金萬(wàn)增，陳宗明

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司 汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

薄壁梁壓潰吸能是目前汽車吸能設(shè)計(jì)的主要手段，如何進(jìn)一步提升薄壁梁結(jié)構(gòu)的碰撞性能是碰撞安全領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

夾芯結(jié)構(gòu)作為輕質(zhì)多胞復(fù)合結(jié)構(gòu)，具有較高的壓縮空間、比剛度、比強(qiáng)度，可以有效改善薄壁梁的碰撞性能。ZAREI針對(duì)蜂窩夾芯方形薄壁梁面外壓縮工況，研究了比吸能和載荷效率。SAEED開(kāi)展蜂窩夾芯圓柱薄壁梁軸向壓縮性能多目標(biāo)優(yōu)化和敏感度分析研究。ZAREI發(fā)現(xiàn)蜂窩夾芯圓柱薄壁梁吸能特性優(yōu)于方形薄壁梁。林青霄開(kāi)展蜂窩夾芯薄壁梁結(jié)構(gòu)耐撞性優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，通過(guò)梯度填充方法提升碰撞性能。張勇研究了不同胞元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的蜂窩夾芯薄壁梁的吸能特性，其中交錯(cuò)排布三角形蜂窩夾芯薄壁結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能最優(yōu)。羅昌杰基于TRESCA 屈服準(zhǔn)則建立了蜂窩材料在異面壓縮載荷下的平均壓縮應(yīng)力理論模型。目前，針對(duì)蜂窩夾芯薄壁梁碰撞性能的參數(shù)研究較少。

本論文建立了漸進(jìn)損傷模型模擬蜂窩夾芯薄壁梁的碰撞性能。基于該模型，研究薄壁梁壁厚、截面寬度、碰撞角度對(duì)蜂窩夾芯薄壁梁吸能特性的影響規(guī)律，為蜂窩夾芯薄壁梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供參考。

1 蜂窩夾芯薄壁梁損傷模型

1.1 蜂窩芯材損傷

1.1.1 材料本構(gòu)關(guān)系

蜂窩芯材具有明顯的各向異性特性，其含損傷的本構(gòu)關(guān)系為

式中，σ為正應(yīng)力；σ為剪切應(yīng)力；ε為正應(yīng)變；ε為剪切應(yīng)變；C為剛度系數(shù)，其表達(dá)式為

式中，E為彈性模量；G為剪切模量；v為泊松比；d為剛度退化因子。

1.1.2 損傷起始準(zhǔn)則

采用BESANT準(zhǔn)則作為蜂窩芯材的失效準(zhǔn)則：

式中，為正應(yīng)力；、為剪切應(yīng)力；、分別為蜂窩芯材剪切強(qiáng)度；為蜂窩芯材面外強(qiáng)度。

1.1.3 剛度退化模型

本文采用參考文獻(xiàn)[11]提出的剛度退化模型描述蜂窩芯材損傷后剛度折減規(guī)律，退化因子如表1所示。

表1 蜂窩芯材剛度退化因子

1.2 膠層漸進(jìn)損傷

1.2.1 本構(gòu)關(guān)系

膠層采用ABAQUS基于表面的粘性接觸方法模擬，其本構(gòu)關(guān)系為

式中，σ為正應(yīng)力；σ和σ為剪切應(yīng)力；K為法向黏性剛度；K和K為切向黏性剛度；ε為正應(yīng)變；ε和ε為剪切應(yīng)變。

1.2.2 損傷起始準(zhǔn)則

膠層損傷起始采用二次名義應(yīng)力失效準(zhǔn)則：

1.2.3 損傷演化

采用基于能量的B-K準(zhǔn)則作為膠層損傷演化準(zhǔn)則：

2 有限元模型

2.1 模型描述

如圖 1所示，模型由薄壁梁、固定剛性板、活動(dòng)剛性板組成。薄壁梁一側(cè)與活動(dòng)剛性板固定連接，活動(dòng)剛性板附加460 kg 的質(zhì)量，并以50 km/h的初速度帶動(dòng)薄壁梁撞擊完全固定的固定剛性板?；鶞?zhǔn)薄壁梁截面寬度=80 mm，薄壁梁壁厚=2.5 mm，總長(zhǎng)度=240 mm，碰撞角度=0°。

圖1 有限元模型

本文采用ABAQUS/Explicit 求解器求解。固定剛性板與活動(dòng)剛性板采用離散剛體單元 R3D4模擬；蜂窩芯材采用等效方法建模，并采用三維八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元C3D8R模擬；薄壁梁采用三維八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元C3D8R模擬；膠層采用基于表面的粘性接觸方法模擬。膠層失效后，薄壁梁、蜂窩芯材的自接觸以及兩者之間的互相接觸采用通用接觸算法定義。

薄壁梁材料為EN AW-7108 T6鋁合金，力學(xué)性能參數(shù)詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[12]，蜂窩力學(xué)性能參數(shù)與膠層力學(xué)性能參數(shù)詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[13]。

3 碰撞性能參數(shù)

3.1 基準(zhǔn)薄壁梁碰撞性能

無(wú)夾芯薄壁梁與蜂窩夾芯薄壁梁的變形模式分別如圖2—圖3所示。由于蜂窩芯材與薄壁梁之間的耦合作用，蜂窩夾芯薄壁梁的折疊數(shù)量增加，變形模式更加穩(wěn)定。

圖2 無(wú)夾芯薄壁梁變形模式

圖3 蜂窩夾芯薄壁梁變形模式

圖4對(duì)比了蜂窩夾芯薄壁梁與無(wú)夾芯薄壁梁的碰撞力-位移響應(yīng)曲線，在經(jīng)歷碰撞力峰值后的平臺(tái)段，由于蜂窩芯材的支撐作用，蜂窩夾芯薄壁梁的碰撞力明顯高于無(wú)夾芯薄壁梁，吸能效率更高。

圖4 薄壁梁碰撞力-位移曲線

表2對(duì)比了無(wú)夾芯薄壁梁與蜂窩夾芯薄壁梁的碰撞力峰值、比吸能。蜂窩夾芯薄壁梁的碰撞力峰值增加9.5%，比吸能增加29.7%。

表2 無(wú)夾芯薄壁梁與夾芯薄壁梁碰撞性能

3.2 薄壁梁壁厚的影響

在基準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上，保持其他參數(shù)不變，研究薄壁梁壁厚對(duì)碰撞性能的影響。如圖5—圖6所示，蜂窩夾芯薄壁梁的碰撞力峰值、比吸能均高于無(wú)夾芯薄壁梁，且隨薄壁梁壁厚增加單調(diào)增加；但蜂窩夾芯薄壁梁相對(duì)于無(wú)夾芯薄壁梁的碰撞力峰值增幅總體上隨薄壁梁壁厚增加而減小，比吸能增幅隨薄壁梁壁厚增加大幅減小。

圖5 薄壁梁壁厚對(duì)碰撞峰值的影響

圖6 薄壁梁壁厚對(duì)比吸能的影響

3.3 截面寬度的影響

在基準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上，保持其他參數(shù)不變，研究截面寬度對(duì)碰撞性能的影響。如圖 7所示，蜂窩夾芯薄壁梁的碰撞力峰值隨截面寬度增加單調(diào)增加，蜂窩夾芯薄壁梁相對(duì)于無(wú)夾芯薄壁梁的碰撞力峰值增幅隨截面寬度增加而增加，但變化并不明顯。如圖 8所示，蜂窩夾芯薄壁梁的比吸能均高于無(wú)夾芯薄壁梁，且隨截面寬度增加單調(diào)減?。环涓C夾芯薄壁梁相對(duì)于無(wú)夾芯薄壁梁的比吸能增幅隨截面寬度增加大幅增加。

圖7 截面寬度對(duì)碰撞峰值的影響

圖8 截面寬度對(duì)比吸能的影響

3.4 碰撞角度的影響

在基準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上，保持其他參數(shù)不變，研究碰撞角度對(duì)碰撞性能的影響。當(dāng)碰撞角度增加時(shí)，薄壁梁的變形會(huì)從潰縮變形向彎曲變形過(guò)渡，首次發(fā)生彎曲變形的碰撞角度稱為臨界碰撞角度。蜂窩夾芯薄壁梁的臨界碰撞角度為12°，小于無(wú)夾芯薄壁梁的臨界碰撞角度（17°）。如圖9所示，蜂窩夾芯薄壁梁的碰撞力峰值均高于無(wú)夾芯薄壁梁，且隨碰撞角度增加單調(diào)減小。如圖10所示，蜂窩夾芯薄壁梁的比吸能隨碰撞角度增加單調(diào)減?。划?dāng)碰撞角度小于臨界碰撞角度時(shí)，蜂窩夾芯薄壁梁比吸能高于無(wú)夾芯薄壁梁；當(dāng)碰撞角度大于臨界碰撞角度時(shí)，蜂窩夾芯薄壁梁比吸能與無(wú)夾芯薄壁梁相當(dāng)。主要原因是，蜂窩芯材的面外壓縮剛度與面外壓縮強(qiáng)度遠(yuǎn)高于面內(nèi)方向，其吸能特性主要由面外剛度、面外強(qiáng)度決定，當(dāng)碰撞角度大于臨界碰撞角度時(shí)，蜂窩芯材隨薄壁發(fā)生彎曲變形，蜂窩無(wú)法通過(guò)面內(nèi)壓縮吸能，導(dǎo)致蜂窩夾芯薄壁梁比吸能大幅降低。

圖9 碰撞角度對(duì)碰撞峰值的影響

圖10 碰撞角度對(duì)比吸能的影響

4 結(jié)論

本文研究了薄壁梁壁厚、截面寬度、碰撞角度對(duì)蜂窩夾芯薄壁梁碰撞性能的影響。仿真結(jié)果表明：

（1）蜂窩夾芯可以有效提升薄壁梁的碰撞性能。

（2）隨著薄壁梁壁厚的增加，蜂窩夾芯薄壁梁的碰撞力峰值、比吸能均增加，但蜂窩夾芯薄壁梁相對(duì)于無(wú)夾芯薄壁梁的碰撞力峰值增幅、比吸能增幅均減小。

（3）隨截面寬度的增加，蜂窩夾芯薄壁梁碰撞力峰值單調(diào)增加，其相對(duì)于無(wú)夾芯薄壁梁碰撞力峰值的增幅也單調(diào)增加，但變化并不明顯；蜂窩夾芯薄壁梁比吸能單調(diào)減小，但其相對(duì)于無(wú)夾芯薄壁梁比吸能的增幅大幅增加。

（4）蜂窩夾芯薄壁梁彎折臨界角小于無(wú)夾芯薄壁梁；當(dāng)碰撞角度小于臨界碰撞角度時(shí)，蜂窩夾芯薄壁梁比吸能高于無(wú)夾芯薄壁梁；當(dāng)碰撞角度大于臨界碰撞角度時(shí)，蜂窩夾芯薄壁梁比吸能與無(wú)夾芯薄壁梁相當(dāng)。