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(jī)車(chē)車(chē)輛工程學(xué)院，遼寧 大連 116028）

0 引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，全國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)保有量逐年攀升.機(jī)動(dòng)車(chē)數(shù)量的增加不僅造成了交通擁堵、環(huán)境污染等問(wèn)題，也頻頻引發(fā)交通事故，嚴(yán)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(chē)的被動(dòng)安全性能，對(duì)車(chē)體緩沖吸能結(jié)構(gòu)進(jìn)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(shí)易發(fā)生屈曲變形，通過(guò)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(yùn)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(jiàn)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(duì)不同載荷下的耐撞性能進(jìn)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(yàn)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(jì)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(duì)正六邊形為基礎(chǔ)的蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jì)主要通過(guò)預(yù)制缺陷、設(shè)計(jì)多胞結(jié)構(gòu)、增加填充物等方法實(shí)現(xiàn).這種方法在提高吸能效果的同時(shí)，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(kāi)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(guò)特定的加工和處理對(duì)固體表面進(jìn)行強(qiáng)化，改性和精細(xì)加工的先進(jìn)方法.實(shí)驗(yàn)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(guò)表面機(jī)械研磨和超聲噴丸實(shí)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(xì)化，也制備出納米結(jié)構(gòu)表層.曲紹興[16]等對(duì)納米化結(jié)構(gòu)金屬材料的力學(xué)性能進(jìn)行了研究.

因此，針對(duì)現(xiàn)有吸能結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和問(wèn)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(guò)超聲沖擊處理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)）后力學(xué)性能得到顯著提升，尤其是屈服強(qiáng)度和抗拉、壓強(qiáng)度的提升.依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《金屬材料拉伸試驗(yàn)方法》（GB/T228.1-2010），對(duì)經(jīng)過(guò)超聲沖擊處理的304不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，數(shù)據(jù)處理后得到彈性模量、屈服強(qiáng)度、延伸率等力學(xué)參數(shù)，實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(qiáng)度為600 MPa，延伸率為34%.處理前后的工程應(yīng)變應(yīng)力見(jiàn)圖1.由圖1和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可見(jiàn)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(guò)對(duì)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(jì)中，為下一步的數(shù)值模擬計(jì)算奠定基礎(chǔ).

1.2 基本模型的建立與驗(yàn)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(yùn)動(dòng)速度為10 m/s的剛性質(zhì)量塊對(duì)其進(jìn)行勻速的軸向壓縮，見(jiàn)圖2.

圖2 模型示意 Fig.2 sketch of model

通過(guò)1.1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到進(jìn)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(zhǎng)50 mm.采用Ansys中的ls-dyna模塊進(jìn)行模擬計(jì)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(gè).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(qiáng)度取283 MPa，經(jīng)納米化后的304不銹鋼屈服強(qiáng)度為600 MPa.

1.3 局部納米化方案設(shè)計(jì)

薄壁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，提升能量吸收能力是首要目標(biāo)，如何使薄壁結(jié)構(gòu)實(shí)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(chēng)條紋和環(huán)向反對(duì)稱(chēng)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(jiàn)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(jì)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(gè)條紋，原始區(qū)域有(n-1)/2個(gè)條紋，兩個(gè)區(qū)域單個(gè)條紋的寬度和面積相同.

2 吸能特性

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

薄壁結(jié)構(gòu)在沖擊過(guò)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(lái)評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)指標(biāo).其中，吸能通過(guò)載荷對(duì)有效位移積分求得，峰值載荷為位移-壓縮力曲線(xiàn)中第一個(gè)波峰的最大壓縮力，平均壓縮力是整個(gè)過(guò)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(jìn)層疊的變形模式，隨時(shí)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(guò)程中漸進(jìn)地形成4個(gè)褶皺，對(duì)應(yīng)了圖5中其壓縮力的4個(gè)波峰；從圖4（b）可知，環(huán)向?qū)ΨQ(chēng)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(duì)稱(chēng)表面納米化7條紋管在屈曲變形過(guò)程中所形成的褶皺不同于原始管和環(huán)向?qū)ΨQ(chēng)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(guò)設(shè)計(jì)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(shí)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(duì)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(duì)1.3中不同納米化方案的六邊形管件進(jìn)行壓縮過(guò)程模擬，得到位移-壓縮力數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖5～圖8.根據(jù)2.1中所述計(jì)算各項(xiàng)吸能指標(biāo)，見(jiàn)表1、表2.在吸能特性分析中，吸能為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).因此，需要結(jié)合所有的指標(biāo)對(duì)管件的吸能特性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià).

圖5 環(huán)向?qū)ΨQ(chēng)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(duì)稱(chēng)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(chēng)條紋管件吸能特性的計(jì)算結(jié)果 Tab.1 simulation results of energy absorption indexes of symmetrical hexagonal tube

表2 環(huán)向反對(duì)稱(chēng)條紋管件吸能特性的計(jì)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(dá)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(duì)稱(chēng)條紋管全程最大峰值載荷出現(xiàn)在壓縮過(guò)程的后半段，遠(yuǎn)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(chēng)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(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合分析可知，環(huán)向反對(duì)稱(chēng)條紋管整體吸能特性?xún)?yōu)于環(huán)向?qū)ΨQ(chēng)條紋管.由圖7、圖8中不同環(huán)向反對(duì)稱(chēng)條紋六邊形管的位移-壓縮力曲線(xiàn)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(shì)，在6條紋時(shí)吸能達(dá)到最大，為18.21 kJ，其壓縮力效率也達(dá)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(xiàng)指標(biāo)，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(duì)稱(chēng)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(jìn)層疊的變形模式，隨時(shí)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(duì)稱(chēng)納米化的六邊形管的吸能特性要優(yōu)于環(huán)向?qū)ΨQ(chēng)納米化六邊形管.

（3）對(duì)于環(huán)向反對(duì)稱(chēng)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(shì)，初始峰值載荷也逐漸降低.考慮吸能特性的各項(xiàng)指標(biāo)，7條紋納米化六邊形管具有更好的吸能性能.