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)

不同誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)軸向抗撞性分析

譚麗輝1， 譚洪武2

(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)

研究了圓截面薄壁構(gòu)件的變形方式和吸能特點，針對其在碰撞過程中力-變形特性曲線的不足，根據(jù)預(yù)變形理論，對薄壁圓管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，在其上設(shè)置圓弧形誘導(dǎo)凹槽、凸槽和凸凹交替誘導(dǎo)槽，并采用有限元軟件Ls-dyna驗證了改進(jìn)方案的合理性。

薄壁構(gòu)件； 誘導(dǎo)槽； 抗撞性

0 引 言

薄壁金屬構(gòu)件是汽車碰撞過程中最為重要的吸能件，汽車碰撞過程實質(zhì)上就是薄壁構(gòu)件的大變形過程，很多學(xué)者對薄壁構(gòu)件碰撞仿真進(jìn)行了研究。汽車正碰時50%以上的沖擊動能是由薄壁構(gòu)件吸收的，因此薄壁構(gòu)件的吸能能力尤為關(guān)鍵[1-2]，而碰撞過程中的承載能力是衡量其抗撞性能的另一個重要指標(biāo)，通常為了降低最大峰值碰撞力，常在薄壁構(gòu)件上設(shè)置誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)控制其變形模式，降低沖擊載荷，從而減小對乘員的傷害，也降低了其它部件所承受的沖擊載荷[3-7]。

根據(jù)預(yù)變形理論提出了在薄壁圓管上設(shè)置圓弧形誘導(dǎo)凹槽、凸槽和凸凹交替的誘導(dǎo)槽，并采用非線性有限元軟件Ls-dyna進(jìn)行仿真模擬，得到不同幾何參數(shù)模型的碰撞響應(yīng)，研究不同誘導(dǎo)槽結(jié)構(gòu)對薄壁構(gòu)件抗撞性的影響。

1 普通圓截面薄壁梁仿真模擬

1.1計算模型

薄壁圓管的分析模型如圖1所示。

圖1 薄壁圓管的分析模型

圓管下端固定，上端自由,并受質(zhì)量為25 g,速度為v=15.49 m/s的剛性體沖擊作用；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，密度ρ=7.82×103kg/m3，彈性模量E=207.2 GPa，泊松比ν=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[8]

(1)

式中：σy----考慮應(yīng)變率之后的動態(tài)屈服應(yīng)力;

σs----靜態(tài)屈服應(yīng)力；

ε----應(yīng)變率;

c,p----該模型中與應(yīng)變率相關(guān)的參數(shù)，c=40/s，p=5。

靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變變化曲線如圖2所示。

1.3仿真模擬結(jié)果

薄壁構(gòu)件原模型在軸向沖擊載荷作用下，由Ls-dyna計算得到的最大峰值碰撞力、總吸能值、最大壓潰位移并與文獻(xiàn)[8]中的實驗值進(jìn)行比較，見表1。

可見數(shù)值模擬的結(jié)果與實驗值能夠較好地吻合。

圖2 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

表1 原模型有限元分析結(jié)果與實驗[8]對比

經(jīng)過有限元模擬計算，在Ls-prepost中對模擬結(jié)果進(jìn)行后處理，并對有限元模型的碰撞動態(tài)仿真過程進(jìn)行觀察。得到了在碰撞過程中各時刻薄壁構(gòu)件的變形圖,如圖3所示。

圖3 圓截面薄壁構(gòu)件在不同時刻變形

碰撞過程中沖擊載荷隨壓潰位移變化關(guān)系曲線如圖4所示。

在圖4圓截面薄壁構(gòu)件碰撞力-位移曲線中，力-變形特性曲線不平穩(wěn)，在碰撞的初始階段存在一個變形范圍很小而力的波動幅度較大的區(qū)域，這樣會產(chǎn)生較大的加速度，對人體造成嚴(yán)重的傷害，故不能滿足碰撞問題中直接作為控制結(jié)構(gòu)使用。

為了消除力-變形特性曲線中波動幅度較大的部分，實現(xiàn)曲線平穩(wěn)的目的，德國科學(xué)家霍爾斯特·皮佩特等[9]創(chuàng)建了預(yù)變形理論，即在薄壁構(gòu)件上合適位置處削弱橫截面，使其在碰撞過程初期首先在截面削弱處發(fā)生變形，由于變形部分截面已被削弱,該處的剛度減小，則發(fā)生變形所需要力也隨之減少，從而實現(xiàn)了力-變形特性曲線平穩(wěn)的目的。

圖4中碰撞初期出現(xiàn)的最大峰值碰撞力是文中要討論和處理的問題。

圖4 圓截面薄壁管碰撞力-位移曲線

2 改進(jìn)結(jié)構(gòu)的薄壁圓管仿真模擬

預(yù)變形理論是用誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的，合理的變形誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)能夠有效引導(dǎo)薄壁構(gòu)件進(jìn)入特定的變形模式，使結(jié)構(gòu)的屈曲變形穩(wěn)定，有效降低最大峰值碰撞力。

文中對原模型結(jié)構(gòu)做了改進(jìn)，沿光滑表面的薄壁結(jié)構(gòu)(原模型結(jié)構(gòu)尺寸不變)分別添加圓弧形誘導(dǎo)凹槽、凸槽及凸凹交替的圓弧形誘導(dǎo)槽。對于凸凹交替的誘導(dǎo)槽為了獲得對稱變形模式，誘導(dǎo)槽個數(shù)應(yīng)為奇數(shù)個，且第一個為凸槽。根據(jù)原模型幾何長度，在每種結(jié)構(gòu)上分別設(shè)置了均勻分布的3個誘導(dǎo)槽,如圖5所示。

圖5 改進(jìn)結(jié)構(gòu)模型

改進(jìn)結(jié)構(gòu)變形過程如圖6所示。

(a) 凹槽

(b) 凸槽

(c) 凸凹交替槽

在前文的普通圓截面薄壁構(gòu)件碰撞試驗工況下，對3種誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行有限元仿真計算得到其碰撞響應(yīng)，并與原模型進(jìn)行比較,參數(shù)對比見表2。

表2 原模型與改進(jìn)結(jié)構(gòu)碰撞性能參數(shù)對比

從表2可以看到，3種誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)對于吸能而言并沒有太大區(qū)別，但是，對于降低平均碰撞力，特別是降低最大峰值碰撞力都有非常明顯的優(yōu)勢。而凸槽和凸凹交錯的誘導(dǎo)槽要優(yōu)于誘導(dǎo)凹槽模型。因此，設(shè)置誘導(dǎo)槽確實可以降低碰撞過程中的最大峰值碰撞力。

由圖6得到3種誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)變形圖，可以看出變形都是在誘導(dǎo)槽處開始的，誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)在控制薄壁構(gòu)件的碰撞變形中起到了非常顯著的作用。改進(jìn)薄壁構(gòu)件后，沖擊載荷的變化情況如圖7所示。

圖7 沖擊載荷隨壓潰位移變化對比曲線

從圖7可以看出，誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)減小了初始階段沖擊載荷的劇烈變化，使力-變形特性曲線趨于平穩(wěn)，從而有利于乘員的保護(hù)。

各模型總吸能對比如圖8所示。

圖8 吸收能量隨沖擊時間變化對比曲線

在碰撞時間為10 ms時，各改進(jìn)結(jié)構(gòu)模型所吸收的能量與同時間原模型吸收的能量比較相近?？梢?種誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)在沒有影響原模型吸能的情況下，顯著降低了初始峰值載荷，使力-變形特性曲線趨于平穩(wěn)，顯著提高了薄壁構(gòu)件的抗撞性。

3 結(jié) 語

根據(jù)預(yù)變形理論，針對碰撞過程中圓截面薄壁構(gòu)件在初始階段最大峰值碰撞力過高的情況下，提出了3種改進(jìn)結(jié)構(gòu)方案,即分別在其上設(shè)置圓弧形誘導(dǎo)凹槽、凸槽和凸凹交錯誘導(dǎo)槽，研究其抗撞性。數(shù)值分析結(jié)果表明：3種誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)模型在不減少薄壁構(gòu)件吸能能力的情況下，對降低平均碰撞力，特別是最大峰值碰撞力都有非常顯著的效果，實現(xiàn)了力-變形特性曲線平穩(wěn)的目的，從而提高了薄壁構(gòu)件的抗撞性。

[1] 劉中華.薄壁直梁動態(tài)撞擊的變形和吸能特性的研究[A].汽車安全技術(shù)論文集[C]//北京：人民交通出版社，2004:50-56.

[2] 亓昌,董方亮,楊 姝,等.錐形多胞薄壁管斜向沖擊吸能特性仿真研究[J].振動與沖擊,2012,31(24):102-107.

[3] Massimiliano Avalle, Giorgio Chiandussi. Optimization of a vehicle energy absorbing steel component with experimental validation[J]. International Journal of Impact Engineering,2007,34:843-858.

[4] Cho Y B, Bae C H, Suh M W, et al. A vehicle front frame crash design optimization using hole-type and dent-type crush initiator[J]. Thin-Walled Structures,2006,44:415-428.

[5] 張濤，劉土光，肖漢林,等.高速沖擊下薄壁組合結(jié)構(gòu)吸能特性研究[J].爆炸與沖擊，2006，26(5)：395-403.

[6] 譚麗輝,譚洪武,毛志強(qiáng),等.具有不同誘導(dǎo)槽結(jié)構(gòu)的薄壁圓抗撞性優(yōu)化[J].振動與沖擊,2014,33(8)：16-21.

[7] 譚麗輝,徐濤,張煒,等.帶有圓弧形凸槽金屬薄壁圓管抗撞性優(yōu)化設(shè)計[J].振動與沖擊,2013,32(21):80-84.

[8] Tai Y S, Huang M Y, Hu H T. Axial compression and energy absorption characteristics of high-strength thin-walled cylinders under impact load[J]. Theoretical and Appied Fracture Mechanics,2010,53:1-8.

[9] 雷正保.汽車縱向碰撞控制結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論與方法[M].長沙:湖南大學(xué)出版社,2000.

Analysis of axial crashworthiness under different inducing structure

TAN Li-hui1, TAN Hong-wu2

(1.Department of Mechatronics, Jilin Institute of Chemical Technology, Jilin 132022, China;2.Petrochina Jilin Petrochemical Company Organic Synthesis Factory EPDM Plant, Jilin 132022， China)

Deformation model and energy absorption characteristics of a thin-walled component with circular cross section are studied. To improve the relationship between axial force-crushing and displacement during the collision process, the thin-walled structure is modified based on the pre-distortion theory. Induced convex grooves, concave grooves and alternate convex-concave grooves are set on the structure, and finite element software Ls-dyna is used to verity the feasibility of the method.

thin-walled components; induced grooves； crashworthiness.

2014-07-16

譚麗輝(1977-)，女，漢族，吉林長春人，吉林化工學(xué)院講師，吉林大學(xué)博士研究生，主要從事數(shù)值模擬、力學(xué)計算、結(jié)構(gòu)優(yōu)化方向研究,E-mail:452404820@qq.com.

TH 123.1

A

1674-1374(2014)06-0731-04