仿生車(chē)門(mén)梁的有限元模擬與分析

左向前，李浩銘，海文博，馬凱銳，孫紅鈺，杜 偉，楊 洋

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450002）

近年來(lái)，隨著我國(guó)汽車(chē)行業(yè)的飛速發(fā)展，汽車(chē)漸漸成為人們?nèi)粘Ｉ钪须x不開(kāi)的交通工具，汽車(chē)擁有量的逐年遞增雖然使人們享受到了便利的交通，但交通事故、空氣污染等各種問(wèn)題也隨之增加[1]。因汽車(chē)碰撞而引發(fā)的事故屬于交通事故的主要類(lèi)別之一，碰撞形式多樣，如側(cè)碰、追尾、刮碰等，一般來(lái)說(shuō)，不同碰撞形式的比例和傷亡率不同，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，28%的碰撞事故屬于側(cè)面碰撞事故，但死亡比例較高，約占碰撞事故死亡總數(shù)的34%[2]。

車(chē)門(mén)梁是汽車(chē)側(cè)面框架的重要部件，對(duì)提高汽車(chē)側(cè)面耐撞性能起著重要作用。在汽車(chē)碰撞安全性能方面，研究人員對(duì)車(chē)門(mén)梁的優(yōu)化進(jìn)行了研究并取得了重要成果。LEE等人采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和響應(yīng)面法，對(duì)橢圓形截面車(chē)門(mén)防撞梁的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[3]，研究顯示其參數(shù)改變后，車(chē)門(mén)梁的抗撞擊能力得到改善。MORE等設(shè)計(jì)了三種不同截面形狀的車(chē)門(mén)防撞梁，以抗彎和吸能作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行三點(diǎn)彎曲的靜力學(xué)仿真分析，確定了優(yōu)化參數(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證防撞梁在優(yōu)化后吸能性能和剛度得到明顯提升，將防撞梁裝進(jìn)車(chē)門(mén)進(jìn)行碰撞仿真，結(jié)果表明車(chē)門(mén)抗彎力增加了 40%，侵入量明顯減少[4]。孫曉嶼等對(duì)四種車(chē)門(mén)梁有限元模型進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，得出結(jié)論：W 型車(chē)門(mén)梁與管狀車(chē)門(mén)梁相比較，抗彎性能更優(yōu)越[5]。印明勛等在某種類(lèi)型汽車(chē)的前門(mén)使用管狀和帽狀防撞梁兩種結(jié)構(gòu)，利用仿真軟件進(jìn)行靜力學(xué)分析，得出管狀防撞梁更能增強(qiáng)車(chē)門(mén)耐撞性能[6]。

YANG研發(fā)出一種纖維增強(qiáng)材料車(chē)門(mén)梁，即在方形截面玻璃鋼薄壁管中埋入圓形截面碳纖維短管，并對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，研究表明這種新型結(jié)構(gòu)的防撞梁相對(duì)于傳統(tǒng)的復(fù)合材料車(chē)門(mén)防撞梁具有更高的強(qiáng)度、防撞性能以及優(yōu)良的吸能效果[7]。李傲以車(chē)門(mén)總成中重要防護(hù)件車(chē)門(mén)梁為研究對(duì)象，以一種新穎的聚合物泡沫填充夾芯管結(jié)構(gòu)改進(jìn)車(chē)門(mén)防撞梁設(shè)計(jì)，并用系統(tǒng)方法優(yōu)化夾芯管車(chē)門(mén)防撞梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)[8]。杜保華等建立了汽車(chē)側(cè)門(mén)把手及側(cè)門(mén)鎖系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，通過(guò)計(jì)算模塊可以快速準(zhǔn)確地找到耐側(cè)碰分析的最優(yōu)設(shè)計(jì)[9]。

對(duì)車(chē)門(mén)梁采用合適的截面結(jié)構(gòu)和材料，不僅能有效改善車(chē)身耐撞性能，還能起到一定的節(jié)能減排的作用。結(jié)構(gòu)仿生學(xué)給我們的發(fā)明創(chuàng)造提供了許多思路。那些經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期優(yōu)勝劣汰幸存下來(lái)的植物，看似簡(jiǎn)單的莖稈結(jié)構(gòu)，卻具有極大的強(qiáng)度。本文根據(jù)小麥莖稈結(jié)構(gòu)特性為仿生設(shè)計(jì)原型，提出一種新型材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效提高車(chē)身強(qiáng)度，解決傳統(tǒng)存在的問(wèn)題。

1 小麥莖稈橫截面微觀結(jié)構(gòu)

小麥莖稈雖然細(xì)而中空，但卻具有驚人的力學(xué)性能，它能夠承受起自身直徑200～300倍的長(zhǎng)度，并能支撐起相較于自身而言沉重的麥穗的壓力。小麥莖稈具備優(yōu)異的力學(xué)特性的根本原因在于其微觀結(jié)構(gòu)，首先，它的最外面一層是致密且硬度較高的外皮，實(shí)質(zhì)為一種厚壁組織。內(nèi)層是薄壁組織，稀疏且硬度較低，一圈的維管束貫穿其中，維管束堅(jiān)硬有彈性，可支撐起植物的莖稈，類(lèi)似于高樓大廈墻體中的鋼筋，該結(jié)構(gòu)正是本文要仿生小麥莖稈的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。上述三部分構(gòu)成了小麥莖稈，其橫切面微觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過(guò)對(duì)小麥莖稈切片微觀組織的觀察，可以觀察到穿插在其中的維管束形狀各式各樣，根據(jù)維管束橫截面不同的形狀，可以近似地將維管束橫截面劃分成幾個(gè)形狀類(lèi)別，在這里劃分為圓形和正四邊形，分別如圖1中右側(cè)維管束和左側(cè)維管束。

圖1 小麥莖稈橫截面微觀圖

2 車(chē)門(mén)梁仿生設(shè)計(jì)

以維管束形狀為正四邊形時(shí)的小麥莖稈模型為例，進(jìn)行接下來(lái)的設(shè)計(jì)及分析研究。

2.1 車(chē)門(mén)梁原型

車(chē)門(mén)梁原型取的是某品牌的車(chē)門(mén)防撞梁，使用的材料為優(yōu)質(zhì)低碳鋼材料，擁有優(yōu)良的彎曲及吸能特性。飾板拆除后，車(chē)門(mén)的內(nèi)部構(gòu)造就呈現(xiàn)在我們面前，如圖2所示，車(chē)門(mén)上部裝有板狀加強(qiáng)筋，下部設(shè)置有防撞梁。

圖2 車(chē)門(mén)內(nèi)部構(gòu)造圖

該車(chē)門(mén)梁的橫截面為一個(gè)圓環(huán)，經(jīng)測(cè)量，外圓直徑為31.86 mm，取整為32 mm。內(nèi)圓直徑無(wú)法測(cè)量，但圓管狀車(chē)門(mén)梁一般厚度為2.5 mm，因此取內(nèi)圓直徑為 27 mm。長(zhǎng)度也無(wú)法測(cè)量，暫定為600 mm。

2.2 車(chē)門(mén)梁仿生模型

車(chē)門(mén)梁仿生模型中類(lèi)似莖稈外皮和維管束的結(jié)構(gòu)均取原型的材料，即低碳鋼材料，類(lèi)似內(nèi)層薄壁組織的結(jié)構(gòu)使用泡沫鋁材料。首先，它的密度小，約是鋁密度的 1/10，可以大幅度減小汽車(chē)質(zhì)量，并且不會(huì)影響汽車(chē)剛度要求；其次，它具有良好的吸能特性，使車(chē)內(nèi)人員面對(duì)事故時(shí)的安全性得到提高；另外，泡沫鋁的彈性模量遠(yuǎn)小于鋼材料，符合小麥莖稈中，薄壁組織的彈性模量遠(yuǎn)小于外皮和維管束。兩種材料的參數(shù)如表1所示。

表1 仿生車(chē)門(mén)梁模型的材料參數(shù)

原型為普通的空心圓管車(chē)門(mén)梁，在此基礎(chǔ)上，本文共建立了 4種不同的仿生模型。原型的結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)單的空心圓管，而四種仿生模型改進(jìn)為類(lèi)似于莖稈維管束、薄壁組織和外皮的結(jié)構(gòu)，但外徑與原型都是一樣的。仿生模型中類(lèi)似于外皮和維管束的結(jié)構(gòu)為低碳鋼材料，與原型材料一樣，而類(lèi)似于薄壁組織的結(jié)構(gòu)是泡沫鋁材料。建立的原型與 4種仿生模型的有限元模型橫截面圖片如圖3—圖7所示。

圖3 原型截面圖

圖4 模型一截面圖

圖5 模型二截面圖

圖6 模型三截面圖

圖7 模型四截面圖

四種仿生模型的具體特點(diǎn)如下：仿生模型一：與原型等橫截面積，即外徑、內(nèi)徑與原型相同。外皮厚度、薄壁組織厚度與維管束尺寸的比例是實(shí)際小麥莖稈相關(guān)結(jié)構(gòu)的尺寸比例；仿生模型二：與原型等質(zhì)量，外徑與原型相同，維管束尺寸與薄壁組織厚度按照仿生模型一尺寸，調(diào)整外皮厚度以達(dá)到與原型等質(zhì)量的目的；仿生模型三：把原型當(dāng)作類(lèi)似莖稈外皮的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部建立類(lèi)似薄壁組織與維管束結(jié)構(gòu)，維管束尺寸與薄壁組織厚度按照仿生模型一尺寸；仿生模型四：在仿生模型三基礎(chǔ)上，中間空心部分完全填充薄壁組織結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)材料，即密度較小的泡沫鋁。幾何參數(shù)如表2所示，單位為mm。

表2 仿生車(chē)門(mén)梁模型的尺寸參數(shù)

3 車(chē)門(mén)梁有限元模擬

3.1 彎曲模擬

進(jìn)行彎曲模擬時(shí)，將車(chē)門(mén)梁模型當(dāng)作簡(jiǎn)支梁，對(duì)其兩端進(jìn)行約束，荷載施加的位置為模型的正中間，大小為100 N，實(shí)現(xiàn)三點(diǎn)彎曲的模擬分析。圖8是仿生模型四的 Von Mises Stress應(yīng)力分布圖，原型及另外 3種仿生模型應(yīng)力分布圖與之類(lèi)似。

圖8 模型四彎曲應(yīng)力分布圖

3.2 扭轉(zhuǎn)模擬

進(jìn)行扭轉(zhuǎn)的模擬分析時(shí)，將車(chē)門(mén)梁模型的一端進(jìn)行全約束，另一個(gè)端面的外圈施加切向荷載以實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)的效果，扭矩大小為15 N·m。圖9是仿生模型四的應(yīng)力分布圖，為使扭轉(zhuǎn)的效果更加明顯，只選取模型的一個(gè)橫截面的結(jié)果，原型及另外3種仿生模型應(yīng)力分布圖與之類(lèi)似。

圖9 模型四扭轉(zhuǎn)應(yīng)力分布圖

3.3 彎扭組合模擬

彎扭組合分析是在車(chē)門(mén)梁扭轉(zhuǎn)分析的基礎(chǔ)上，在施加切向扭矩的一端選中一定范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，施加方向?yàn)閅軸負(fù)方向的力，從而使車(chē)門(mén)梁受扭轉(zhuǎn)的同時(shí)，又受彎矩的作用。圖10是仿生模型四的Von Mises Stress應(yīng)力分布圖，原型及另外3種仿生模型應(yīng)力分布圖與之類(lèi)似。

圖10 模型四彎扭組合應(yīng)力分布圖

4 結(jié)果分析

車(chē)門(mén)梁原型及其 4種仿生模型的各類(lèi)分析結(jié)果如表3—表5所示。其中仿生模型一的分析結(jié)果明顯偏大，可以得出與車(chē)門(mén)梁原型等橫截面積條件下的仿生模型不具備良好的力學(xué)性能。除此之外，另外三種仿生模型的分析結(jié)果都要比原型好。

表3 彎曲模擬分析結(jié)果

表4 扭轉(zhuǎn)模擬分析結(jié)果

表5 彎扭組合模擬分析結(jié)果

由表中數(shù)據(jù)的對(duì)比分析得知：車(chē)門(mén)梁原型及其仿生模型彎曲、扭轉(zhuǎn)與彎扭組合模擬的結(jié)果相同，仿生模型四的各類(lèi)分析數(shù)據(jù)均為最小值，顯 示出其抗彎、抗扭效果最好。

5 結(jié)論

本文將小麥莖稈特征應(yīng)用于新型車(chē)門(mén)梁開(kāi)發(fā)研究中，并利用ANSYS仿真軟件進(jìn)行模擬分析，并獲得其在彎曲、扭轉(zhuǎn)與彎扭組合三種荷載作用下的應(yīng)力分布圖。通過(guò)對(duì)其仿真得出的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行比較分析，得出車(chē)門(mén)梁原型及其 4種仿生模型在三種情況下的效果，其中模型四效果最為明顯，性能最好。