對汽車吸能盒的設(shè)計與研究

任夢，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

隨著人們生活質(zhì)量的不斷提高，汽車的使用量以及擁有量在不斷增加，安全、節(jié)能和環(huán)保是汽車發(fā)展的三大主題，而安全顯得尤為重要[1]。為了提高汽車的安全性能，研究者們通過多種努力來提高汽車的耐撞性，從而減小對人體的傷害。在國外許多學(xué)者很早就對金屬材料部件等進(jìn)行研究，從而來提高汽車部件碰撞性能[2-4]。良好的耐撞性需要具有足夠小的質(zhì)量、較低的碰撞峰值力以及能夠吸收大部分的能量[5]，所以對薄壁管的研究就極具價值。Minoru[6]等研究發(fā)現(xiàn)，截面邊數(shù)不同，吸能性能便存在一定的差距。邊數(shù)增加，吸能提升。但是，邊界值為6 和11，當(dāng)大于11 時，會有很大的初始峰值，小于6 時，結(jié)構(gòu)的失效模式就會變得更難控[7]；譚麗輝[8]對不同截面的結(jié)構(gòu)進(jìn)行沖擊模擬仿真，結(jié)論相似，發(fā)現(xiàn)相對而言六邊形具有較好的性能。在此基礎(chǔ)上，有不少研究者對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)引進(jìn)不同的折紙圖案進(jìn)行壓潰研究。隨著汽車輕量化的研究，近年來用碳纖維復(fù)合材料（CFRP）代替金屬材料以及CFRP 與金屬混合結(jié)構(gòu)的研究也越來越多，且輕量化效果顯著[9]。但是對于引入折紙圖案的吸能盒，大多都是針對金屬材料的研究，很少有人對復(fù)合材料下的該結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

本文對引入折紙圖案的六邊形折紙結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬，分析不同因素對吸能盒碰撞性能的影響，從而得到具有優(yōu)異性能的吸能盒，為汽車被動安全研究提供參考。

1 幾何結(jié)構(gòu)

本文中對六邊形薄壁結(jié)構(gòu)以及引進(jìn)折紙圖案的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，折紙圖案是全鉆石圖案[10]，如圖1 所示。圖1（a）是一個基本單元展開后的具體形狀。在上下2 條平行線之間由三角形和菱形構(gòu)成，虛線部分表示谷底的折痕，實(shí)線部分代表山脈折痕。對平板結(jié)構(gòu)折疊便可得到一個基本單元，如圖1（b）所示。

圖1 中：h——基本單元的高度；l——一個基本單元展開后的高度；b——2 個相鄰頂點(diǎn)之間的距離；θ——二面角。當(dāng)b，h 為確定值時，θ也是固定不變的，并可以得到該數(shù)值與其他參數(shù)之間的關(guān)系為：

對于總高度一定的吸能盒，不同邊長、不同數(shù)量基本單元、不同單元高度h 都會對應(yīng)不同的θ值，這些變量可能會對性能有不同程度的影響。根據(jù)吸能盒在實(shí)際生活中的應(yīng)用，總長L 取值120 mm，b取值為25 mm。為方便后期的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用厚度為0.6 mm 的六邊形折紙結(jié)構(gòu)。選用折紙結(jié)構(gòu)的本單元數(shù)量為4 進(jìn)行研究，用h-40 表示該結(jié)構(gòu)，其中h 代表每個基本單元的高度，h-40 表示為每個基本單元的高度為40 mm，具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

2 有限元模擬設(shè)置

運(yùn)用SolidWorks 進(jìn)行吸能盒折紙結(jié)構(gòu)建模。將SolidWorks 中的模型文件以IGS 文件格式導(dǎo)入ABAQUS 軟件中，并用ABAQUS 建立2 塊剛性板模型，一塊作為底部支撐板，一塊作為沖擊板對吸能盒進(jìn)行壓潰，并對模型進(jìn)行材料屬性設(shè)置。金屬基體采用鋁合金7075，具體參數(shù)如表1 所示，碳纖維復(fù)合材料（CFRP）的材料參數(shù)如表2 所示。CFRP 結(jié)構(gòu)采用的是多層殼建模，每層殼代表真實(shí)的一層纖維層，每層纖維厚度為0.1 mm，且每層纖維之間通過厚度為0.01 mm 的粘接域單元進(jìn)行連接，并通過粘結(jié)層將金屬基體與CFRP 結(jié)構(gòu)連接在一起。金屬基體與CFRP 結(jié)構(gòu)網(wǎng)格大小均為2 mm×2 mm，上下板的網(wǎng)格大小為5 mm×5 mm，均為六面體單元網(wǎng)格劃分。

表1 7075 鋁合金材料參數(shù)[11]Tab.1 Material parameters of 7075 aluminum alloy[11]

表2 碳纖維復(fù)合材料（CFRP）的材料參數(shù)Tab.2 Material parameters of carbon fiber composites (CFRP)

模擬主要通過控制壓縮位移和時間步長來實(shí)現(xiàn)，壓縮位移取值為60 mm，時間步長設(shè)置為0.02 s。將吸能盒置于上下兩塊板之間，對底部支撐板進(jìn)行完全約束設(shè)置，保證固定不變，對沖壓板進(jìn)行位移約束，除z 軸方向外都進(jìn)行自由度的約束。對于接觸采用通用約束，不同材料之間的摩擦系數(shù)設(shè)置為0.15，法向設(shè)置為硬接觸。

3 復(fù)合材料吸能盒的仿真分析

對結(jié)構(gòu)h-40 引入碳纖維復(fù)合材料（CFRP）材料進(jìn)行模擬分析，對比研究鋁制結(jié)構(gòu)、CFRP 結(jié)構(gòu)以及 CFRP/AL 混合結(jié)構(gòu)的耐撞性，并對CFRP/AL混合結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同的鋪層角度設(shè)計，研究不同鋪層角度對結(jié)構(gòu)耐撞性的影響，從而尋求最佳的鋪層角度設(shè)計。

3.1 不同成分組合下的吸能盒的仿真分析

分別對鋁制結(jié)構(gòu)、CFRP 結(jié)構(gòu)、CFRP/AL 混合結(jié)構(gòu)的3 種結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)軸壓模擬，具體纖維鋪層角度以及結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3 所示。

表3 不同組成成分吸能盒的具體參數(shù)Tab.3 Specific parameters of energy absorption boxes with different components

3 種結(jié)構(gòu)的壓縮過程分別如圖3、圖4、圖5所示。在準(zhǔn)靜態(tài)的加載下，3 種結(jié)構(gòu)的壓潰模式并不相同。鋁制結(jié)構(gòu)會觸發(fā)折紙結(jié)構(gòu)中的折痕模式，沿著折痕引導(dǎo)的方向進(jìn)行折疊，會在頂端發(fā)生規(guī)則的 “手風(fēng)琴”模式，進(jìn)行逐級壓潰，在中間部位有形成 “金剛石”模式的趨勢；CFRP/AL 混合結(jié)構(gòu)由于受外部纖維結(jié)構(gòu)的影響，首先在每個基本單元中部會出現(xiàn)纖維的破裂，但并未掉落，隨著距離的增加，纖維發(fā)生斷裂、脫層。同時，內(nèi)部金屬基體的變形在外部纖維的影響下，會從底部進(jìn)行不規(guī)則的變形，導(dǎo)致外部一側(cè)形成成片的斷裂層脫離金屬基體形成開裂，其余部分的纖維仍附著在金屬基體上；CFRP 結(jié)構(gòu)與CFRP/AL 混合結(jié)構(gòu)的壓潰狀態(tài)，在壓縮距離為15 mm 時有些相似，都會在底部出現(xiàn)纖維斷裂，隨著距離的增加，從底部開始進(jìn)行逐層壓潰，過程中會有花瓣大小的纖維斷裂并脫落，而且由于內(nèi)部沒有金屬基體的支撐，在后期會發(fā)生輕微的偏塌。

根據(jù)模擬得到的位移-力曲線（圖6）可知，在初始階段，3 種結(jié)構(gòu)都會在很短的時間達(dá)到最大峰值，隨后鋁制結(jié)構(gòu)、CFRP 結(jié)構(gòu)會迅速降低，鋁制結(jié)構(gòu)會在后面產(chǎn)生較大的起伏，不利于能量的吸收，而CFRP 結(jié)構(gòu)在初始峰值迅速降低后便保持較低的數(shù)值。相對的，CFRP/AL 混合結(jié)構(gòu)會比較緩慢地降低，并在后期不會出現(xiàn)過大的起伏，有利于能量的吸收。

根據(jù)位移-能量曲線（圖7）也可以看出，CFRP 結(jié)構(gòu)的吸能量最低，幾乎起不到保護(hù)作用，而CFRP/AL 混合結(jié)構(gòu)的吸能量最大，甚至遠(yuǎn)大于鋁制結(jié)構(gòu)、CFRP 結(jié)構(gòu)兩者吸收能量之和。尤其是在壓縮位移為30 mm 時，CFRP/AL 混合結(jié)構(gòu)與鋁制結(jié)構(gòu)相比，總吸收量提高了98.4%，可以很明顯地看出吸能量的增加。根據(jù)表3 中的評價參數(shù)可知，CFRP/AL 混合結(jié)構(gòu)的總吸收能、比吸能、平均峰值、壓縮效率都是最大值，與其它兩種情況相比都得到了提升，因此，在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下，3 種結(jié)構(gòu)的吸能性能最佳的是CFRP/AL 混合結(jié)構(gòu)，其次是鋁制結(jié)構(gòu)，最差的是CFRP 結(jié)構(gòu)。

3.2 不同鋪層角度下吸能盒的仿真分析

根據(jù)Feraboli[12]等人的研究結(jié)果可知，對于復(fù)合材料薄壁管，在準(zhǔn)靜態(tài)的軸向壓縮下，鋪層角度對其吸能性能有一定程度的影響，所以這里以15°為間隔值進(jìn)行的鋪層角度的設(shè)計。具體鋪層方案如表4 所示，研究不同鋪層角度對CFRP/AL 混合結(jié)構(gòu)耐撞性能的影響。

表4 不同鋪層角度下吸能盒結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)Tab.4 Specific parameters of energy absorption box structure at different layering angles

在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下，鋪層角度為0°以及15°的結(jié)構(gòu)，壓縮過程基本相同，如圖5 所示，隨著位移的增加從下端開始發(fā)生纖維斷裂，堆積在下方。由于受外部纖維影響金屬基體會發(fā)生不規(guī)則的壓潰，甚至纖維一側(cè)發(fā)生開裂，完全暴露出金屬基體。角度為30°的結(jié)構(gòu)壓縮過程如圖8 所示。首先在底部進(jìn)行纖維的斷裂，隨著距離的增加從底部進(jìn)行逐級壓潰，且不會有纖維的脫落，在壓縮至60 mm時頂部出現(xiàn)了小部分的開裂，但是面積不大，不太明顯。角度為45°，60°，75°，90°的結(jié)構(gòu)壓縮模式基本相同，這里以75°的壓縮為例。如圖9所示，先在接觸端進(jìn)行壓潰，隨著距離的增加，內(nèi)部的金屬向內(nèi)折疊，外部的纖維發(fā)生花瓣式的脫落，在45 mm 后會對下端結(jié)構(gòu)造成傷害，底端部分開始發(fā)生不規(guī)則的變形。

在軸向的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下，不同鋪層角度下的混合材料吸能盒的位移-力曲線有所不同。如圖10 所示，角度為0°，15°2 種情況下的吸能盒的位移-力曲線較為相似，都是會在出現(xiàn)初始峰值后迅速降低，但之后有一段時間角度為0°，15°的結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定在一定數(shù)值，不會有明顯起伏。對于角度為 30°的結(jié)構(gòu)，曲線在初始峰值降低后會有比較均勻且穩(wěn)定的起伏，其承載力比較大。對于角度為45°，60°，75°，90°下，吸能盒的位移-力曲線較為相似，都有比較大的起伏，且初始峰值都有大幅度增加，不利于結(jié)構(gòu)的吸能。并且，根據(jù)位移-吸能曲線可以看出，不管鋪層角度為何值，混合結(jié)構(gòu)的吸能量相比鋁制吸能盒都得到了提升。如圖11 所示，不同角度下的吸能量不同，其中最終吸能量達(dá)到最大的是鋪層設(shè)計為30°時的混合結(jié)構(gòu)。

由表4 的評價參數(shù)可知，隨著角度的增加，初始峰值在不斷增加，壓縮效率先增加；當(dāng)角度增加大于30°之后，隨著角度的增加壓縮效率在不斷減小，并且混合結(jié)構(gòu)與鋁制結(jié)構(gòu)相比，總吸能量、比吸能、平均峰值都有所提升，其中AL-1-COM-30 吸能量提升91.48%，比吸能提升24.03%，壓縮效率提升43.41%。綜合來看是性能最優(yōu)異的鋪層設(shè)計。

4 結(jié)論

在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下，鋁制結(jié)構(gòu)、CFRP 結(jié)構(gòu)以及CFRP/AL 混合結(jié)構(gòu)中耐撞性能最佳的是CFRP/AL混合結(jié)構(gòu)，其次是鋁制結(jié)構(gòu)，最差的是CFRP 結(jié)構(gòu)。

在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下，不同鋪層角度下的吸能盒的耐撞性能各有差異，其中性能最為優(yōu)異的結(jié)構(gòu)AL-1-COM-30，其與鋁制吸能盒相比吸能量提升91.48%，比吸能提升24.03%，壓縮效率提升43.41%。