莫易敏，韓楠楠，蘇東，徐敏，石志華,張青

(武漢理工大學機電工程學院，湖北武漢 430070)

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材料對薄壁梁吸能特性的影響研究

莫易敏，韓楠楠，蘇東，徐敏，石志華,張青

(武漢理工大學機電工程學院，湖北武漢 430070)

對薄壁梁的軸向吸能特性影響因素進行理論分析，比較SAPH370/590DP/B280VK三種材料特性，分別建立試件的有限元模型，利用數(shù)值模擬分析單帽梁動態(tài)壓潰過程的吸能特性，并進行了試驗驗證。結(jié)果表明：材料為SAPH370的單帽式薄壁梁總吸能及比吸能最大，在250 mm的壓潰位移過程中吸能穩(wěn)定而且變形充分，整體吸能效果受材料綜合性能的影響。

材料；薄壁梁；吸能特性

0 引言

當汽車進行48 km/h的100%正面碰撞時，前縱梁通過較為理想的軸向漸進迭縮變形可以吸收50%～70%的碰撞能量[1-2]，因此吸能薄壁梁對于汽車安全性的重要意義不言而喻，如何設計制造吸能特性更加優(yōu)良的薄壁吸能構(gòu)件也一直是汽車安全研究領域的重要課題。Minoru YAMASHITA等[3]利用落錘試驗分析了鋁制帽型截面薄壁梁的軸向壓潰過程，闡述了一種誘導產(chǎn)生首個塑性屈曲的方法，并論證了其有效性和對梁吸能特性的影響；Omer Masood QURESHI[4]利用商業(yè)前處理器HyperCrash和求解器RADIOSS研究復雜正弦特性波形板對梁吸能特性的影響，發(fā)現(xiàn)其有利于改變梁軸向壓潰過程中的屈曲模型并減少屈曲波長；G M NAGEL等[5-6]通過試驗與仿真對薄壁梁吸能特性的優(yōu)化做出了相關(guān)研究；王冠群等[7-8]通過對汽車前縱梁進行有限元仿真和具體的實車試驗，系統(tǒng)分析了其耐撞性，并結(jié)合遺傳算法進行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，提高了縱梁的吸能效果和穩(wěn)定性；湖南大學的崔杰等人[9]通過分析DP600的材料不確定性，基于Kriging近似模型的穩(wěn)健性分析方法，最終發(fā)現(xiàn)材料特性波動對于碰撞力峰值影響較大。

作者結(jié)合具體的仿真與試驗，分析比較B280VK、SAPH370和590DP三種材料對于單帽式薄壁梁軸向吸能特性的影響，指導汽車安全部件的優(yōu)化研究，提高汽車碰撞安全性能。

1 吸能特性評價指標

汽車在正面碰撞過程中，為了能夠具體評價薄壁梁結(jié)構(gòu)的吸能特性，研究人員提出了許多評價指標，其中常用的有沖擊力峰值Fpeak、平均沖擊力Fmean、總吸能E、比吸能Es等。

1.1 平均沖擊力Fmean

平均沖擊力，也稱平均壓潰載荷，是總吸能與壓潰距離的比值，通常與實際情況要求和限制條件有關(guān)，被用來評價壓潰過程的一致性。

(1)

式中：l是壓潰距離， F(s)為壓潰距離為s時的壓潰力。

1.2 沖擊力峰值Fpeak

沖擊力峰值，即整個變形沖擊過程中的最大壓潰載荷。根據(jù)吸能結(jié)構(gòu)的彈塑性屈曲情況不同，沖擊力峰值可能出現(xiàn)在碰撞過程的初始階段，即結(jié)構(gòu)剛剛產(chǎn)生屈曲或迭縮時；也可能出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)壓縮進入實密化階段，壓潰載荷快速上升到高值。由于初始階段峰值與整個系統(tǒng)中乘員或物品傷害有密切關(guān)系，因此實際研究中通常采用初始階段的峰值，并且在設計吸能結(jié)構(gòu)時要求其小于一個閥值，減小對系統(tǒng)中乘員和物品傷害的影響。

1.3 比吸能Es

比吸能是指材料在單位質(zhì)量下吸收能量的大小，是碰撞吸能過程中材料利用率的度量參數(shù)，其表達式為：

(2)

其中：E為壓潰過程吸收的總能量；m、Δl分別為被壓縮梁的質(zhì)量和壓縮長度；ρ、A、l分別為縱梁密度、橫截面面積和總長度。

通常使用比吸能這個參數(shù)對比研究不同材料或不同結(jié)構(gòu)形式的吸能裝置(結(jié)構(gòu))在能量吸收方面的效率，并結(jié)合經(jīng)濟、性能等因素選出合適的材料與結(jié)構(gòu)。一般來說，其值越高越好。

2 材料參數(shù)及單帽梁幾何結(jié)構(gòu)

2.1 材料參數(shù)

采用寶鋼生產(chǎn)的SAPH370、590DP和B280 VKB280VK三種材料進行對比試驗研究，具體材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)表

2.2 單帽梁幾何結(jié)構(gòu)

以軸向長度400 mm的單帽型薄壁梁作為研究對象，截面大小為85 mm×85 mm，鋼板厚度1.4 mm，具體截面幾何尺寸如圖1所示。利用Hypermesh進行有限元仿真模型的建立，利用顯式非線性有限元程序LS-DYNA進行數(shù)值模擬分析。

圖1 單帽梁截面尺寸示意圖

3 仿真過程分析

3.1 試驗裝置仿真模型

對薄壁梁軸向壓潰吸能特性的研究采用落錘試驗。落錘試驗是目前國內(nèi)外檢測和評定有關(guān)金屬材料的重要研究方法，具體試驗內(nèi)容為：使質(zhì)量為200 kg的落錘從距試件頂端9.84 m的高度沿導軌垂直下落，以50 km/s的速度接觸試件。其中，落錘質(zhì)量根據(jù)實際試驗裝置可調(diào)。為了試驗分析的一致性，各試件的最大壓潰位移均設定為250 mm，在這段位移中，各梁在壓潰過程中壓潰力穩(wěn)定、可比性強。

落錘試驗裝置仿真模型如圖2所示，利用上、下剛性面模擬落錘和工作臺。其中單帽梁的仿真模型如圖3所示，采用4節(jié)點5 mm的Belytschko-Tsay殼單元(shell 163)建立，厚向取5個積分點，整個模型共包含27 602個節(jié)點，單元總數(shù)為27 160，利用Connectors-spot面板創(chuàng)建與網(wǎng)格不關(guān)聯(lián)的焊點。根據(jù)試驗樣本設計的需要，薄壁梁仿真分析過程中，設置1號試件材料為SAPH370，2號試件材料為590DP，3號試件材料為B280VK。

圖2 落錘試驗裝置 圖3 單帽梁仿真模型

位于試件上端的剛性面進行勻速下壓施加載荷，賦予其50 km/s的初速度，約束除Z軸方向以外的5個自由度。通過無質(zhì)量剛性梁焊點模型連接試件下端與下剛性面，并約束下剛性面的6個自由度以固定工作臺。采用自動單面接觸算法(CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE)模擬薄壁件受壓過程中發(fā)生的所有接觸，其中剛性面與薄壁件設置為面-面自動接觸，而試件在軸向迭縮過程中會產(chǎn)生自身接觸，此處設置為單面自動接觸。

LS-DYNA采用面內(nèi)單點積分，計算效率高，但整個過程中若存在單元形變，使節(jié)點位移不為0，則會導致“沙漏”情況產(chǎn)生，對于彈性剛度和黏性阻尼，文中采用軟件默認數(shù)值控制沙漏模態(tài)的產(chǎn)生。

3.2 變形過程對比分析

1號試件、2號試件與3號試件的潰縮變形情況分別如圖4—6所示。自落錘接觸試件上頂端，位移為150 mm時，1號試件與3號試件的褶皺數(shù)目相同，比較均勻且形狀較小，能量吸收比較充分。在前100 mm的壓潰變形過程中，材料SAPH370與B280VK對單帽梁軸向吸能特性的影響程度相近，從變形趨勢可看出1號試件的吸能效果略優(yōu)于3號試件。經(jīng)過相同潰縮位移時，2號試件的褶皺數(shù)目相對較多，且褶皺形狀較大，并且呈現(xiàn)不均勻潰縮變形的趨勢，吸能程度不如1號試件與3號試件充分，說明在前100 mm的變形過程中，590DP相對于SAPH370與B280VK，對單帽梁的軸向吸能特性的正面影響較差。

在變形位移為200 mm時， 1號試件與3號試件的潰縮吸能情況要優(yōu)于2號試件，1號試件與3號試件的褶皺形狀比較規(guī)則均勻，且1號試件褶皺數(shù)目較少，疊縮更充分，漸近式潰縮變形的趨勢更好，即SAPH370相比B280VK更有利于單帽梁的軸向壓潰變形；2號試件的整體變形較穩(wěn)定，但是褶皺形狀不均勻，焊接邊內(nèi)陷幅度較大，更容易產(chǎn)生焊點撕裂導致吸能效果驟降。在200 mm的壓潰變形過程中，材料590DP變形模式表現(xiàn)最差，SAPH370最好。

圖4 1號試試件SAPH370帽梁變形圖

圖5 2號試試件590DP帽梁變形圖

圖6 3號試試件B280VK帽梁變形圖

變形位移為250 mm時，1號試件的吸能效果最理想，軸向疊縮情況相比2號試件與3號試件最緊致均勻，褶皺數(shù)目最少，且焊接邊無焊點撕裂情況產(chǎn)生；2號試件與3號試件的褶皺形狀相對較大，吸能程度相對1號試件較低，在吸收相同碰撞能量的過程中，2號試件與3號試件要產(chǎn)生更深度的變形。

結(jié)合3種材料參數(shù)，可見變形過程穩(wěn)定性與材料屈服強度、抗拉強度與彈性模量的耦合影響有關(guān)。根據(jù)公式(2)，由于文中Δl、A、l均為定值，因此材料的吸能效率和其平均沖擊力Fmean與密度ρ的比值呈正相關(guān)。

4 試驗分析

4.1 試驗驗證

采用湖南大學土木工程學院自行設計搭建的落錘試驗設備進行試驗，實物如圖7所示。采用高采樣頻率傳感器測定錘頭加速度及位移曲線，并使用高速攝像設備對樣件的壓潰變形過程進行記錄。

圖7 落錘試驗裝置

各試件的具體試驗結(jié)果如圖8所示。各材料仿真與試驗的變形結(jié)果基本一致，證明文中所述對于這3種材料的單帽梁仿真方法基本正確。通過250 mm的整體軸向變形對比可見，SAPH370相比B280VK與DP590更有助于提升單帽梁軸向吸能特性，在實車正面碰撞過程中，若產(chǎn)生相同位移的潰縮，SAPH370相比B280VK與DP590吸能變形過程更穩(wěn)定，即更有利于汽車碰撞安全性能。

圖8 試驗變形結(jié)果圖

3種材料單帽梁在仿真過程中的沖擊力-位移曲線如圖9所示，試驗測得的各試件沖擊力-位移曲線如圖10所示。3種材料的試驗曲線與仿真曲線趨勢一致，契合度較高，進一步證明了仿真過程與結(jié)果分析的正確性和有效性，相似研究的仿真分析均可借鑒此方法進行。其中B280VK的試驗過程振蕩更加強烈，SAPH370與DP590的試驗過程比較穩(wěn)定。

圖9 仿真過程沖擊力-位移曲線圖

圖10 試驗過程沖擊力-位移曲線圖

3種材料試件的具體試驗數(shù)值如表2所示，可知3種材料各項參數(shù)的試驗值與仿真值誤差率均小于10%，滿足試驗精度要求。

表2 仿真試驗數(shù)據(jù)表

4.2 吸能特性分析

結(jié)合表2及圖10可知材料為SAPH370的試件沖擊力峰值最大，而材料為B280VK的試件沖擊力峰值最小，因此B280VK更有益于在汽車碰撞過程中減少對車內(nèi)乘員和物品的損害。

在前150 mm的潰縮變形過程中，1號試件的沖擊力均大于2號試件與3號試件；在150～250 mm的變形吸能過程中，1號試件與2號試件的平均沖擊力大致相等，并且均大于3號試件。除在100 mm變形位移附近有小幅波動外，3號試件的沖擊力在整個壓潰變形過程中保持三者最小值。整個過程中平均沖擊力Fmean大小如表2所示。SAPH370的單帽梁平均沖擊力相比DP590高出14%，相比B280VK高出31%。根據(jù)表1與第3.2節(jié)中對于公式(2)的分析，由于SAPH370的密度最小，平均沖擊力Fmean最大，則其材料利用率必然最高，與試驗結(jié)果相一致。其中，SAPH370比吸能相比DP590高出14%，相比B280VK高出31%，與材料平均沖擊力的比例相同，說明材料密度的微小差別對于薄壁梁吸能效率的影響很小，可以忽略不計。這也充分證明，影響薄壁件材料安全特性的主要因素為屈服強度、抗拉強度與彈性模量的耦合。

自落錘開始接觸試件頂端至250 mm變形位移的過程中，單帽梁總吸能1號試件吸能最多、3號試件最少，以SAPH370為材料的單帽梁軸向壓潰吸能過程穩(wěn)定而且充分，吸能效率最高；以B280VK為材料的單帽梁，軸向壓潰過程中變形模式優(yōu)于DP590，然而由于DP590材料綜合性能的影響，其試件截面平均沖擊力較大，因此整體吸能效果要優(yōu)于B280VK。

5 結(jié)論

對SAPH370、590DP 和B280VK三種材料的帽型截面梁進行建模，利用LS-DYNA仿真落錘試驗過程中3種材料對梁軸向吸能特性的影響，得出如下結(jié)論：

(1)材料為SAPH370的薄壁梁平均沖擊力較大，整個變形吸能過程均勻穩(wěn)定，有利于提高以此材料所制汽車前縱梁的碰撞安全性能。但是初始壓潰階段的沖擊力峰值也較大，相比590DP與B280VK則不利于車內(nèi)乘員的保護。

(2)材料對于薄壁梁吸能特性影響與材料綜合性能有關(guān)。材料密度之間的細微差別對于薄壁梁的漸近疊縮變形模式和吸能效率影響較小。

(3)通過具體試驗與仿真結(jié)果對比，驗證了文中仿真方法的有效性。其中，SAPH370與590DP的仿真精度更高。由于實際試驗過程中產(chǎn)生振蕩，導致試驗所得沖擊力-位移曲線與仿真曲線存在一定誤差。

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Absorption Characteristics of Thin-walled Beams with Different Materials

MO Yimin, HAN Nannan, SU Dong, XU Min, SHI Zhihua, ZHANG Qing

(School of Mechanical and Electronic Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan Hubei 430070,China)

The influencing factors of the energy absorption characteristics of thin-walled beams were theoretically analyzed.Finite element analysis was used to compare the energy absorption efficiency of thin-walled beams with different materials, that referred to SAPH370,590DPand B280VK. Furthermore,experiment verification was made. The results are as follows: SAPH370 is more helpful in crash safety，which absorbs the most energy and holds the best deformation process among the three under the same conditions; the general absorption efficiency is affected by the comprehensive properties of the materials.

Materials; Thin-walled beams; Absorption characteristics

2015-11-30

莫易敏(1960—)，男，博士，教授，博士研究生導師，主要研究方向為摩擦學。E-mail：moyimin@whut.edu.cn。

韓楠楠， E-mail：hnn0204@163.com。

U463.32+6

A

1674-1986(2016)02-005-05