局部表面納米化雙層薄壁方管變形模式(單面納米化)

圖6 雙層薄壁方管載荷-位移曲線(單面納米化)

考慮內(nèi)外薄壁管不同的納米化分布對結構吸能性能的影響。表3同時列出具有代表性的兩種模型結構(6-4和4-6)在沖擊下的比吸能等參數(shù)。這兩種模型結構內(nèi)外管分別為環(huán)向連續(xù)式6條紋和環(huán)向連續(xù)式4條紋的設計(M=6，N=4和M=4，N=6)。計算結果表明，外管6個局部納米化條紋和內(nèi)管4條紋的環(huán)向連續(xù)式布局時，結構的比吸能提升至8339.51 J/kg，且吸能效率提升至0.49。該納米化結構與未納米化情況相比，比吸能增加了57.1%，也是環(huán)向條紋設計中最優(yōu)的布局方案。該結果說明，內(nèi)外管納米化條紋數(shù)不同的布局會吸收更多的能量。這是由于內(nèi)外管邊長不同和兩層管接觸后相互作用更需要合理的納米化布局。此外，雖然納米化增加了結構材料的屈服強度，但在合理的局部納米化布局下既能提高結構的吸能效果，也能避免過大的沖擊載荷。因此，采用局部納米化技術設計吸能結構是有效可行的。

表3 雙面納米化環(huán)向條紋雙層薄壁管吸能參數(shù)

4 結 論

本文提出的雙層嵌套式薄壁吸能結構的設計方法充分利用了局部表面納米化技術能夠使同一材料存在不同屈服極限分布的特點，實現(xiàn)誘導屈曲模態(tài)并提高結構比吸能的目標。表面納米化可大幅度提高304不銹鋼材料的屈服極限；局部表面納米化能誘導和提高結構屈曲變形模式的比吸能效果；雙層嵌套式薄壁吸能結構在局部表面納米化后，能夠加強結構強度，提高能量吸收，并能避免過大的沖擊載荷。經(jīng)優(yōu)化納米化布局的結構比吸能可提升57.1%。因此采用局部表面納米化設計雙層嵌套式金屬薄壁吸能結構是理想的方法。