王 偉，趙 禎，廉增博，仝真真，周震寰，徐新生

（1.大連理工大學(xué) 工程力學(xué)系，遼寧 大連 116024；2. 大連交通大學(xué) 機車車輛工程學(xué)院，遼寧 大連 116028）

0 引言

隨著中國經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，全國機動車保有量逐年攀升.機動車數(shù)量的增加不僅造成了交通擁堵、環(huán)境污染等問題，也頻頻引發(fā)交通事故，嚴重威脅人們的生命安全.為降低交通事故造成的傷害和損失，提高汽車的被動安全性能，對車體緩沖吸能結(jié)構(gòu)進行研究非常重要.薄壁結(jié)構(gòu)作為一種性能良好的緩沖吸能元件，在受到碰撞時易發(fā)生屈曲變形，通過塑性變形能夠吸收大量的能量，因此被廣泛應(yīng)用于各種運載工具的吸能裝置.

圓形薄壁管、正方形薄壁管、六邊形薄壁管等薄壁結(jié)構(gòu)是工程中最為常見的基本結(jié)構(gòu). BAROUTAJI A[1]等概述了多種截面形狀的薄壁結(jié)構(gòu)的能量吸收性能，包括正方形管、正六邊形管、正八邊形管等，并對不同載荷下的耐撞性能進行了研究.NIA A A[2]等研究了不同截面薄壁管在靜態(tài)壓縮試驗下的屈曲變形和能量吸收能力，結(jié)果表明正六邊形管的能量效果優(yōu)于三角形、矩形管、方管等.HOU S J等設(shè)計不同的正六邊形截面多胞管，其能量吸收性能相比于單胞管得到顯著提升[3-5].很多學(xué)者對正六邊形為基礎(chǔ)的蜂窩結(jié)構(gòu)進行能量吸收的研究，表明該結(jié)構(gòu)具有很好的能量吸收能力[6-11].

現(xiàn)有吸能裝置設(shè)計主要通過預(yù)制缺陷、設(shè)計多胞結(jié)構(gòu)、增加填充物等方法實現(xiàn).這種方法在提高吸能效果的同時，也改變了結(jié)構(gòu)的外形和整體質(zhì)量，因此在不改變吸能結(jié)構(gòu)外部幾何形狀的條件下，開發(fā)一種新型吸能裝置是非常必要的.表面納米化技術(shù)是通過特定的加工和處理對固體表面進行強化，改性和精細加工的先進方法.實驗結(jié)果表明，表面納米化后，材料的硬度、屈服極限、疲勞、磨損、耐腐蝕等力學(xué)性能得到顯著改善.該技術(shù)由LU K[12]等提出，通過表面機械研磨和超聲噴丸實現(xiàn)[13]，此后又發(fā)展形成了旋轉(zhuǎn)輥壓塑性變形、超音速微粒轟擊以及超聲沖擊等表面納米化技術(shù)[12,14].KONG D J[15]利用激光脈沖產(chǎn)生沖擊波使材料的晶粒細化，也制備出納米結(jié)構(gòu)表層.曲紹興[16]等對納米化結(jié)構(gòu)金屬材料的力學(xué)性能進行了研究.

因此，針對現(xiàn)有吸能結(jié)構(gòu)的特點和問題，提出一種新型的局部表面納米化六邊形薄壁吸能結(jié)構(gòu)，在不改變結(jié)構(gòu)形狀的情況下研究其吸能性能.

1 有限元模型

1.1 304不銹鋼經(jīng)表面納米化后的力學(xué)性能

304不銹鋼經(jīng)表面納米化處理（通過超聲沖擊處理技術(shù)來實現(xiàn)）后力學(xué)性能得到顯著提升，尤其是屈服強度和抗拉、壓強度的提升.依據(jù)國家標準《金屬材料拉伸試驗方法》（GB/T228.1-2010），對經(jīng)過超聲沖擊處理的304不銹鋼標準試件進行靜態(tài)拉伸試驗，數(shù)據(jù)處理后得到彈性模量、屈服強度、延伸率等力學(xué)參數(shù)，實驗數(shù)據(jù)如下：①未處理部分材料的彈性模量為180 GPa，屈服強度為283 MPa，延伸率為48%；②經(jīng)表面納米化后材料的彈性模量為190 GPa，屈服強度為600 MPa，延伸率為34%.處理前后的工程應(yīng)變應(yīng)力見圖1.由圖1和實驗數(shù)據(jù)，可見304不銹鋼材料經(jīng)超聲沖擊表面納米化處理后，彈性模量的變化很小.

圖1 304不銹鋼表面納米化前后拉伸 Fig.1 304 stainless steel surface before and after nanometer tensile

通過對上述數(shù)據(jù)的歸納總結(jié)，將表面納米化技術(shù)引入到六邊形管的吸能設(shè)計中，為下一步的數(shù)值模擬計算奠定基礎(chǔ).

1.2 基本模型的建立與驗證

將正六邊形管一端的六條邊設(shè)置為固定約束，另一端施加一運動速度為10 m/s的剛性質(zhì)量塊對其進行勻速的軸向壓縮，見圖2.

圖2 模型示意 Fig.2 sketch of model

通過1.1中的實驗數(shù)據(jù)，得到進行數(shù)值模擬所需的相關(guān)參數(shù).局部納米化六邊形薄壁管高200 mm，厚2 mm，截面為正六邊形，邊長50 mm.采用Ansys中的ls-dyna模塊進行模擬計算，殼體結(jié)構(gòu)為SHELL163殼單元，網(wǎng)格劃分采用四邊形單元，共劃分單元1.5×104個.納米化六邊形管的彈性模量取180 GPa，泊松比均取0.3，304不銹鋼的屈服強度取283 MPa，經(jīng)納米化后的304不銹鋼屈服強度為600 MPa.

1.3 局部納米化方案設(shè)計

薄壁結(jié)構(gòu)的設(shè)計當(dāng)中，提升能量吸收能力是首要目標，如何使薄壁結(jié)構(gòu)實現(xiàn)穩(wěn)定的屈曲變形也是非常重要的.局部表面納米化可在控制六邊形管屈曲模態(tài)基礎(chǔ)上提升吸能效果.在局部納米化方案中，以橫向條紋為基礎(chǔ)，設(shè)置環(huán)向?qū)ΨQ條紋和環(huán)向反對稱條紋方案，每種方案又分別設(shè)置了奇數(shù)條紋方式和偶數(shù)條紋方式，具體見圖3.圖3中，淺灰色部分為304不銹鋼原始表面區(qū)域，深灰色部分為經(jīng)表面納米化處理區(qū)域.

圖3 不同局部表面納米化方案 Fig.3 different local surface nanocrystallization case

局部納米化方案設(shè)計中，所有條紋均為等分條紋.表面納米化六邊形管件中偶數(shù)條紋的表面納米化區(qū)域與原始區(qū)域的總面積是相同的，條紋寬度、數(shù)量也相同.然而在奇數(shù)條紋方案中表面納米化區(qū)域的總面積大于原始區(qū)域.在奇數(shù)n等分條紋方案中，表面納米化區(qū)域有(n+1)/2個條紋，原始區(qū)域有(n-1)/2個條紋，兩個區(qū)域單個條紋的寬度和面積相同.

2 吸能特性

2.1 評價指標

薄壁結(jié)構(gòu)在沖擊過程中主要依靠屈曲變形吸收能量.本文中涉及的管件尺寸和材料均相同，因此以總的能量EA吸收來評價其吸能能力.另外，選取峰值載荷Pmax，平均壓縮力Pm和壓縮力效率CFE作為管件吸能特性的評價指標.其中，吸能通過載荷對有效位移積分求得，峰值載荷為位移-壓縮力曲線中第一個波峰的最大壓縮力，平均壓縮力是整個過程中載荷的均值，壓縮力效率是平均壓縮力與峰值載荷的比值.

2.2 條紋局部納米化六邊形管變形模式

由圖4中六邊形管的變形模式可知，六邊形管呈現(xiàn)出穩(wěn)定的漸進層疊的變形模式，隨時間變化不斷形成新的褶皺.由圖4（a）可知，原始六邊形管在變形過程中漸進地形成4個褶皺，對應(yīng)了圖5中其壓縮力的4個波峰；從圖4（b）可知，環(huán)向?qū)ΨQ表面納米化3條紋管上原始材料區(qū)域先發(fā)生屈曲形成褶皺，納米化區(qū)域后發(fā)生變形，六邊形管的6條棱邊承擔(dān)的壓力要大于側(cè)面；由圖4（c）可知，環(huán)向反對稱表面納米化7條紋管在屈曲變形過程中所形成的褶皺不同于原始管和環(huán)向?qū)ΨQ管，表現(xiàn)為納米化區(qū)域凹陷，原始區(qū)域發(fā)生外凸，沿截面交互形成褶皺.以上分析表明，通過設(shè)計納米化區(qū)域的分布可以調(diào)控六邊形管的屈曲模態(tài)，實現(xiàn)穩(wěn)定的、規(guī)律的變形模式.

圖4 局部納米化前后六邊形管的變形模式對比 Fig.4 comparison of deformation modes of hexagonal tubes before and after local nanocrystallization

2.3 局部納米化六邊形管吸能特性分析

對1.3中不同納米化方案的六邊形管件進行壓縮過程模擬，得到位移-壓縮力數(shù)據(jù)，見圖5～圖8.根據(jù)2.1中所述計算各項吸能指標，見表1、表2.在吸能特性分析中，吸能為主要評價指標，但初始峰值載荷、平均壓縮力及壓縮力效率也是非常重要的評價標準.因此，需要結(jié)合所有的指標對管件的吸能特性進行綜合評價.

圖5 環(huán)向?qū)ΨQ奇數(shù)條紋管位移-壓縮力 Fig.5 comparison force-displacement of symmetrical odd-numbered hexagonal tube

圖8 環(huán)向反對稱偶數(shù)條紋管位移-壓縮力 Fig.8 comparison force-displacement of antisymmetrical even-numbered hexagonal tube

表1 環(huán)向?qū)ΨQ條紋管件吸能特性的計算結(jié)果 Tab.1 simulation results of energy absorption indexes of symmetrical hexagonal tube

表2 環(huán)向反對稱條紋管件吸能特性的計算結(jié)果 Tab.2 simulation results of energy absorption indexes of antisymmetrical hexagonal tube

由表1中可知，局部納米化六邊形管的能量吸收EA較原始六邊形管得到顯著提升，最高達73%.由于奇數(shù)條紋管納米化面積大于偶數(shù)條紋管，奇數(shù)條紋管吸收能量整體上高于偶數(shù)條紋管.由圖5、圖6可知，對稱條紋管全程最大峰值載荷出現(xiàn)在壓縮過程的后半段，遠大于初始峰值載荷，且平均壓縮力較大，導(dǎo)致其壓縮力效率極高.

圖6 環(huán)向?qū)ΨQ偶數(shù)條紋管位移-壓縮力 Fig.6 comparison force-displacement of symmetrical even-numbered hexagonal tube

從吸能特性的各項評價指標綜合分析可知，環(huán)向反對稱條紋管整體吸能特性優(yōu)于環(huán)向?qū)ΨQ條紋管.由圖7、圖8中不同環(huán)向反對稱條紋六邊形管的位移-壓縮力曲線和表2中數(shù)據(jù)可知，2條紋管的初始峰值載荷最高.隨著條紋數(shù)量的增多，其吸能整體呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，在6條紋時吸能達到最大，為18.21 kJ，其壓縮力效率也達到最大，為70%.此外，初始峰值載荷也逐漸降低，最高降低24.8 kN.考慮吸能特性的各項指標，7條紋納米化六邊形管在吸能、初始峰值載荷、壓縮力效率等方面均表現(xiàn)優(yōu)異.從表2中可以看出，隨著條紋數(shù)量的增多，能量吸收、初始峰值載荷均趨于穩(wěn)定.

圖7 環(huán)向反對稱奇數(shù)條紋管位移-壓縮力 Fig.7 comparison force-displacement of antisymmetrical odd-numbered hexagonal tube

3 結(jié)論

（1）六邊形管呈現(xiàn)出穩(wěn)定的漸進層疊的變形模式，隨時間變化不斷形成新的褶皺.管的棱邊承擔(dān)的壓縮力要大于管側(cè)面.局部納米化六邊形管的變形模式為原始材料區(qū)域先屈曲，納米化區(qū)域后發(fā)生變形，可以控制管件屈曲模態(tài).

（2）局部納米化六邊形管的吸能、壓縮力效率要大于原始的六邊形管，其中，環(huán)向反對稱納米化的六邊形管的吸能特性要優(yōu)于環(huán)向?qū)ΨQ納米化六邊形管.

（3）對于環(huán)向反對稱的納米化六邊形管而言，隨著條紋數(shù)量的增多，其吸能整體呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，初始峰值載荷也逐漸降低.考慮吸能特性的各項指標，7條紋納米化六邊形管具有更好的吸能性能.