都雪靜，韋麗蘋

(東北林業(yè)大學交通學院，哈爾濱 150040)

吸能盒作為汽車在發(fā)生正碰時的主要吸能部件，其抗撞性能至關(guān)重要。在20世紀中期，Alexande建立吸能部件模型［1］對圓管軸向變形時吸能的過程進行預測，通過觀察，提出了宏單元，簡化了薄壁結(jié)構(gòu)模型，為結(jié)構(gòu)抗撞性能的研究奠定了基礎(chǔ)。隨 后，Melosh［2］，Ni［3－5］，Herridge［6］以 及Kama1［7－9］等學者將計算機模擬技術(shù)引入吸能部件的抗撞性能設(shè)計中，使有限元技術(shù)在吸能盒結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中起了很大作用。PAM-CRASH，LSDYNA，ABAQUS和RADIOSS等各種有限元軟件的不斷更新，進一步促進了對汽車抗撞性能的研究。20世紀60年代開始，學者們對吸能盒的材料進行了大量研究，在高分子復合材料、金屬材料、蜂窩材料等方面已有所突破。在結(jié)構(gòu)方面，Macaulay和Alexander首先開始了這方面的研究，取得了一定的突破，為吸能盒結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。20 世紀 90 年代，Han 和 Yamazaki［10－11］對吸能盒的形狀進行了研究，分別對圓管和方管吸能盒以及圓柱殼的吸能特性進行了分析。21世紀初，吸能盒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化已經(jīng)有了一定的突破。但在國內(nèi)，只有少數(shù)學者對吸能盒內(nèi)部結(jié)構(gòu)的抗撞性進行了研究。鐘志華院士等［12］為了研究汽車抗碰撞的性能，對相關(guān)的吸能部件和緩沖裝置進行了優(yōu)化，隨后有關(guān)吸能盒的研究才開始在國內(nèi)興起。目前，汽車上所應(yīng)用的吸能盒種類很多，結(jié)構(gòu)也各不相同，但各種結(jié)構(gòu)的吸能盒的抗撞性都不是很高。因此，本文按照吸能盒的設(shè)計原則，對吸能盒內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行改進，用有限元法對其進行計算機模擬碰撞實驗，根據(jù)吸能盒的吸能性的評價參數(shù)，對改進后的吸能盒與原結(jié)構(gòu)的吸能盒進行了對比分析。結(jié)果表明:具有內(nèi)部蜂窩孔結(jié)構(gòu)的吸能盒的抗撞性比原結(jié)構(gòu)的吸能盒有較大提高。

1 吸能盒的改進依據(jù)

1.1 吸能盒的設(shè)計原則

在車輛的正面碰撞過程中，吸能盒是最重要的吸能件，良好的吸能盒結(jié)構(gòu)可以在很大程度上改善車輛的被動安全性。汽車在城市道路上行駛時，車速較低，當發(fā)生正面碰撞時，碰撞產(chǎn)生的動能主要靠前橫梁和吸能盒來吸收，而撞擊產(chǎn)生的最大撞擊力主要靠吸能盒緩沖，以保護前縱梁及汽車發(fā)動機等主要部件不受損壞。由于吸能盒的吸能性主要靠撞擊產(chǎn)生的變形來實現(xiàn)，長度越長，吸收的能量越多，但如果長度過長，對汽車的造型方面又產(chǎn)生了不利影響。因此，吸能盒在設(shè)計時，應(yīng)使其在允許范圍內(nèi)能產(chǎn)生最大程度變形，即滿足吸能盒在最大變形位移的同時達到最大吸能效果。同時，由于汽車各部件的剛度不同，抵抗撞擊力的最大值也不同，如果吸能盒所承受的撞擊力超過限定值，那么超出的力將由和吸能盒連接的前縱梁承受，甚至會傳遞到其他部件，這樣就會造成部件損壞，增加了維修費用。如果吸能盒所承受的撞擊力沒有達到限定值，其他部件就不會發(fā)生損壞。但當發(fā)生高速碰撞時，由于吸能盒不能很好地吸收碰撞產(chǎn)生的全部動能，也會使其他部件遭到破壞，甚至會使車內(nèi)成員受到傷害。所以，吸能盒的結(jié)構(gòu)設(shè)計不但要在限定的撞擊力值下進行，還要盡量接近這個數(shù)值，才能使吸能盒達到最大的吸能效果。

綜上所述，為了使汽車吸能盒的吸能特性達到最大效果，吸能盒在結(jié)構(gòu)改進過程中應(yīng)該遵循以下原則:①盡量降低吸能盒的成本;② 碰撞過程中產(chǎn)生的全部動能最大程度地轉(zhuǎn)化為不可逆的變形能;③吸能盒應(yīng)該在單位變形長度內(nèi)吸能最多，即吸收單位能量時變形量小，使吸能效果最佳;④在發(fā)生碰撞過程中，使沖擊的最大撞擊力值小于規(guī)定的限制值;⑤吸能盒的吸能方式應(yīng)盡量穩(wěn)定，即變形模式穩(wěn)定，并可重復;⑥為了實現(xiàn)汽車的輕量化，在不影響吸能效果的前提下，吸能盒的質(zhì)量應(yīng)盡可能小。對吸能盒結(jié)構(gòu)改進方面最重要的一條原則是:在撞擊力許可的限度內(nèi)發(fā)生的變形量最小，即具有較平穩(wěn)的撞擊力－位移曲線。

1.2 吸能盒碰撞性能的評價參數(shù)

吸能盒在碰撞過程中的吸能特性起著至關(guān)重要的作用。為了使吸能盒的結(jié)構(gòu)改進達到最優(yōu)，在遵循吸能盒設(shè)計原則的同時，還提出了多種評價指標，其中最常用的是以下4種評價指標:

1)撞擊力峰值Fp

在吸能盒的設(shè)計原則中，要求接近但不能超過撞擊力許可值。這個許可值的確定是由汽車生產(chǎn)廠家根據(jù)車輛連接件的剛度不同而設(shè)定的。在汽車發(fā)生碰撞過程中，產(chǎn)生的最大撞擊力即撞擊力峰值可能出現(xiàn)在2個時刻:一是在剛發(fā)生碰撞導致吸能盒將要產(chǎn)生屈曲時，吸能盒處于臨界狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)的屈曲彈塑性決定著撞擊力峰值，因此吸能盒的結(jié)構(gòu)與最大撞擊力峰值息息相關(guān);二是在碰撞快結(jié)束時，吸能盒的變形量已經(jīng)達到最大，這時撞擊力會突然升高。在研究低速碰撞過程中，吸能盒的壓縮位移不會達到最大，所以撞擊力峰值只會在第1個時刻出現(xiàn)。

吸能盒在正面低速碰撞情況的力－位移曲線趨勢一般如圖1所示，圖2為簡化后的圖形。

圖1 吸能盒低速正面碰撞的力－位移曲線

圖2 簡化的力－位移曲線

圖2中:Fp為吸能盒的撞擊力峰值;Fm為平均撞擊力;δρ為對應(yīng)撞擊力峰值的變形量;δe為吸能盒的壓縮位移。由圖2可見:碰撞力峰值的減小對于提高吸能盒的抗撞性能十分重要。

2)吸收的總能量E

吸能盒在碰撞過程中吸收的總能量與撞擊力和壓縮位移有關(guān)，計算公式為

式中:F(s)為撞擊力;s為變形位移。

由此可見，吸能盒在單位壓縮長度內(nèi)吸收的能量越多，吸能盒的結(jié)構(gòu)抗撞性越好，車輛的被動安全性越高。

3)吸能盒壓縮位移

車輛在發(fā)生低速正面碰撞時吸能盒產(chǎn)生形變，可將碰撞產(chǎn)生的動能全部吸收。吸能盒未發(fā)生變形的空間越大，在高速碰撞時吸收的能量將會越多，從而使乘員艙的變形減小，乘員的安全能更好地得以保障。所以，在撞擊動能被全部吸收的前提下，壓縮位移越小越好。

4)平均撞擊力Fm

平均碰撞力Fm反映了吸能盒結(jié)構(gòu)在整個碰撞過程中的平均吸能情況，是對吸能盒吸能特性的總體反映。由于汽車造型的限制，吸能盒的變形空間也是有限的。當變形長度一定時，吸能盒吸收的能量會隨著平均撞擊力的增大而增大，從而更有利于對乘員的保護。因此，在滿足撞擊力峰值不超過撞擊力許可值的前提下，平均撞擊力應(yīng)盡可能大，其計算公式為

式中:E為吸收的能量;δe為吸能盒的壓縮位移。

2 吸能盒吸能特性仿真

2.1 吸能盒計算機仿真模型的建立

2.1.1 仿真模型材料參數(shù)的確定

在研究吸能盒結(jié)構(gòu)抗撞性的過程中，材料的選取非常重要。在沖擊載荷作用下，材料的強度、耐磨性以及延展性對結(jié)構(gòu)大變形過程中的沖擊力響應(yīng)都有直接的影響。隨著汽車輕量化的發(fā)展，材料的輕量化也十分重要，不僅可以減輕車身質(zhì)量、降低油耗、減輕污染、節(jié)約能源，也可以降低成本、增加企業(yè)利潤和提高企業(yè)競爭力。目前，大多數(shù)汽車的吸能部件都使用鋼質(zhì)材料，但鋼材存在一定的缺陷。姜正旭等［13－15］對不銹鋼和低碳鋼圓管的吸能特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)鋼質(zhì)材料在制造時需要焊接，會產(chǎn)生預應(yīng)力，在使用過程中容易出現(xiàn)開裂等現(xiàn)象，因而擠壓成型的材料的優(yōu)越性較明顯，其中鋁合金材料強度高，遠勝于軟鋼，也是常用最強力的合金之一。該材料的特點是強度高，可熱處理，具有良好的機械性能，使用性好，易于加工，耐磨性好，抗腐蝕性能、抗氧化性好，經(jīng)過熱處理后能達到較高的強度特性。鋁合金也是典型的可以通過擠壓成形的材料［16－17］。因此，本實驗的吸能盒采用鋁合金材料，材料的主要參數(shù)如表1所示。

表1 鋁合金材料的主要參數(shù)

2.1.2 仿真實驗條件

1)參數(shù)的選擇

根據(jù)SAE標準［18］中有關(guān)保險杠低速碰撞系統(tǒng)的相應(yīng)規(guī)定和標準，要求試驗車輛的沖撞速度達到15+1 km/h。研究發(fā)現(xiàn)，低速(16 km/h)正碰(以完全重疊剛性墻為例)時保險杠橫梁吸收的內(nèi)能占系統(tǒng)吸收總內(nèi)能的5%左右，吸能盒能夠吸收大約90%以上的能量，是主要的吸能部件。綜合正面碰撞兼顧低速RCAR標準低速碰撞法規(guī)，本實驗采用質(zhì)量為1 000 kg的剛性材料長方體(材料參數(shù)見表2，長1 000 mm，寬1 000 mm，厚500 mm)沿軸向以16 km/h(即4.44 m/s)的速度撞擊吸能盒，撞擊力許可值為160 kN，其中碰撞產(chǎn)生的動能，即吸能盒低速碰撞過程中要吸收的動能的計算公式為:E

表2 剛性板的材料參數(shù)

2)結(jié)構(gòu)的改進

本文依據(jù)上海大眾某款車型的吸能盒，對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行了改進。原吸能盒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為中空，現(xiàn)將其盒體內(nèi)部設(shè)為6個蜂窩孔結(jié)構(gòu)(孔的個數(shù)可依據(jù)不同車型進行變化)。依據(jù)計算機仿真實驗條件及吸能盒材料模型參數(shù)，構(gòu)建吸能盒計算機仿真模型。圖3為吸能盒原結(jié)構(gòu)，圖4為改進后的吸能盒結(jié)構(gòu)。

由圖3和4可以看出:改進后結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于6個蜂窩孔以縱向、平行、對稱、等間距的方式固定在吸能盒盒體內(nèi)。

圖3 吸能盒原結(jié)構(gòu)

圖4 改進后的吸能盒結(jié)構(gòu)

2.2 仿真實驗數(shù)據(jù)分析

2.2.1 變形對比分析

本文應(yīng)用LS-DYNA分析軟件，對吸能盒碰撞的整個過程進行了仿真模擬，得到了不同階段的形變情況。圖5～7為兩種結(jié)構(gòu)吸能盒變形時序圖，其中:(a)為改進前的吸能盒;(b)為改進后的吸能盒。

圖5 0.016 s的變形時序

圖6 0.022 s的變形時序

圖7 0.027s的變形時序

通過對以上3組不同時刻、兩種結(jié)構(gòu)的變形對比可見:當t=0.016 s時，兩種結(jié)構(gòu)吸能盒與碰撞塊接觸，碰撞剛要開始發(fā)生形變;當t=0.022 s時，圖(a)的變形量已經(jīng)開始大于圖(b)的變形量了;當t=0.027 s時，碰撞結(jié)束，可明顯看出(a)的變形量遠大于(b)的變形量。由前面吸能盒的碰撞評價參數(shù)分析可知:在相同撞擊力下，壓縮位移越小越好。因此，從變形圖分析可知:改進后的吸能盒吸能效果更明顯。

2.2.2 吸收能量的對比分析

當碰撞發(fā)生時，吸能盒主要利用吸收碰撞產(chǎn)生的能量來保護乘員安全。圖8為改進前后吸能盒碰撞過程中的能量吸收情況。由圖8可見:改進前吸能盒在0.062 s吸能結(jié)束，吸收的能量為9 778.97 J;改進后的吸能盒在0.029 s吸能結(jié)束，吸收的能量為9 856.80 J。改進后的吸能盒能在較短時間內(nèi)吸收更多的能量，可更有效地保護車內(nèi)乘員的安全。

圖8 改進前后吸能盒碰撞能量吸收情況

2.2.3 平均撞擊力對比分析

平均碰撞力能夠反映吸能盒在整個碰撞過程的吸能情況。圖9為改進前后碰撞過程中的位移變化情況。由圖9可見:當能量完全被吸收時，改進前的吸能盒的壓縮位移為0.048 m，改進后吸能盒的壓縮位移為0.006 1 m，可知改進前后吸收的能量分別為9 778.97 J、9 856.80 J，根據(jù)計算公式Fm=E/δe，可求出改進前后的平均撞擊力分別為2.037 ×102，16.16 ×102kJ/m?？梢姡倪M后吸能盒的平均撞擊力大于改進前，說明其抗撞性更優(yōu)。

圖9 改進前后碰撞位移變化

3 結(jié)束語

為了提高吸能盒在低速下的抗撞性能，將原低碳鋼薄管結(jié)構(gòu)的吸能盒用鋁合金材料替換，并做成蜂窩狀實體結(jié)構(gòu)。通過碰撞實驗仿真，對改進前后的吸能盒分別從能量、壓縮位移和平均撞擊力3方面進行吸能對比。結(jié)果表明:改進后的吸能盒的吸能性得到提高，更能有效地保護乘員安全。

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