譚麗輝，譚洪武

(1.吉林化工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，吉林 吉林132022;2.中油吉林石化公司有機(jī)合成廠 乙丙橡膠車間，吉林 吉林132022)

薄壁金屬構(gòu)件由于其低成本，高吸能性而在汽車結(jié)構(gòu)中作為一種性能良好的緩沖吸能元件得到廣泛的應(yīng)用［1］.汽車中的大部分結(jié)構(gòu)是由不同截面形狀的薄壁構(gòu)件組成，這些薄壁構(gòu)件通過自身的塑性變形來吸收沖擊動能.并通常在其上設(shè)置誘導(dǎo)缺陷結(jié)構(gòu)來提高抗撞性［2-5］.文獻(xiàn)［6］指出目前大部分研究內(nèi)容是關(guān)于薄壁構(gòu)件在軸向沖擊載荷作用下的吸能性.然而在汽車碰撞過程中，吸能件通常不僅受軸向沖擊載荷作用，還會受到不同角度傾斜載荷的作用.Nagel［7］比較了在斜載荷作用下方形截面薄壁構(gòu)件和錐管的抗撞性，指出錐管有較好的抗撞性能.Reyes等［8］研究了在傾斜載荷作用下薄壁構(gòu)件幾何參數(shù)、載荷傾角對吸能性的影響.

目前的研究很少涉及具有誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)的薄壁構(gòu)件在傾斜載荷作用下的抗撞性能.本文從實際出發(fā)在薄壁圓管上施加圓弧形誘導(dǎo)凹槽結(jié)構(gòu)，并采用非線性有限元軟件LS-DYNA得到不同幾何參數(shù)模型的碰撞響應(yīng).研究其在 7°、14°、21°等不同載荷傾角下的抗撞性.分析載荷傾角、誘導(dǎo)槽數(shù)量對抗撞性的影響.

1 模擬研究

1.1 計算模型

如圖1所示，圓管下端固定，上端自由并受質(zhì)量為25 kg，速度為v=15.49 m/s的剛性體沖擊作用，θ為沖擊速度與軸向夾角;圓管厚度t=0.8 mm，長度L=90 mm，直徑d=31 mm.

1.2 材料定義

薄壁構(gòu)件的材料選為高強(qiáng)度鋼，ρ=7.82×103kg/m3，彈性模量 E=207.2 Gps，泊松比 v=0.3，屈服應(yīng)力 σs=446 MPa.高強(qiáng)度鋼材料的動態(tài)變形受材料應(yīng)變率的影響較大，需要在材料模型中考慮應(yīng)變率的影響.一般采用 Cowper–Symonds塑性材料模型［9］

式中:σy為考慮應(yīng)變率之后的動態(tài)屈服應(yīng)力，σs為靜態(tài)屈服應(yīng)力;ε為應(yīng)變率，c和p為該模型中與應(yīng)變率相關(guān)的參數(shù)，分別為c=40/s，p=5靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變變化曲線如圖2所示.

圖1 薄壁圓管的分析模型

圖2 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

文獻(xiàn)［5］已給出了薄壁構(gòu)件原模型在軸向(載荷傾角為0度)沖擊載荷作用下，由LS-DYNA計算得到的碰撞響應(yīng)，并與實驗值進(jìn)行了比較.通過對比可以看出有限元結(jié)果和實驗值之間的相吻合.

對誤差很小，可見數(shù)值模擬的結(jié)果與實驗值能夠較好地吻合，可進(jìn)一步用于模擬其在傾斜載荷作用下的抗撞性.

1.3 誘導(dǎo)槽模型

誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)是薄壁構(gòu)件應(yīng)力集中的地方，使結(jié)構(gòu)的屈曲變形穩(wěn)定.為了提高原模型在碰撞過程中的抗撞性能，本文對原模型結(jié)構(gòu)做了改進(jìn)，如圖3所示，沿光滑表面的薄壁結(jié)構(gòu)(原模型結(jié)構(gòu)尺寸不變)添加均布的圓弧形凹槽.現(xiàn)分別施加1、2、3、4 個半徑為 0.8 mm 誘導(dǎo)槽，研究其在 7°、14°、21°等不同載荷傾角下的抗撞性.在前文的工況下對四個模型進(jìn)行有限元仿真得到其碰撞性能評價指標(biāo)響應(yīng)值.

圖3 改進(jìn)結(jié)構(gòu)模型

2 模擬結(jié)果及討論

圖4、圖5分別給出了不同誘導(dǎo)槽結(jié)構(gòu)，在7°、14°、21°斜向載荷角碰撞過程中壓潰力和吸收能量隨壓潰位移和壓潰時間變化情況，并將其與相應(yīng)條件的原模型進(jìn)行了比較.由圖4可以看出薄壁構(gòu)件在7°載荷角下的碰撞力曲線在最大和最小局部峰值間平穩(wěn)波動，變化趨勢大體相同，表明這幾種薄壁構(gòu)件在7°載荷角下抗載能力相似;由薄壁構(gòu)件在14°、21°載荷傾角下的碰撞力曲線可以看出，五種薄壁構(gòu)件在兩個傾角下的碰撞力曲線變化趨勢大體一致，都是在初始階段穩(wěn)定增大到峰值碰撞力，隨后單調(diào)減小至到?jīng)_擊終了階段撞擊力急劇上升達(dá)到極高的水平.上述不同撞擊角度下的力響應(yīng)與薄壁梁的失效模式有關(guān).

圖4 斜向載荷下力-位移曲線

從能量吸收圖5可以看出，在7°載荷角時薄壁構(gòu)件吸能曲線變化趨勢相似，總吸能相近.而在能量吸收圖5中的(b)、(c)可以看到，在14°和21°載荷角的碰撞初始階段總吸能迅速上升，在碰撞時間大約為2°ms～6°ms階段，總吸能增加緩慢，因為在此階段薄壁構(gòu)件開始發(fā)生彎曲變形，吸能能力減弱，之后薄壁構(gòu)件的碰撞力迅速增大，又迅速恢復(fù)了吸能能力并保持至碰撞終了.

圖5 斜向載荷下內(nèi)能—時間曲線

由圖6給出了五種薄壁構(gòu)件在不同載荷角下的最大峰值碰撞力變化情況，可見具有誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)的薄壁構(gòu)件最大峰值碰撞力均低于原模型，且隨著誘導(dǎo)槽數(shù)量的增加最大峰值碰撞力明顯減小.由圖6可見較大的載荷角時，誘導(dǎo)槽數(shù)量的增加，對最大峰值碰撞力影響較小.

由圖7所有薄壁構(gòu)件的總吸能隨載荷角的變化情況可知.當(dāng)載荷角較小時，所有薄壁構(gòu)件的總吸能近似相等;當(dāng)載荷角較大時1個誘導(dǎo)槽結(jié)構(gòu)總吸能更有效，而增加誘導(dǎo)槽數(shù)量時總吸能并沒有提高.由圖7可見原模型在載荷角沖擊時的總吸能要大于其他誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)，而在14°和21°載荷角沖擊時其總吸能則為所有模型中最小的.可見，設(shè)置誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)在較大載荷角碰撞下可提高能力吸收性能.

圖6 峰值載荷隨載荷角變化

圖7 總吸能隨載荷角變化

由圖6、7可以看出，最大峰值碰撞力和總吸能均隨著載荷角的增大而減小.

3 結(jié) 論

本文主要研究傾斜載荷角碰撞下，具有不同數(shù)量誘導(dǎo)凹槽薄壁構(gòu)件的抗撞性能.設(shè)置誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)可在傾斜碰撞下可降低最大峰值碰撞力，在7°、14°、21°傾斜載荷角下最大峰值碰撞力分別降低16.81%、15.3%、11.58%;.具有誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)的薄壁構(gòu)件，在7°傾斜載荷角下其總吸能比原模型至多降低1.07%，而在 、較大傾斜載荷角下，其總吸能比原模型最多分別可提高44.99%、65.18%.可見在傾斜載荷碰撞下，設(shè)置誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)能顯著提高薄壁構(gòu)件的抗撞性.

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