楊 昆，王江波，鄒 健，任明杰

（遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，錦州 121000）

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，涉及汽車正面碰撞的交通事故占事故總數(shù)的一半以上，而在正面碰撞過(guò)程中，吸能盒作為汽車吸能的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，發(fā)揮著重要的作用。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究，徐鳴濤等[1]研究表明管件液壓成型的吸能盒比沖壓成型的吸能盒耐撞性更好。陳有松等[2]探討了吸能盒潰縮槽間距對(duì)吸能盒式防撞梁吸能特性的影響。彭杰[3]通過(guò)落錘沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證了仿生吸能盒比普通吸能盒的吸能特性更好。Chen[4]認(rèn)為吸能盒設(shè)計(jì)誘導(dǎo)槽的尺寸與位置對(duì)縱梁碰撞性能有很大影響。Belin[5]對(duì)金屬保險(xiǎn)杠橫梁在低速碰撞下的響應(yīng)進(jìn)行了研究，討論了吸能盒厚度以及加強(qiáng)筋等因素對(duì)其性能的影響。Han[6]的研究結(jié)論顯示，當(dāng)誘導(dǎo)槽的位置一定時(shí)，誘導(dǎo)槽的尺寸比其形狀和方向?qū)ξ芰康挠绊懜黠@。

目前，在吸能盒結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究中，涉及截面傾斜角度的內(nèi)容較少，并且對(duì)單排、口狀誘導(dǎo)槽的開設(shè)位置和深度開展優(yōu)化研究的內(nèi)容較少。由之前的研究成果可知，采用仿真的方法模擬落錘沖擊吸能盒的試驗(yàn)是可行的。因此，本文以某型號(hào)SUV汽車的吸能盒為研究對(duì)象，采用Hypermesh建立吸能盒落錘試驗(yàn)有限元模型，首先以提高吸能效果為目標(biāo)，對(duì)吸能盒的截面形狀和傾斜角度進(jìn)行優(yōu)化。然后以降低載荷峰值為目標(biāo)，采用響應(yīng)面分析的方法分析吸能盒誘導(dǎo)槽的開設(shè)位置和深度，以提高吸能盒的耐撞性和吸能速度，降低峰值碰撞載荷，對(duì)提高整車低速碰撞安全性具有一定的實(shí)際意義。

1 汽車吸能盒的結(jié)構(gòu)參數(shù)及有限模型的建立

選取某型號(hào)SUV轎車的吸能盒為研究對(duì)象，其原型尺寸為10×10cm，壁厚1.5mm，材料為Q235低碳鋼，材料的性能參數(shù)如表1所示。在Hypermesh軟件中建立吸能盒落錘沖擊仿真模型，如圖1所示。吸能盒選用薄壁殼單元，約束其下方所有節(jié)點(diǎn)的全部自由度。落錘板設(shè)置為剛體材料，質(zhì)量為2000kg，具有垂直向下10km/h的初速度[8，9]。

表1 Q235低碳鋼性能參數(shù)

圖1 應(yīng)變率0.01時(shí)的低碳鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線

吸能盒的外殼選用雙線性彈塑性材料MATL24，其采用Cowper-Symonds模型來(lái)模擬材料的應(yīng)變率效應(yīng)，其計(jì)算公式為：

式中，σd為動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力，σ0為靜態(tài)屈服應(yīng)力，為應(yīng)變率，C、P為材料的應(yīng)變率系數(shù)。在已有關(guān)于薄壁鋼管的動(dòng)載荷撞擊研究中[7]，材料參數(shù)取值為C=6844s-1，P=3.91。圖1為應(yīng)變率0.01時(shí)的低碳鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線。

圖2 吸能盒落錘試驗(yàn)

2 汽車吸能盒結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 吸能盒截面設(shè)計(jì)

依據(jù)該車的前縱梁截面尺寸，分別設(shè)計(jì)了圓形、正方形和正六邊形三種截面，其有限元模型如圖3所示。

圖3 三種截面的吸能盒模型

分別對(duì)三種不同截面的吸能盒進(jìn)行落錘試驗(yàn)仿真，獲取它們的吸能特性曲線如圖4所示。

圖4 三種截面的吸能盒吸能曲線

從圖3中可以看到，三種截面的吸能盒最終吸收的能量非常接近。因此，引入比吸能來(lái)描述三種截面吸能盒的吸能效果，比吸能越大，單位質(zhì)量吸收的能量越多，吸能盒吸能效果越好。三種不同截面吸能盒的質(zhì)量和最終吸能量，計(jì)算它們各自的比吸能，如表2所示。

表2 三種截面的吸能盒比吸能統(tǒng)計(jì)

由表2可知，正方形截面的吸能盒比吸能最小，在三種吸能盒中，吸能效果最差；圓形截面的吸能盒吸能效果比正方形好；截面為正六邊形的吸能盒比吸能遠(yuǎn)大于其他兩種截面，每千克吸收能量20722.22J，吸能效果最好。因此，吸能盒的截面應(yīng)選擇正六邊形。

2.2 汽車吸能盒傾斜角度設(shè)計(jì)

分別建立側(cè)面與底面夾角為90°、85°、80°和75°四種正六邊形截面的吸能盒的有限元模型，如圖5所示。

圖5 四種傾斜角度的吸能盒有限元模型

分別進(jìn)行落錘仿真試驗(yàn)，獲取它們的能量吸收曲線和變形位移曲線，如圖6所示。

由圖6(a)可知，不同夾角的吸能盒的吸能總量基本一致，但吸能盒傾斜角為80°時(shí)，吸收能量所用的時(shí)間最短。由圖6(b)可知，不同夾角的吸能盒吸收相同能量產(chǎn)生的壓縮位移不同。在一定范圍內(nèi)，壓縮位移隨傾斜角度的減小而減小。當(dāng)傾斜角度小于臨界值后這一規(guī)律不再適用，如75°夾角時(shí)，吸能盒的壓縮位移增大。這是因?yàn)閮A斜角度過(guò)小的吸能盒在碰撞中不能發(fā)生良好的潰縮變形。四種夾角的吸能盒中，80°傾角時(shí)，吸能盒壓縮位移最小。研究表明，選擇合適的傾斜角度，可以使吸能盒在碰撞中，更快的變形，在縮短吸能時(shí)間的同時(shí)提高吸能盒的耐撞性。因此，當(dāng)吸能盒的傾斜角為80°時(shí)，在碰撞中可以更快的吸收能量，且具有較大的吸能空間。

圖6 不同夾角的吸能盒

2.3 汽車吸能盒誘導(dǎo)槽優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.3.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

相關(guān)研究表明，在汽車正面碰撞中，吸能盒的載荷大小影響整車的加速度變化，載荷峰值越大，加速度峰值也越大。因此，在吸能盒設(shè)計(jì)時(shí)希望載荷峰值盡可能的減小，吸能量盡可能的增大。落錘試驗(yàn)中，吸能盒未被完全壓潰，載荷峰值出現(xiàn)在碰撞初期。對(duì)無(wú)誘導(dǎo)槽的吸能盒進(jìn)行落錘試驗(yàn)仿真，獲取相關(guān)結(jié)果如表3所示。

表3 無(wú)誘導(dǎo)槽吸能盒仿真結(jié)果

誘導(dǎo)槽的開設(shè)位置和深度對(duì)吸能盒的載荷峰值和吸能量有較大影響且影響程度遠(yuǎn)大于誘導(dǎo)槽的寬度和長(zhǎng)度[10～12]。誘導(dǎo)槽的寬度不應(yīng)超過(guò)薄壁梁的半波長(zhǎng)長(zhǎng)度，且當(dāng)長(zhǎng)寬比大于0.67時(shí)，薄壁梁件在碰撞過(guò)程中才可能表現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)的軸向壓潰變形[13]。限于網(wǎng)格大小的約束，將誘導(dǎo)槽的寬度定為15mm，長(zhǎng)度定為25mm。有研究結(jié)果表明[14～16]，在滿足一定尺寸和位置的前提下，棱上開孔或開誘導(dǎo)槽都可以有效的起到誘導(dǎo)變形和降低峰值的作用。因此，誘導(dǎo)槽的開設(shè)位置及尺寸如圖7所示。采用正交試驗(yàn)方法，選取影響吸能盒載荷峰值的兩個(gè)因素：開設(shè)位置距離頂面的距離q和誘導(dǎo)槽深度h。試驗(yàn)因素和水平如表4所示。

表4 因素水平表

圖7 誘導(dǎo)槽開設(shè)位置及尺寸

根據(jù)表4中的兩個(gè)影響因素，通過(guò)改變誘導(dǎo)槽的開設(shè)位置距離頂面的距離q和誘導(dǎo)槽深度h的不同水平對(duì)吸能盒的誘導(dǎo)槽進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。分別進(jìn)行落錘仿真試驗(yàn)，獲取每次試驗(yàn)吸能盒的載荷峰值和吸能量，仿真結(jié)果如表5所示。

表5 仿真試驗(yàn)結(jié)果

2.3.2 響應(yīng)面分析

根據(jù)仿真試驗(yàn)結(jié)果，采用最小二乘法，構(gòu)造的吸能盒的載荷峰值與位置和深度的二次響應(yīng)面函數(shù)為：

式中，F(xiàn)為載荷峰值，q為誘導(dǎo)槽的位置，h為誘導(dǎo)槽的深度。對(duì)上式分別進(jìn)行擬合度檢驗(yàn)，計(jì)算得出系數(shù)R2和調(diào)整決定系數(shù)R2adj為：

計(jì)算結(jié)果表明，響應(yīng)面函數(shù)的擬合程度比較好。在MATLAB中構(gòu)造的響應(yīng)面如圖8所示。

圖8 載荷峰值F的響應(yīng)面

由式(2)可知，當(dāng)p為18.28mm，h為8.173mm時(shí)載荷峰值F最小，為132.4kN。由于工藝要求，將吸能盒誘導(dǎo)槽的優(yōu)化尺寸取整得p=18mm，h=8mm，最終確定的吸能盒結(jié)構(gòu)參數(shù)如表6所示。

表6 吸能盒設(shè)計(jì)參數(shù)

3 汽車吸能盒耐撞性能有限元分析

根據(jù)表6中的設(shè)計(jì)參數(shù)，建立優(yōu)化后的吸能盒有限元模型并進(jìn)行仿真試驗(yàn)，獲取優(yōu)化前后載荷變化曲線如圖9所示。

圖9 吸能盒載荷變化曲線

仿真結(jié)果表明，吸能盒載荷峰值由141.73kN降低為132.72KN，比優(yōu)化前降低了9.01KN。優(yōu)化后，吸能盒共吸收能量7648.6J，比優(yōu)化前多吸收了4.8J。達(dá)到最大吸能量的時(shí)間為44ms，說(shuō)明增加誘導(dǎo)槽后吸收能量的速度加快。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)LS-DYNA軟件建立吸能盒落錘試驗(yàn)有限元模型，對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)吸能盒的的耐撞性能進(jìn)行探究。取得的主要結(jié)論如下：1）無(wú)誘導(dǎo)槽時(shí)，正六邊形、圓形和正方形三種截面的吸能盒中，正六邊形截面的比吸能最大為20722.22J，吸能效果較好。2）不同傾斜角度下的吸能盒，吸收相同能量所用的時(shí)間不同。在一定范圍內(nèi)，壓縮位移隨傾斜角度的減小而減小，當(dāng)傾斜角度小于臨界值后這一規(guī)律不再適用。四種不同傾斜角度的正六邊形截面吸能盒中，當(dāng)傾斜角為80°時(shí)，吸收相同能量所用的時(shí)間最短。壓縮位移最小，具較大吸能空間。3）添加誘導(dǎo)槽可以降低吸能盒的載荷峰值。不同的誘導(dǎo)槽參數(shù)對(duì)耐撞性能影響較大，對(duì)于長(zhǎng)度為100mm，壁厚為1.5mm，夾角為80°的六邊形截面吸能盒，當(dāng)誘導(dǎo)槽的位置為18mm，深度為8mm時(shí)，吸能盒的載荷峰值較小。