基于ABAQUS 對(duì)汽車低速吸能盒的研究

任夢(mèng)，董萬鵬，李佳意，張吉超

（201620 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué) 材料工程學(xué)院）

0 引言

汽車已經(jīng)普遍進(jìn)入了我國百姓家中，成為人們?nèi)粘９ぷ魃钪斜夭豢缮俚闹匾焦ぞ遊1]。汽車使用量的不斷增加，駕駛員數(shù)量也在不斷增加，汽車碰撞事件也在隨之增加。汽車碰撞類型一般包括正面碰撞、側(cè)面碰撞、追尾碰撞以及翻滾[2]。在汽車發(fā)生碰撞時(shí)，吸能盒是確保汽車安全的不可或缺的組成部分，它與前保險(xiǎn)杠一起用作能量吸收部件[3]，所以一個(gè)合理且高性能的吸能盒的設(shè)計(jì)就會(huì)顯得比較重要。這里通過ABAQUS 軟件對(duì)兩種不同截面的吸能盒進(jìn)行模擬分析，并在此基礎(chǔ)上研究厚度梯度對(duì)吸能盒性能的影響。

1 吸能盒設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)指標(biāo)

吸能盒的設(shè)計(jì)需要驗(yàn)證在低速碰撞下的最大碰撞力滿足要求，過大的碰撞力會(huì)使車架等重要零件受到損傷[4]。另外，吸能盒一旦發(fā)生變形后就需要對(duì)其進(jìn)行更換，所以在對(duì)吸能盒設(shè)計(jì)時(shí)要考慮其材料成本以及成型工藝，盡量做到低成本、高效能。要想做到高效能，就必須盡可能滿足吸能盒的吸能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，吸能盒的吸能標(biāo)準(zhǔn)主要包括以下幾方面：

（1）碰撞力峰值。吸能盒在碰撞過程中受到的碰撞力峰值對(duì)其壓縮變形以及吸能性能有著比較重要的作用，而且撞擊力的減小對(duì)于乘車人員的保護(hù)十分重要[5]，碰撞力峰值越低越好。

（2）碰撞最大位移。對(duì)于吸能盒通過結(jié)構(gòu)被壓縮使沖擊力得到緩沖，一個(gè)優(yōu)異性能的吸能盒在低速碰撞時(shí)壓縮量越少，在高速碰撞時(shí)就能發(fā)揮更大的作用，因此對(duì)于低速碰撞，碰撞最大位移值越小越好。

（3）塌陷模式。對(duì)于塌陷模式而言，當(dāng)發(fā)生碰撞后吸能盒能夠從接觸端開始沿軸向進(jìn)行折疊且折疊比較緊湊，那么該吸能盒的性能便比較優(yōu)異。

（4）總的吸能量?？偽芰考礊檎麄€(gè)碰撞過程中結(jié)構(gòu)件以變形的方式所吸收的碰撞能量[6]。吸能盒在發(fā)生碰撞后會(huì)通過自身結(jié)構(gòu)的潰縮來實(shí)現(xiàn)能量的吸收，吸收的總能量越大，吸能越好。

2 不同截面吸能盒

2.1 不同截面吸能盒的模型建立

運(yùn)用建模軟件建立直徑為60 mm 的圓形截面吸能盒以及邊長為60 mm 的正方形截面吸能盒，其薄壁厚度均為3 mm，長度均為120 mm，剛性板邊長為120 mm。吸能盒與剛性墻的碰撞模型如圖1 所示。在對(duì)該模型進(jìn)行碰撞模擬分析時(shí)運(yùn)用的是ABAQUS 軟件進(jìn)行顯式動(dòng)力模擬分析。對(duì)于網(wǎng)格大小而言，若是網(wǎng)格過于大，會(huì)導(dǎo)致精度不夠高甚至可能會(huì)發(fā)生沙漏現(xiàn)象，對(duì)該模型均采用大小為2 mm×2 mm 的四邊形網(wǎng)格組成，采用殼單元網(wǎng)格模型。在仿真分析中，吸能盒和剛性墻之間的接觸采用自動(dòng)的表面對(duì)表面，對(duì)靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)均設(shè)置為0.2，將吸能盒的底端進(jìn)行完全約束。由于吸能盒主要在低速碰撞時(shí)發(fā)揮作用[6]，所以將質(zhì)量為1 000 kg 的剛性板以3 m/s 的速度撞擊吸能盒的另一端，由于碰撞是在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生的，模擬時(shí)碰撞時(shí)間設(shè)置為0.08 s。

圖1 不同截面的吸能盒Fig.1 Energy absorption boxes with different cross sections

2.2 不同截面吸能盒碰撞仿真分析

2.2.1 不同截面吸能盒碰撞云圖分析

由碰撞云圖（如圖2 所示）可以看出，碰撞發(fā)生后這兩種截面結(jié)構(gòu)的吸能盒在低速碰撞后并沒有完全被壓縮，它們的折疊模式類似，都是前端與剛性板接觸的位置先進(jìn)行變形，并且在吸能盒的中部位置中間局部帶逐漸擴(kuò)散，且繼續(xù)向下進(jìn)行折疊壓縮，這種變形方式的變形量最小，穩(wěn)定且能量吸收便于控制[7]。

圖2 不同截面吸能盒的碰撞云圖Fig.2 Collision cloud diagram of energy absorption boxes with different sections

2.2.2 不同截面吸能盒碰撞位移-碰撞力分析

如圖3 所示的碰撞后的位移-碰撞力曲線可以看出，對(duì)于位移量而言，圓形截面以及正方形截面吸能盒的位移量分別是35.83，49.95 mm，位移量越大，代表壓縮量越大，所以就變形量而言，圓形截面吸能盒優(yōu)于正方形吸能盒。但是，在變形過程中，剛開始吸能盒會(huì)發(fā)生彈性變形，碰撞力在不斷增加，并且當(dāng)材料達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)出現(xiàn)了第一個(gè)峰值，之后碰撞力降低，這是由于發(fā)生了塑性屈服。當(dāng)屈服階段結(jié)束后，形成一個(gè)折疊點(diǎn)，并這樣反復(fù)進(jìn)行下去，直至壓縮結(jié)束。在圖中可以看出，圓形截面吸能盒的碰撞力最大峰值大于正方形截面的吸能盒的碰撞力最大峰值，過大的碰撞力容易傳遞到車身其他地方，對(duì)車內(nèi)人員造成傷害，并且會(huì)導(dǎo)致汽車其它的部件發(fā)生損壞[8]，抗沖擊效果比較差，對(duì)車內(nèi)人員不能起到更好的保護(hù)作用。所以正方形截面的吸能盒比圓形截面的吸能盒吸能性能更為優(yōu)異。

圖3 不同截面吸能盒位移-碰撞力曲線Fig.3 Displacement -impact force curves of energy absorption boxes with different sections

3 不同厚度梯度吸能盒

3.1 不同厚度梯度吸能盒的模型建立

通過前面的設(shè)計(jì)以及碰撞分析可知，對(duì)于兩種不同截面的吸能盒，正方形截面的吸能盒在低速碰撞時(shí)的吸能性能更加優(yōu)異，因此以正方形截面的吸能盒為基礎(chǔ)，對(duì)其在厚度上進(jìn)行正、負(fù)梯度設(shè)計(jì)，將吸能盒均勻分為上、中、下三部分，模型如圖4 所示。

圖4 厚度梯度設(shè)計(jì)的吸能盒Fig.4 Energy absorption box designed with thickness gradient

分別對(duì)其賦予薄壁厚度，正梯度時(shí)從上往下厚度的設(shè)置依次是3，4，5 mm，依次增加厚度；負(fù)梯度的設(shè)置于此正好相反，從上到下依次遞減為5，4，3 mm。對(duì)于材料以及剛性板等其他設(shè)置與之前的設(shè)置一樣，不同厚度的薄壁結(jié)構(gòu)采用綁定約束對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，剛性板以3 m/s 的速度進(jìn)行碰撞仿真模擬。

3.2 不同厚度梯度吸能盒碰撞仿真

3.2.1 不同厚度梯度吸能盒碰撞云圖分析

汽車發(fā)生碰撞后，吸能盒會(huì)產(chǎn)生軸向的折疊壓縮，該狀況被認(rèn)為是緩沖吸能效率最高的理想變形模式，該模式下的結(jié)構(gòu)會(huì)首先從受撞擊的一端開始對(duì)稱疊縮，再將這對(duì)稱的疊縮動(dòng)作沿撞擊力的方向推移，這也就意味著碰撞后產(chǎn)生的應(yīng)力波和屈曲都是沿著中心軸線的方向傳播，從而實(shí)現(xiàn)了最大程度的吸能性能[9]。

對(duì)正、負(fù)厚度梯度設(shè)計(jì)的吸能盒進(jìn)行低速碰撞的仿真模擬，得到碰撞云圖以及位移—碰撞力的曲線圖，分別如圖5、圖6 所示。

圖5 不同厚度梯度的吸能盒碰撞云圖Fig.5 Collision cloud map of energy absorption boxes with different thickness gradients

由圖5、圖6 可以看出，在發(fā)生碰撞后，正梯度設(shè)計(jì)的吸能盒前端發(fā)生接觸的部位先開始?jí)嚎s，并趨于沿著軸線方向不斷變化，得到很好的吸能效果；負(fù)梯度設(shè)計(jì)的吸能盒發(fā)生接觸的部位未發(fā)生變形壓縮，而末端的結(jié)構(gòu)卻發(fā)生壓縮，容易將過大的沖擊力傳到車內(nèi)，不能對(duì)乘車人員起到很好的保護(hù)作用。

圖6 正厚度梯度吸能盒位移-碰撞力曲線Fig.6 Displacement -impact force curve of energy absorption box with positive thickness gradient

3.2.2 正厚度梯度吸能盒的位移-碰撞力曲線分析

根據(jù)上述分析可知，正厚度梯度吸能盒性能更好。這里對(duì)正厚度梯度設(shè)計(jì)的吸能盒與沒有進(jìn)行梯度設(shè)計(jì)的進(jìn)行吸能盒進(jìn)行分析比較。根據(jù)圖6 以及圖3（b）可以看出，正梯度設(shè)計(jì)的吸能盒的壓縮量為32.75 mm，小于沒有進(jìn)行梯度設(shè)計(jì)的吸能盒49.95 mm 的壓縮量，而且正梯度設(shè)計(jì)的吸能盒碰撞力的最大峰值比較小，而且該設(shè)計(jì)下的吸能盒峰值前后的曲線比較緩和，這就會(huì)使其具有更好的緩沖作用，圖3（b）中的每個(gè)峰值前后曲線的變化都比較快，則緩沖作用并不是很強(qiáng)。因此綜合來看，正厚度梯度設(shè)計(jì)的吸能盒較未進(jìn)行梯度設(shè)計(jì)吸能盒的性能得以提升。

4 結(jié)論

（1）吸能盒的吸能性能會(huì)受到截面形狀的影響，對(duì)于不同的截面形狀具有不同的吸能效果。在其他條件相同時(shí)，對(duì)于圓形以及正方形截面的吸能盒而言，正方形吸能盒在低速碰撞下吸能性能更加優(yōu)異。

（2）對(duì)于正方形截面的吸能盒薄壁結(jié)構(gòu)采用厚度正梯度以及負(fù)梯度的設(shè)計(jì)，進(jìn)行低速碰撞的仿真模擬，分析可知，對(duì)正梯度的吸能盒吸能性能優(yōu)于負(fù)梯度的吸能盒吸能性能。

（3）對(duì)于進(jìn)行正梯度設(shè)計(jì)正方形截面的吸能盒，與未進(jìn)行梯度設(shè)計(jì)正方形截面的吸能盒比較而言，其緩沖效果更加明顯，吸能性能得到了一定程度的提升，乘車人員得到一定程度的保護(hù)。