蜂窩夾芯薄壁梁碰撞性能仿真

金萬增，陳宗明

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司 汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

薄壁梁壓潰吸能是目前汽車吸能設(shè)計(jì)的主要手段，如何進(jìn)一步提升薄壁梁結(jié)構(gòu)的碰撞性能是碰撞安全領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

夾芯結(jié)構(gòu)作為輕質(zhì)多胞復(fù)合結(jié)構(gòu)，具有較高的壓縮空間、比剛度、比強(qiáng)度，可以有效改善薄壁梁的碰撞性能。ZAREI針對蜂窩夾芯方形薄壁梁面外壓縮工況，研究了比吸能和載荷效率。SAEED開展蜂窩夾芯圓柱薄壁梁軸向壓縮性能多目標(biāo)優(yōu)化和敏感度分析研究。ZAREI發(fā)現(xiàn)蜂窩夾芯圓柱薄壁梁吸能特性優(yōu)于方形薄壁梁。林青霄開展蜂窩夾芯薄壁梁結(jié)構(gòu)耐撞性優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，通過梯度填充方法提升碰撞性能。張勇研究了不同胞元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的蜂窩夾芯薄壁梁的吸能特性，其中交錯(cuò)排布三角形蜂窩夾芯薄壁結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能最優(yōu)。羅昌杰基于TRESCA 屈服準(zhǔn)則建立了蜂窩材料在異面壓縮載荷下的平均壓縮應(yīng)力理論模型。目前，針對蜂窩夾芯薄壁梁碰撞性能的參數(shù)研究較少。

本論文建立了漸進(jìn)損傷模型模擬蜂窩夾芯薄壁梁的碰撞性能?；谠撃Ｐ停芯勘”诹罕诤?、截面寬度、碰撞角度對蜂窩夾芯薄壁梁吸能特性的影響規(guī)律，為蜂窩夾芯薄壁梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供參考。

1 蜂窩夾芯薄壁梁損傷模型

1.1 蜂窩芯材損傷

1.1.1 材料本構(gòu)關(guān)系

蜂窩芯材具有明顯的各向異性特性，其含損傷的本構(gòu)關(guān)系為

式中，σ為正應(yīng)力；σ為剪切應(yīng)力；ε為正應(yīng)變；ε為剪切應(yīng)變；C為剛度系數(shù)，其表達(dá)式為

式中，E為彈性模量；G為剪切模量；v為泊松比；d為剛度退化因子。

1.1.2 損傷起始準(zhǔn)則

采用BESANT準(zhǔn)則作為蜂窩芯材的失效準(zhǔn)則：

式中，為正應(yīng)力；、為剪切應(yīng)力；、分別為蜂窩芯材剪切強(qiáng)度；為蜂窩芯材面外強(qiáng)度。

1.1.3 剛度退化模型

本文采用參考文獻(xiàn)[11]提出的剛度退化模型描述蜂窩芯材損傷后剛度折減規(guī)律，退化因子如表1所示。

表1 蜂窩芯材剛度退化因子

1.2 膠層漸進(jìn)損傷

1.2.1 本構(gòu)關(guān)系

膠層采用ABAQUS基于表面的粘性接觸方法模擬，其本構(gòu)關(guān)系為

式中，σ為正應(yīng)力；σ和σ為剪切應(yīng)力；K為法向黏性剛度；K和K為切向黏性剛度；ε為正應(yīng)變；ε和ε為剪切應(yīng)變。

1.2.2 損傷起始準(zhǔn)則

膠層損傷起始采用二次名義應(yīng)力失效準(zhǔn)則：

1.2.3 損傷演化

采用基于能量的B-K準(zhǔn)則作為膠層損傷演化準(zhǔn)則：

2 有限元模型

2.1 模型描述

如圖 1所示，模型由薄壁梁、固定剛性板、活動(dòng)剛性板組成。薄壁梁一側(cè)與活動(dòng)剛性板固定連接，活動(dòng)剛性板附加460 kg 的質(zhì)量，并以50 km/h的初速度帶動(dòng)薄壁梁撞擊完全固定的固定剛性板?；鶞?zhǔn)薄壁梁截面寬度=80 mm，薄壁梁壁厚=2.5 mm，總長度=240 mm，碰撞角度=0°。

圖1 有限元模型

本文采用ABAQUS/Explicit 求解器求解。固定剛性板與活動(dòng)剛性板采用離散剛體單元 R3D4模擬；蜂窩芯材采用等效方法建模，并采用三維八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元C3D8R模擬；薄壁梁采用三維八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元C3D8R模擬；膠層采用基于表面的粘性接觸方法模擬。膠層失效后，薄壁梁、蜂窩芯材的自接觸以及兩者之間的互相接觸采用通用接觸算法定義。

薄壁梁材料為EN AW-7108 T6鋁合金，力學(xué)性能參數(shù)詳見參考文獻(xiàn)[12]，蜂窩力學(xué)性能參數(shù)與膠層力學(xué)性能參數(shù)詳見參考文獻(xiàn)[13]。

3 碰撞性能參數(shù)

3.1 基準(zhǔn)薄壁梁碰撞性能

無夾芯薄壁梁與蜂窩夾芯薄壁梁的變形模式分別如圖2—圖3所示。由于蜂窩芯材與薄壁梁之間的耦合作用，蜂窩夾芯薄壁梁的折疊數(shù)量增加，變形模式更加穩(wěn)定。

圖2 無夾芯薄壁梁變形模式

圖3 蜂窩夾芯薄壁梁變形模式

圖4對比了蜂窩夾芯薄壁梁與無夾芯薄壁梁的碰撞力-位移響應(yīng)曲線，在經(jīng)歷碰撞力峰值后的平臺(tái)段，由于蜂窩芯材的支撐作用，蜂窩夾芯薄壁梁的碰撞力明顯高于無夾芯薄壁梁，吸能效率更高。

圖4 薄壁梁碰撞力-位移曲線

表2對比了無夾芯薄壁梁與蜂窩夾芯薄壁梁的碰撞力峰值、比吸能。蜂窩夾芯薄壁梁的碰撞力峰值增加9.5%，比吸能增加29.7%。

表2 無夾芯薄壁梁與夾芯薄壁梁碰撞性能

3.2 薄壁梁壁厚的影響

在基準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上，保持其他參數(shù)不變，研究薄壁梁壁厚對碰撞性能的影響。如圖5—圖6所示，蜂窩夾芯薄壁梁的碰撞力峰值、比吸能均高于無夾芯薄壁梁，且隨薄壁梁壁厚增加單調(diào)增加；但蜂窩夾芯薄壁梁相對于無夾芯薄壁梁的碰撞力峰值增幅總體上隨薄壁梁壁厚增加而減小，比吸能增幅隨薄壁梁壁厚增加大幅減小。

圖5 薄壁梁壁厚對碰撞峰值的影響

圖6 薄壁梁壁厚對比吸能的影響

3.3 截面寬度的影響

在基準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上，保持其他參數(shù)不變，研究截面寬度對碰撞性能的影響。如圖 7所示，蜂窩夾芯薄壁梁的碰撞力峰值隨截面寬度增加單調(diào)增加，蜂窩夾芯薄壁梁相對于無夾芯薄壁梁的碰撞力峰值增幅隨截面寬度增加而增加，但變化并不明顯。如圖 8所示，蜂窩夾芯薄壁梁的比吸能均高于無夾芯薄壁梁，且隨截面寬度增加單調(diào)減??；蜂窩夾芯薄壁梁相對于無夾芯薄壁梁的比吸能增幅隨截面寬度增加大幅增加。

圖7 截面寬度對碰撞峰值的影響

圖8 截面寬度對比吸能的影響

3.4 碰撞角度的影響

在基準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上，保持其他參數(shù)不變，研究碰撞角度對碰撞性能的影響。當(dāng)碰撞角度增加時(shí)，薄壁梁的變形會(huì)從潰縮變形向彎曲變形過渡，首次發(fā)生彎曲變形的碰撞角度稱為臨界碰撞角度。蜂窩夾芯薄壁梁的臨界碰撞角度為12°，小于無夾芯薄壁梁的臨界碰撞角度（17°）。如圖9所示，蜂窩夾芯薄壁梁的碰撞力峰值均高于無夾芯薄壁梁，且隨碰撞角度增加單調(diào)減小。如圖10所示，蜂窩夾芯薄壁梁的比吸能隨碰撞角度增加單調(diào)減小；當(dāng)碰撞角度小于臨界碰撞角度時(shí)，蜂窩夾芯薄壁梁比吸能高于無夾芯薄壁梁；當(dāng)碰撞角度大于臨界碰撞角度時(shí)，蜂窩夾芯薄壁梁比吸能與無夾芯薄壁梁相當(dāng)。主要原因是，蜂窩芯材的面外壓縮剛度與面外壓縮強(qiáng)度遠(yuǎn)高于面內(nèi)方向，其吸能特性主要由面外剛度、面外強(qiáng)度決定，當(dāng)碰撞角度大于臨界碰撞角度時(shí)，蜂窩芯材隨薄壁發(fā)生彎曲變形，蜂窩無法通過面內(nèi)壓縮吸能，導(dǎo)致蜂窩夾芯薄壁梁比吸能大幅降低。

圖9 碰撞角度對碰撞峰值的影響

圖10 碰撞角度對比吸能的影響

4 結(jié)論

本文研究了薄壁梁壁厚、截面寬度、碰撞角度對蜂窩夾芯薄壁梁碰撞性能的影響。仿真結(jié)果表明：

（1）蜂窩夾芯可以有效提升薄壁梁的碰撞性能。

（2）隨著薄壁梁壁厚的增加，蜂窩夾芯薄壁梁的碰撞力峰值、比吸能均增加，但蜂窩夾芯薄壁梁相對于無夾芯薄壁梁的碰撞力峰值增幅、比吸能增幅均減小。

（3）隨截面寬度的增加，蜂窩夾芯薄壁梁碰撞力峰值單調(diào)增加，其相對于無夾芯薄壁梁碰撞力峰值的增幅也單調(diào)增加，但變化并不明顯；蜂窩夾芯薄壁梁比吸能單調(diào)減小，但其相對于無夾芯薄壁梁比吸能的增幅大幅增加。

（4）蜂窩夾芯薄壁梁彎折臨界角小于無夾芯薄壁梁；當(dāng)碰撞角度小于臨界碰撞角度時(shí)，蜂窩夾芯薄壁梁比吸能高于無夾芯薄壁梁；當(dāng)碰撞角度大于臨界碰撞角度時(shí)，蜂窩夾芯薄壁梁比吸能與無夾芯薄壁梁相當(dāng)。