薄壁結(jié)構(gòu)在汽車(chē)吸能盒中的應(yīng)用與展望

李世岳 胡洪林 陳哲倫

（重慶交通大學(xué)機(jī)電與車(chē)輛工程學(xué)院，重慶 400074）

縮略語(yǔ)

NHTSA National Highway Traffic Safety Administration EAEnergy Absorption PCFPeak Collision Force SEASpecific Energy Absorption ACFAverage Crush Force CFECrush Force Efficiency

0 引言

汽車(chē)薄壁吸能盒本身質(zhì)量小，軸向強(qiáng)度相對(duì)較高，能夠穩(wěn)定地提供軸向壓縮力以抵消沖擊的影響，具有良好的吸能特性[1]。作為汽車(chē)碰撞過(guò)程中的關(guān)鍵吸能部件，在遭受軸向沖擊載荷時(shí)，前縱梁和薄壁結(jié)構(gòu)吸能盒能夠抵消掉大約一半的沖擊動(dòng)能，有效地達(dá)到保護(hù)乘車(chē)人安全的目的[2-3]。

本文基于上述內(nèi)容，對(duì)汽車(chē)薄壁結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)指標(biāo)、結(jié)構(gòu)類(lèi)型進(jìn)行全面歸納，對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)吸能特性研究現(xiàn)狀進(jìn)行闡述，最后對(duì)汽車(chē)薄壁結(jié)構(gòu)未來(lái)研究方向做出了展望。

1 薄壁結(jié)構(gòu)耐撞性評(píng)價(jià)指標(biāo)

薄壁結(jié)構(gòu)在受到?jīng)_擊碰撞時(shí)，主要通過(guò)自身結(jié)構(gòu)發(fā)生的壓潰破壞變形耗散沖擊負(fù)載。這個(gè)過(guò)程變化極為復(fù)雜，合理精準(zhǔn)地評(píng)判薄壁結(jié)構(gòu)的耐撞性極為重要。為了準(zhǔn)確表征在相互作用過(guò)程中薄壁結(jié)構(gòu)自身塑性對(duì)碰撞力和動(dòng)能吸收能力的影響，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家定義了以下主流評(píng)價(jià)指標(biāo)：總吸能（Energy Absorption，EA）、最大峰值碰撞力(Peak Collision Force，PCF)、平均壓潰力(Average Crush Force，ACF)、比吸能（Specific Energy Absorption，SEA）、壓潰力效率（Crush Force Efficiency，CFE）[4]。

1.1 EA

薄壁結(jié)構(gòu)是汽車(chē)主要吸能元件，其設(shè)計(jì)宗旨是在撞擊過(guò)程中將沖擊動(dòng)能高效地轉(zhuǎn)化為變形能，達(dá)到能量吸收的目的。EA是指在整個(gè)碰撞破壞變形當(dāng)中薄壁結(jié)構(gòu)耗散的所有能量，其表達(dá)式為：

式中，EA為吸能元件的EA；F為碰撞力；l為壓潰位移；lmax為最大壓潰位移。

1.2 PCF

在薄壁結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域，PCF 通常在2 個(gè)關(guān)鍵階段出現(xiàn)：一是薄壁結(jié)構(gòu)在彈性極限內(nèi)發(fā)生彎曲的瞬間；二是薄壁結(jié)構(gòu)在碰撞過(guò)程中整體被壓縮的時(shí)刻。盡管初次碰撞峰值吸能貢獻(xiàn)較小，但其對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)整體失效具有顯著影響，因此在研究碰撞問(wèn)題時(shí)應(yīng)將此作為研究重點(diǎn)。為了保證乘員安全，應(yīng)盡可能減小PCF初始值，從而有效地減小碰撞加速度。

1.3 ACF

ACF 是指薄壁結(jié)構(gòu)受沖擊壓縮過(guò)程中單位壓縮位移吸收的能量，其表達(dá)式為：

式中，F(xiàn)ACF為吸能元件的ACF；Ea為吸能元件的總吸能。

結(jié)合式（1）與式（2）可以看出，若lmax保持不變，EA與ACF的評(píng)價(jià)指標(biāo)相同。

1.4 SEA

在碰撞過(guò)程中，SEA是指衡量材料能量吸收能力的指標(biāo)，即單位質(zhì)量薄壁結(jié)構(gòu)所吸收的能量，其表達(dá)式為：

式中，SEA為吸能元件的SEA；M為薄壁結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量。比吸能越大說(shuō)明單位質(zhì)量薄壁結(jié)構(gòu)吸收能量越多，更加符合輕量化設(shè)計(jì)以及耐撞性要求。

1.5 CFE

CFE為ACF與PCF之比的百分?jǐn)?shù)形式，其表達(dá)式為：

式中，ηCFE為吸能元件的CFE；FACF為吸能元件的ACF；FPCF為吸能元件的PCF。

綜上所述，薄壁結(jié)構(gòu)常用的耐撞性能評(píng)估指標(biāo)主要有：EA、PCF、ACF、SEA、CFE。減小PCF 有助于減小沖擊加速度，提高乘員安全性。薄壁構(gòu)件在沖擊過(guò)程中吸收的能量越多，對(duì)乘員的保護(hù)效果越好。CFE綜合考慮了EA 和PCF 對(duì)薄壁構(gòu)件吸能特性的影響，其值越接近“1”說(shuō)明薄壁結(jié)構(gòu)件在碰撞吸能中變形越穩(wěn)定，更加有利于乘員保護(hù)。SEA是衡量材料在能量吸收過(guò)程中效率的關(guān)鍵指標(biāo)，應(yīng)盡可能最大化SEA值以?xún)?yōu)化結(jié)構(gòu)吸能特性并順應(yīng)輕量化設(shè)計(jì)趨勢(shì)。理想的吸能元件應(yīng)展現(xiàn)出較低的PCF、EA、SEA 和CFE值。在薄壁吸能結(jié)構(gòu)研究設(shè)計(jì)階段，可根據(jù)具體問(wèn)題和優(yōu)化設(shè)計(jì)需求，選擇合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2 薄壁結(jié)構(gòu)吸能盒分類(lèi)研究進(jìn)展

薄壁結(jié)構(gòu)吸能盒的吸能特性與其幾何尺寸、材料類(lèi)型、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)以及載荷狀態(tài)緊密相關(guān)。上世紀(jì)60年代開(kāi)始，國(guó)外學(xué)者便對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)的軸向動(dòng)態(tài)沖擊和靜態(tài)壓潰進(jìn)開(kāi)展了大量試驗(yàn)研究。Alexander[5]通過(guò)試驗(yàn)研究薄壁圓管的軸向壓潰變形過(guò)程，通過(guò)建立薄壁圓管壓潰變形近似理論模型，解釋了薄壁結(jié)構(gòu)圓管在軸向漸進(jìn)變形的吸能能力。Wierzbicki[6-7]在Alexander建立的預(yù)測(cè)模型基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了移動(dòng)塑性鉸模型，Singace[8-9]通過(guò)試驗(yàn)方法在二者的研究基礎(chǔ)之上繼續(xù)拓展薄壁結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊載荷時(shí)的變形特性。

不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型的薄壁結(jié)構(gòu)在受到?jīng)_擊時(shí)表現(xiàn)出來(lái)的破壞形式也有所不同。國(guó)內(nèi)外研究人員在Alexander研究的基礎(chǔ)上不斷地完善和揭示薄壁結(jié)構(gòu)的變形破壞機(jī)制以及不同的變形模式。目前，薄壁結(jié)構(gòu)理論已經(jīng)取得顯著的研究成果。此類(lèi)結(jié)構(gòu)不僅廣泛應(yīng)用于汽車(chē)和軌道車(chē)輛領(lǐng)域，而且在飛行器內(nèi)部結(jié)構(gòu)中也占有一席之地[10-15]，下文將對(duì)單胞薄壁結(jié)構(gòu)、多胞薄壁結(jié)構(gòu)和泡沫填充薄壁結(jié)構(gòu)3種薄壁結(jié)構(gòu)吸能盒結(jié)構(gòu)類(lèi)型進(jìn)行梳理。

2.1 單胞薄壁結(jié)構(gòu)

單胞薄壁圓管因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能量吸收率高而備受關(guān)注。在單胞薄壁圓管結(jié)構(gòu)的初始設(shè)計(jì)階段，研究人員對(duì)其尺寸、壁厚、形狀等參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)研究。

Wierzbicki 對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)方管的沖擊壓潰機(jī)制進(jìn)行了研究，根據(jù)超折疊單元理論，提出了方管在對(duì)稱(chēng)變形模式下的平均壓潰載荷理論預(yù)測(cè)模型，展示了薄壁結(jié)構(gòu)的平均壓潰載荷與管的長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，而是與管的寬度、厚度以及所使用的材料相關(guān)。Abramowicz 研究發(fā)現(xiàn)，薄壁方管的壓潰變形模式受多種因素影響，包括壁厚、長(zhǎng)度、寬度、沖擊載荷速度以及初始缺陷。此外，針對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)方管進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，提出了與對(duì)應(yīng)變率效率和有效應(yīng)變距離相關(guān)的平均壓潰載荷理論預(yù)測(cè)模型。

除方管及圓管之外，研究者還提出不同截面形狀的單胞薄壁結(jié)構(gòu)。Sun[16]對(duì)三角形薄壁結(jié)構(gòu)管進(jìn)行壓潰試驗(yàn)，提出了一種可預(yù)測(cè)平均破壞應(yīng)力和折疊波長(zhǎng)的塑性模型。Ali[17]研究了五邊形薄壁管和矩形薄壁管的動(dòng)態(tài)壓潰，展示了在相同的橫截面積下，五邊形薄壁管比矩形薄壁管吸能更多。Yamashita[18]通過(guò)有限元仿真探討了管的厚度、邊數(shù)及材料對(duì)多邊形薄壁結(jié)構(gòu)的影響，多邊形薄壁結(jié)構(gòu)在不超過(guò)六邊的情況下，可以得到穩(wěn)定的壓潰變形。Nia[19]等對(duì)比了三角形、正方形、六邊形和八邊形截面的鋁制簡(jiǎn)單多胞薄壁管進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)加載，結(jié)果表明，隨著截面邊增加多邊形薄壁結(jié)構(gòu)比吸能提高，吸能能力增強(qiáng)。除此之外，六邊形和八邊形截面在多晶胞結(jié)構(gòu)中吸收了單位質(zhì)量的最大能量。

在單胞薄壁結(jié)構(gòu)中，可以通過(guò)增加單胞多邊形管的邊數(shù)提高其吸能效率，但其存在一定峰值，當(dāng)其吸能特性達(dá)到最大值后，繼續(xù)增加多邊形管的邊數(shù)可能會(huì)導(dǎo)致吸能效率降低?；诖饲疤嵯拢珼eng[20]提出了一種新型正弦截面橫向波紋管，通過(guò)振幅、直徑、波紋數(shù)量的多目標(biāo)優(yōu)化展示了該結(jié)構(gòu)在合理波紋數(shù)和幅值下能夠比傳統(tǒng)的方管有更好的耐撞性，SEA 提高53.65%。

2.2 多胞薄壁結(jié)構(gòu)

在研究單胞薄壁結(jié)構(gòu)的同時(shí)，Wierzbicki等[7]設(shè)計(jì)了設(shè)計(jì)了兩胞、三胞等多胞薄壁結(jié)構(gòu)，并通過(guò)超折疊單元理論預(yù)測(cè)表明了多胞薄壁結(jié)構(gòu)的吸能特性?xún)?yōu)于單胞薄壁結(jié)構(gòu)，自此多胞薄壁結(jié)構(gòu)進(jìn)入人們的視野。多胞薄壁結(jié)構(gòu)通過(guò)包含不同的角單元，導(dǎo)致其吸能效果相比于單胞薄壁結(jié)構(gòu)大幅增加。

Zhang[21]設(shè)計(jì)了一種九胞薄壁方管結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)下其包含著不同的角單元，其中十字角單元對(duì)吸能性能的增強(qiáng)貢獻(xiàn)最為顯著，在其結(jié)構(gòu)材料不變的情況下，增加十字角單元數(shù)量能夠提高其吸能特性。Najafi和Rais-Rohani[22]以方形截面的單胞薄壁結(jié)構(gòu)為原型，提出了4種不同截面布置關(guān)系的多胞薄壁結(jié)構(gòu)，研究結(jié)果表明，多胞薄壁結(jié)構(gòu)在碰撞過(guò)程中的壓潰力波動(dòng)范圍比單胞管小，吸能過(guò)程更加平穩(wěn)。

劉亞軍[23]等以正四邊形多胞薄壁為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了內(nèi)嵌多邊形及外接圓管2 種新型多胞薄壁結(jié)構(gòu)（圖1），利用高速攝像機(jī)記錄其薄壁結(jié)構(gòu)變形形式，對(duì)比發(fā)現(xiàn)內(nèi)嵌多邊形吸能效果明顯高于外接圓管結(jié)構(gòu)。

圖1 內(nèi)嵌多邊形及外界圓管薄壁結(jié)構(gòu)[23]

隨著對(duì)多胞薄壁結(jié)構(gòu)的深入研究，結(jié)合對(duì)自然界的觀察，研究人員提出了一種基于仿生學(xué)原理的設(shè)計(jì)方法，用以指導(dǎo)多胞薄壁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與創(chuàng)新。Yin[24]發(fā)現(xiàn)雙層多胞薄壁管可以模仿植物莖稈的結(jié)構(gòu)，通過(guò)2個(gè)同心層的多邊形薄壁管組合而成。仿生設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于其結(jié)構(gòu)能夠自然地分散載荷，使得應(yīng)力分布更加均勻，從而提高其耐撞性。而且，通過(guò)對(duì)晶胞數(shù)和直徑的調(diào)整，可以進(jìn)一步優(yōu)化其性能。試驗(yàn)證明，仿生雙層多胞薄壁管的耐撞性比普通方管和圓管要高出很多，這種結(jié)構(gòu)在輕量化設(shè)計(jì)中具有廣泛應(yīng)用前景。

Xu等[25]通過(guò)蒲草和竹子作為仿生模型，設(shè)計(jì)出了一種汽車(chē)前保險(xiǎn)橫梁和多胞薄壁吸能盒，經(jīng)計(jì)算分析，較之普通的保險(xiǎn)杠，其設(shè)計(jì)的仿生保險(xiǎn)杠在較小壓縮位移的條件下，顯示出更高的吸能性能。

于鵬山[26]發(fā)現(xiàn)竹材在自然界中主要承受著風(fēng)載荷和自重載荷，其和薄壁管有著相似的共同之處，通過(guò)對(duì)仿生節(jié)和仿生單元的設(shè)計(jì)，提出了一種仿生竹雙層薄壁圓管（圖2），分析了內(nèi)管直徑和壁厚等因素對(duì)新型仿竹薄壁管耐撞性和變形模式的影響，為薄壁結(jié)構(gòu)仿生管提供了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和尺寸優(yōu)化方面的參考。

圖2 仿生竹材薄壁管截面[26]

白訪華[27]通過(guò)觀察甲蟲(chóng)生理結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種仿生八邊形多胞薄壁管結(jié)構(gòu)，并利用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行驗(yàn)證。該仿生結(jié)構(gòu)相比于傳統(tǒng)八邊形多胞薄壁結(jié)構(gòu)，其吸能性能至少提高了30%，同時(shí)載荷波動(dòng)也有所下降，且具有更高的耐撞性。霍鵬[28]等根據(jù)鹿角骨的結(jié)構(gòu)組成，提出了一種內(nèi)徑保持不變、外徑隨層數(shù)減小的仿生薄壁管，如圖3所示。研究通過(guò)有限元數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)比3種角度斜向沖擊工況下該仿生薄壁管的吸能變化變化狀態(tài)。結(jié)果表明，沖擊變形模式會(huì)隨著結(jié)構(gòu)形狀逐層緊縮，具有較好的吸能特性。此外，優(yōu)化出梯度和厚度參數(shù)可以為車(chē)輛吸能元件的設(shè)計(jì)提供參考。

圖3 仿生鹿角設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)[28]

陳曉薇[29]利用方竹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了仿生薄壁管的截面形狀，有限元數(shù)值模擬的方式探究了不同壁厚和竹節(jié)數(shù)對(duì)仿生薄壁管耐撞性的影響。研究結(jié)果表明，該仿生薄壁管具有較好的耐撞性和變形穩(wěn)定性，通過(guò)增加竹節(jié)數(shù)可以提高吸能效果和變形穩(wěn)定性。此外，在增加壁厚和圓角尺寸的情況下，仿方竹結(jié)構(gòu)薄壁管的最大峰值載荷以及比吸能得到了相應(yīng)的提升。

牛樅[30]以雀尾螳螂蝦螯為仿生原型，提出了一種正弦胞元多胞薄壁管結(jié)構(gòu)，如圖4所示。通過(guò)有限元數(shù)值模擬分析不同碰撞角度下仿生胞元數(shù)對(duì)薄壁管的耐撞性影響。通過(guò)計(jì)算初始峰值載荷、比吸能和碰撞力效率來(lái)驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)耐撞性能。結(jié)果顯示，薄壁管的耐撞性能和晶胞數(shù)呈先增后減的變化趨勢(shì)，當(dāng)晶胞數(shù)為4時(shí)，薄壁管耐撞性處于峰值。

圖4 蝦螯宏微觀結(jié)構(gòu)及仿生多胞管設(shè)計(jì)[30]

近年來(lái)，隨著對(duì)多胞薄壁結(jié)構(gòu)研究的推進(jìn)以及仿生技術(shù)的發(fā)展，研究人員通過(guò)仿生工程和力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研發(fā)出了大量的仿生多胞薄壁結(jié)構(gòu)，較之傳統(tǒng)的單胞薄壁結(jié)構(gòu)，這些新穎的多胞薄壁結(jié)構(gòu)在降低最大峰值載荷和提高比吸能方面都展現(xiàn)出更大的潛力。

2.3 泡沫填充薄壁結(jié)構(gòu)

研究發(fā)現(xiàn)，加入泡沫填充材料后薄壁結(jié)構(gòu)與填充材料發(fā)生的耦合作用可以顯著提高薄壁結(jié)構(gòu)吸收沖擊能量的能力。填充薄壁結(jié)構(gòu)軸向吸能特性的研究較為廣泛，常用的填充材料主要包括泡沫鋁、聚氨酯泡沫和蜂窩材料[31]。

2.3.1 泡沫鋁填充薄壁結(jié)構(gòu)

泡沫鋁填充薄壁結(jié)構(gòu)因其優(yōu)良的吸能特性受到廣泛關(guān)注，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其開(kāi)展了大量的研究。發(fā)生沖擊時(shí)，泡沫鋁和薄壁結(jié)構(gòu)管之間的相互作用表現(xiàn)得尤為重要，包括：泡沫從內(nèi)部支撐管壁，抵抗管壁的局部屈曲；金屬管對(duì)泡沫的坍塌起限制作用，延緩泡沫的失穩(wěn)；泡沫鋁與金屬管變形的不同步產(chǎn)生的縱向摩擦力。這些相互作用不僅有效地解決了薄壁結(jié)構(gòu)管在失效過(guò)程難以控制的問(wèn)題，而且彌補(bǔ)了泡沫鋁在單獨(dú)使用時(shí)出現(xiàn)缺乏穩(wěn)定性坍塌的不足。

泡沫鋁填充薄壁結(jié)構(gòu)的制備可以通過(guò)外加填充、膠結(jié)粘合、激光釬焊等方法。由于制備方法的多樣性和薄壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的差異性，泡沫鋁填充薄壁結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)出多種形態(tài)。根據(jù)其結(jié)構(gòu)類(lèi)型分類(lèi)，可分為泡沫鋁填充單管、全填充雙管、半填充四胞管等；根據(jù)其截面形狀不同，可分為泡沫鋁填充方管、圓管、正多邊形管等[32]。釬焊泡沫鋁填充薄壁方管制備流程如圖5所示[33]。不同的類(lèi)型的泡沫鋁填充薄壁結(jié)構(gòu)在吸能特性和變形機(jī)制方面展現(xiàn)出各自的特性。

圖5 釬焊泡沫鋁填充薄壁方管制備流程[33]

因?yàn)榕菽X填充薄壁結(jié)構(gòu)優(yōu)異的耐撞性能，國(guó)內(nèi)外對(duì)其做了大量試驗(yàn)以及理論研究，Hanssen[34-35]通過(guò)試驗(yàn)討論薄壁結(jié)構(gòu)的壁厚、材料以及薄壁結(jié)構(gòu)與泡沫鋁之間相互作用對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)沖擊變形的影響，由此基礎(chǔ)建立泡沫填充薄壁結(jié)構(gòu)的平均載荷預(yù)測(cè)模型。Seitzberger[36]通過(guò)控制變量對(duì)空管和空管薄壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行軸向靜壓試驗(yàn)，探討了不同材料、截面和尺寸大小對(duì)影響，發(fā)現(xiàn)在同種條件下泡沫鋁填充管薄壁結(jié)構(gòu)耐撞性較之空管有大幅提升。Yin[37]對(duì)不同的填充形式的泡沫鋁填充薄壁方管的耐撞性能進(jìn)行了探討，發(fā)現(xiàn)井字形的填充方式比單層填充、雙層填充以及田字填充更具吸能特性。

2.3.2 聚氨酯泡沫填充薄壁結(jié)構(gòu)

聚氨酯是一類(lèi)由羥基化合物和異氰酸酯合成的高分子化合物，該類(lèi)化合物產(chǎn)品展現(xiàn)出多樣化的形態(tài)和性能特征。通過(guò)調(diào)節(jié)原材料的比例、種類(lèi)以及反應(yīng)溫度等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)聚氨酯產(chǎn)品性能（如硬度）的調(diào)整。

聚氨酯泡沫（Polyurethane Foam，PUF）芯夾層復(fù)合材料是一種具有廣泛應(yīng)用前景的多功能材料，其應(yīng)用范圍涵蓋基本的結(jié)構(gòu)元素至先進(jìn)的工程材料。該材料的特點(diǎn)包括：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)潔性、安全性、生產(chǎn)便捷性，同時(shí)具有優(yōu)異的抗疲勞和抗沖擊性能。此外，其輕質(zhì)特性順應(yīng)了汽車(chē)吸能元件輕量化設(shè)計(jì)的趨勢(shì)。

以聚合物泡沫作為填充材料可以提高薄壁結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和抗沖擊性，其原理是通過(guò)泡沫材料自身的壓潰形變以及其與薄壁結(jié)構(gòu)的交互作用提升復(fù)合結(jié)構(gòu)壓潰時(shí)的耐撞性能。關(guān)于聚合物泡沫填充蜂窩結(jié)構(gòu)壓潰性能的理論研究較少，現(xiàn)存的大多數(shù)研究主要以試驗(yàn)方式為主。丁楠等[38]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比了方形鋁管、鋁蜂窩填充方管、硬質(zhì)聚氨酯泡沫（Rigid Polyurethane Foam,RPUF）填充方管及RPUF或鋁蜂窩填充方管4種結(jié)構(gòu)的軸向壓潰性能，試驗(yàn)結(jié)果表明，采用聚合物泡沫作為填充物的薄壁結(jié)構(gòu)方管在吸能效果上相較于傳統(tǒng)的空管提高了3倍以上。

2.3.3 蜂窩填充薄壁結(jié)構(gòu)

蜂窩材料因其較高的承載能力和吸能能力而被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)耐撞性元件[39]制造，可以通過(guò)調(diào)節(jié)所用材料、結(jié)構(gòu)及內(nèi)部胞元形狀、數(shù)目等參數(shù)提升蜂窩材料的吸能效果。

張勇[40]采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，通過(guò)改變沖擊角度和速度的方式，探究不同的沖擊工況下對(duì)蜂窩薄壁結(jié)構(gòu)和薄壁結(jié)構(gòu)空管的沖擊性能影響，如圖6所示，試驗(yàn)結(jié)果表明，任何工況下，蜂窩填充薄壁結(jié)構(gòu)在沖擊中的變形穩(wěn)定性和吸能表現(xiàn)均優(yōu)于薄壁空管結(jié)構(gòu)。

圖6 蜂窩填充薄壁結(jié)構(gòu)幾何模型[40]

劉穎[41]設(shè)計(jì)了一種分層遞變的蜂窩薄壁結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)通過(guò)改變胞元半徑、排列順序以及梯度系數(shù)能夠大范圍改變蜂窩薄壁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)方式，從而達(dá)到控制蜂窩材料內(nèi)部應(yīng)力變化范圍、能量傳播方向以及提高蜂窩填充薄壁結(jié)構(gòu)耐撞性目的

張勇[42]通過(guò)數(shù)值模擬分析的方法探究4種胞元數(shù)不同的蜂窩填充薄壁結(jié)構(gòu)在同種沖擊工況下的力學(xué)變化，發(fā)現(xiàn)厚度對(duì)同種胞元蜂窩薄壁結(jié)構(gòu)的變形模式改變不明顯，同時(shí)蜂窩與薄壁空管的相互作用使得蜂窩薄壁結(jié)構(gòu)抗沖擊能力大幅增加。

李本懷[43]發(fā)現(xiàn)在薄壁空管中添加隔板與蜂窩可以使薄壁管總吸能翻倍，且因隔板與蜂窩薄壁管在沖擊的過(guò)程中發(fā)生耦合作用，使其在沖擊變形過(guò)程中更具穩(wěn)定性。

3 薄壁結(jié)構(gòu)吸能特性研究現(xiàn)狀

薄壁結(jié)構(gòu)作為汽車(chē)內(nèi)部重要的吸能元件，其因在減震吸能、防撞抗沖擊等方面的顯著性能逐漸受到廣泛關(guān)注，特別是其變形機(jī)制和吸能表現(xiàn)。研究人員主要通過(guò)軸向沖擊、以及橫向三點(diǎn)靜壓的試驗(yàn)方式探究薄壁結(jié)構(gòu)的變形機(jī)理，以期為薄壁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。

3.1 軸向沖擊

汽車(chē)發(fā)生正面碰撞時(shí)，車(chē)輛所搭載的吸能結(jié)構(gòu)可以吸收60%以上的碰撞能量，因此，對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)開(kāi)展軸向沖擊試驗(yàn)尤為重要。

Zhang[44]對(duì)比分析了多種多邊形截面的單胞薄壁結(jié)構(gòu)，在單胞薄壁結(jié)構(gòu)在軸向沖擊當(dāng)中主要可以發(fā)生非延展性變形、延展性變形和混合變形，其研究發(fā)現(xiàn)偶數(shù)邊的正多邊形列比奇數(shù)邊的正多邊形列具有更規(guī)則的折疊模式。圖7為六邊形截面單管的2種變形形態(tài)。

圖7 六邊形截面單管的2種變形形態(tài)[44]

傳統(tǒng)的多胞薄壁結(jié)構(gòu)管與單胞薄壁結(jié)構(gòu)變形形式大致相同，都是以漸進(jìn)折疊的壓潰方式吸收能量，并且折疊波段會(huì)隨著多胞結(jié)構(gòu)內(nèi)部胞數(shù)的增加而增加，多胞薄壁波紋管的軸向沖擊的模式可分為不穩(wěn)定模式、鉆石模式、手風(fēng)琴模式和混合模式4種類(lèi)型，每一模態(tài)都受到余弦波峰數(shù)及其振幅的強(qiáng)烈影響[45]。

泡沫填充薄壁結(jié)構(gòu)之間，泡沫填充材料的性質(zhì)以及薄壁管的截面形狀的差異會(huì)導(dǎo)致不同的變形模式。以泡沫鋁填充薄壁結(jié)構(gòu)為例，其變形模式包括：對(duì)稱(chēng)模式、非對(duì)稱(chēng)模式、混合模式及歐拉失穩(wěn)模式（見(jiàn)圖8）。

圖8 泡沫鋁填充薄壁結(jié)構(gòu)在軸向壓縮中的失穩(wěn)形式[45]

3.2 橫向三點(diǎn)靜壓

汽車(chē)發(fā)生側(cè)面碰撞時(shí)，橫向彎曲破壞是典型的破壞形態(tài)之一。車(chē)架縱梁作為重要的吸能保護(hù)元件，被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)設(shè)計(jì)中，能夠有效地減輕乘員受到的外部沖擊力。而橫向三點(diǎn)靜壓試驗(yàn)是一種常見(jiàn)的保護(hù)機(jī)制評(píng)估方法，該方法的影響因素不僅包括薄壁結(jié)構(gòu)的材料屬性，還涉及到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)設(shè)置和蜂窩填充物的特性多個(gè)方面。

在橫向三點(diǎn)靜壓試驗(yàn)中，如圖9所示，盡管不同類(lèi)型的薄壁結(jié)構(gòu)變形過(guò)程類(lèi)似，但其彎曲變形失效機(jī)制與彎曲時(shí)形成的蘇醒鉸接點(diǎn)有關(guān)。大多數(shù)變形失效均發(fā)生在塑性鉸接點(diǎn)位置附近。研究數(shù)據(jù)表明，通過(guò)添加填充材料，薄壁圓管三點(diǎn)彎曲承載能力得到顯著提高，并且使變形過(guò)程更穩(wěn)定[46]。

圖9 橫向三點(diǎn)靜壓試驗(yàn)示意[46]

4 未來(lái)展望

汽車(chē)安全性能是傳統(tǒng)燃油汽車(chē)和新能源汽車(chē)共同面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。薄壁結(jié)構(gòu)作為汽車(chē)關(guān)鍵吸能元件，其評(píng)價(jià)指標(biāo)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和吸能特性一直是汽車(chē)安全研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。本文通過(guò)分析薄壁結(jié)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀、安全測(cè)試評(píng)價(jià)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)可以從以下4個(gè)方面優(yōu)化和改善薄壁結(jié)構(gòu)。

（1）當(dāng)前對(duì)于薄壁結(jié)構(gòu)的研究主要集中于軸向正面沖擊以及橫向沖擊，但在實(shí)際汽車(chē)碰撞事故中，沖擊載荷方向往往與汽車(chē)正前方存在一定夾角，即斜側(cè)向碰撞。這種情況下，僅考慮橫向和軸向沖擊，薄壁結(jié)構(gòu)可能無(wú)法在斜側(cè)向沖擊中展現(xiàn)出其最佳性能，因此研究不同角度的斜側(cè)向沖擊碰撞對(duì)于提高薄壁結(jié)構(gòu)在復(fù)雜碰撞情況下的性能具有重要意義。

（2）在多胞薄壁結(jié)構(gòu)中，仿生多胞薄壁結(jié)構(gòu)因其優(yōu)良的耐撞特性而得到迅速迅速。然而，由于仿生結(jié)構(gòu)幾何復(fù)雜性，常規(guī)工藝難以加工，導(dǎo)致其制備成本較高，難以實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)并廣泛應(yīng)用于汽車(chē)制造。引用3D 打印技術(shù)，為復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的制備提供了新的可能。發(fā)展3D 打印技術(shù)，有望降低制備成本同時(shí)提高生產(chǎn)效率。

（3）我國(guó)在泡沫填充薄壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中起步較晚，對(duì)不同材料的變形形式、失效機(jī)制方面的研究尚不充分。關(guān)于泡沫填充薄壁結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬均是針對(duì)某種特定加載條件下進(jìn)行，而實(shí)際面臨的外界環(huán)境載荷復(fù)雜多樣，需要與實(shí)際試驗(yàn)進(jìn)行結(jié)合對(duì)比。因此，建議優(yōu)化模擬預(yù)測(cè)方法，建立普適性計(jì)算模型，在提高填充薄壁結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)擴(kuò)大其實(shí)際應(yīng)用范圍。

（4）目前對(duì)于多胞填充薄壁結(jié)構(gòu)方面探究尚不充分，建議通過(guò)調(diào)節(jié)多胞薄壁材料與填充材料之間配比關(guān)系，合理的選取多重材料的復(fù)合設(shè)計(jì)方式達(dá)到兼用不同材料優(yōu)勢(shì)的目的，在提升耐撞性能的同時(shí)，盡可能地實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)以及節(jié)約制造成本。