不同外框搭配不同內(nèi)支撐的薄壁梁碰撞研究

袁威，吳勝軍，孟航宇，梁治千，張宗宏

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車動(dòng)力傳動(dòng)與電子控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 十堰442002）

汽車發(fā)生正面碰撞時(shí)，通過車身前端骨架以及吸能塊的塑性變形來吸能。受到?jīng)_擊載荷作用時(shí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的壓潰行程，從而將沖擊能量均勻地耗散，瞬時(shí)沖擊載荷強(qiáng)度因而大大降低［1］，因此薄壁梁桿件的耐碰撞性好壞對(duì)整車安全有著關(guān)鍵作用。截面形狀對(duì)薄壁梁碰撞性能有著重要影響，目前對(duì)薄壁梁截面形狀的研究主要是單獨(dú)研究外框形狀或者單獨(dú)研究內(nèi)支撐形狀。荊友錄研究了方形和方錐形2種不同截面薄壁直梁的有限元模型，發(fā)現(xiàn)錐形截面薄壁梁的吸能特性優(yōu)于方形［2］；田澤研究了對(duì)不帶倒角和直角折彎的2 種帽型梁軸向沖擊的影響，結(jié)果表明非直角彎折梁的吸能效果較直角彎折梁好［3］。關(guān)于不同形狀內(nèi)支撐搭配不同外框的碰撞效果鮮有研究。文中研究了外框?yàn)檎叫?、五邊形和六邊形的薄壁梁分別與X型、XO型內(nèi)支撐在加速度、吸能2個(gè)方面的碰撞性能，并將2種較優(yōu)薄壁梁裝到整車進(jìn)行碰撞驗(yàn)證，選出可提高整車碰撞安全性的最優(yōu)薄壁梁截面結(jié)構(gòu)。

1 薄壁梁有限元模型的建立

1.1 幾何模型及材料選擇

正方形、五邊形、六邊形外框分別與X型和XO型內(nèi)支撐搭配的薄壁梁截面結(jié)構(gòu)一共6 種，如圖1所示。為了達(dá)到更準(zhǔn)確的模擬效果，建模時(shí)正方形外框薄壁梁的截面邊長為150 mm，壁厚2 mm，每種薄壁梁的長度都是1000 mm。五邊形和六邊形外框薄壁梁的截面面積和正方形外框薄壁梁一致，不同截面形狀薄壁梁面積誤差不超過5%，以保證碰撞結(jié)果的可比較性。薄壁梁材料屬性如表1 所示，因此MAT24 號(hào)材料在汽車碰撞仿真中應(yīng)用最廣泛，汽車的所有鋼體構(gòu)架均采用MAT24 號(hào)材料本構(gòu)模型［4］。

圖1 薄壁梁的不同截面

表1 材料Q235屬性

1.2 模擬方法

先對(duì)薄壁梁的幾何模型進(jìn)行抽中面、幾何清理、網(wǎng)格劃分工作，網(wǎng)格采用邊長為10 mm 的2 維四邊形網(wǎng)格。然后在薄壁梁后端添加1000 kg質(zhì)量模擬整車質(zhì)量，使碰撞結(jié)果更具有真實(shí)性。距薄壁梁前端1 mm 處設(shè)置剛性墻，如圖2 所示。最后薄壁梁以30 km·h?1的速度撞向剛性墻［4］，薄壁梁的質(zhì)心為碰撞數(shù)據(jù)輸出點(diǎn)。

圖2 薄壁梁前處理圖

2 模型分析

2.1 XO型內(nèi)支撐薄壁梁碰撞研究

汽車碰撞時(shí)，希望被撞物體能夠盡快且平緩減速直至停止，避免反復(fù)波動(dòng)造成二次傷害。由圖3a可知：XO型內(nèi)支撐的3種薄壁梁中，正方形外框薄壁梁在0.013 s時(shí)加速度值最大，且0.02 s后又出現(xiàn)1 次較大的極值，會(huì)造成二次傷害；六邊形外框薄壁梁加速度最大值最小，為-52 g，在0.04 s 就基本穩(wěn)定，加速度值變化最為平緩。

碰撞中，薄壁梁絕大部分動(dòng)能都轉(zhuǎn)化為薄壁結(jié)構(gòu)內(nèi)能，不同截面薄壁梁的吸能量是不一樣的。由圖3b可知：XO型內(nèi)支撐的3種薄壁梁中，正方形外框、五邊形外框薄壁梁吸能時(shí)長一樣，但五邊形外框薄壁梁吸能量更多，吸能速度更快；而六邊形外框薄壁梁吸能總量最大、吸能時(shí)間最長。

圖3 XO型內(nèi)支撐薄壁梁碰撞性能圖

2.2 X型內(nèi)支撐薄壁梁碰撞研究

由圖4a可知，X型內(nèi)支撐的3種薄壁梁加速度曲線變化趨勢相近，均在0.005 s出現(xiàn)加速度極值；六邊形外框薄壁梁加速度極值最低，為-45 g，正方形外框薄壁梁加速度極值最大，為-55 g。正方形外框與五邊形外框薄壁梁碰撞過程中加速度曲線動(dòng)蕩較大，會(huì)對(duì)人員造成震蕩而帶來二次傷害，六邊形外框薄壁梁加速度曲線變化較為平緩。由圖4b可知，X型內(nèi)支撐的3種薄壁梁吸能達(dá)到最大值的時(shí)間差不多，六邊形外框薄壁梁吸能總量最大，正方形外框與五邊形外框薄壁梁吸能總量幾乎一致。由此可見，六邊形外框薄壁梁吸能效果最好，加速度最低也最平緩。

圖4 X型內(nèi)支撐薄壁梁碰撞性能圖

3 整車碰撞驗(yàn)證

3.1 薄壁梁布置和整車前處理

在客車底盤前方均勻布置13 個(gè)薄壁梁，為使前端薄壁梁更好地壓縮、吸能，將薄壁梁安裝底座向前移動(dòng)了一段距離，并用多個(gè)桿件焊接固定，3種方案如圖5所示。方案1是不安裝薄壁梁，方案2 是安裝X 型內(nèi)支撐六邊形外框薄壁梁，方案3 是安裝XO 型內(nèi)支撐六邊形外框薄壁梁。為了更準(zhǔn)確地比較不同薄壁梁的吸能情況，2種薄壁梁都采用Q235 材料，高為160 mm，厚為2 mm，截面面積均為240±10 mm2。

圖5 不同薄壁梁安裝方案的客車骨架模型

整車骨架模型的碰撞速度為30 km·h?1，計(jì)算時(shí)間為0.12 s，重力加速度設(shè)置為9.8 m·s?2。為了減少計(jì)算時(shí)間，在整車骨架前方2 mm 處建立剛性墻進(jìn)行100%正面碰撞。

3.2 結(jié)果分析

能量的變化反映了客車在碰撞過程中緩沖吸能的能力。根據(jù)能量守恒定理，碰撞過程中總能量保持不變，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，速度變化應(yīng)與模型的動(dòng)能和內(nèi)能變化相對(duì)應(yīng)。所以能量變化是動(dòng)能減少而內(nèi)能增加，沙漏能隨著時(shí)間緩慢增加［5］。圖6為方案2在0.0519 s整車碰撞變形圖與能量圖。整車碰撞總能量守恒，沙漏能占比不超過5%，但0.0519 s 時(shí)整車吸能曲線及整車動(dòng)能曲線出現(xiàn)較大突變。0.0519 s 之前，客車底部前端薄壁梁及薄壁梁底座發(fā)生變形、吸能；0.0519 s 時(shí)客車骨架擋風(fēng)玻璃上方骨架開始接觸剛性墻并參與吸能，導(dǎo)致整車吸能量突然增強(qiáng)，從而出現(xiàn)了吸能曲線及整車動(dòng)能曲線有較大突變的情況。

圖6 方案2整車碰撞能量與變形圖

客車骨架碰撞總吸能如圖7a所示，方案2～3整車吸能相差不大，都比方案1 高出約11.1 kJ，占方案1整車吸能的3.32%。加薄壁梁后整車吸能時(shí)間更長，提高碰撞安全性效果更好。

圖7 整車碰撞性能圖

碰撞加速度是衡量客車結(jié)構(gòu)好壞的重要因素。碰撞加速度大則意味著客車結(jié)構(gòu)剛硬，碰撞過程傳遞的碰撞力較大，不能起到很好的緩沖作用，碰撞性能差，對(duì)乘員生命安全構(gòu)成威脅［6］。由圖7b可知，3種加速度曲線變化情況類似，方案1整車碰撞駕駛員處加速度最大絕對(duì)值達(dá)到137.7 g，方案3整車碰撞駕駛員處加速度最大絕對(duì)值為80.71 g，方案2整車碰撞駕駛員處加速度最大絕對(duì)值最低，為68.76 g?？梢?，2種薄壁梁在總吸能差距不大的情況下，X型六邊形薄壁梁在整車上能更好地降低駕駛員處碰撞加速度，提高碰撞安全性。

4 結(jié)論

文中對(duì)比6 種不同截面薄壁梁，發(fā)現(xiàn)XO 型與X 型內(nèi)支撐搭配六邊形外框時(shí)碰撞加速度相對(duì)最低、總吸能最多。將XO型、X型六邊形薄壁梁裝到整車上進(jìn)行碰撞驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)，整車吸能變化不大，X型內(nèi)支撐薄壁梁安裝后駕駛員處加速度較XO型內(nèi)支撐薄壁梁安裝后更低，為68.76 g，由此可見，X型六邊形薄壁梁更有助于提高整車碰撞安全性。