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        對(duì)汽車吸能盒的設(shè)計(jì)與研究

        2022-11-01 06:39:06任夢(mèng)董萬(wàn)鵬李佳意張吉超
        農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程 2022年10期
        關(guān)鍵詞:混合結(jié)構(gòu)鋁制鋪層

        任夢(mèng),董萬(wàn)鵬,李佳意,張吉超

        (201620 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué) 材料工程學(xué)院)

        0 引言

        隨著人們生活質(zhì)量的不斷提高,汽車的使用量以及擁有量在不斷增加,安全、節(jié)能和環(huán)保是汽車發(fā)展的三大主題,而安全顯得尤為重要[1]。為了提高汽車的安全性能,研究者們通過(guò)多種努力來(lái)提高汽車的耐撞性,從而減小對(duì)人體的傷害。在國(guó)外許多學(xué)者很早就對(duì)金屬材料部件等進(jìn)行研究,從而來(lái)提高汽車部件碰撞性能[2-4]。良好的耐撞性需要具有足夠小的質(zhì)量、較低的碰撞峰值力以及能夠吸收大部分的能量[5],所以對(duì)薄壁管的研究就極具價(jià)值。Minoru[6]等研究發(fā)現(xiàn),截面邊數(shù)不同,吸能性能便存在一定的差距。邊數(shù)增加,吸能提升。但是,邊界值為6 和11,當(dāng)大于11 時(shí),會(huì)有很大的初始峰值,小于6 時(shí),結(jié)構(gòu)的失效模式就會(huì)變得更難控[7];譚麗輝[8]對(duì)不同截面的結(jié)構(gòu)進(jìn)行沖擊模擬仿真,結(jié)論相似,發(fā)現(xiàn)相對(duì)而言六邊形具有較好的性能。在此基礎(chǔ)上,有不少研究者對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)引進(jìn)不同的折紙圖案進(jìn)行壓潰研究。隨著汽車輕量化的研究,近年來(lái)用碳纖維復(fù)合材料(CFRP)代替金屬材料以及CFRP 與金屬混合結(jié)構(gòu)的研究也越來(lái)越多,且輕量化效果顯著[9]。但是對(duì)于引入折紙圖案的吸能盒,大多都是針對(duì)金屬材料的研究,很少有人對(duì)復(fù)合材料下的該結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

        本文對(duì)引入折紙圖案的六邊形折紙結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬,分析不同因素對(duì)吸能盒碰撞性能的影響,從而得到具有優(yōu)異性能的吸能盒,為汽車被動(dòng)安全研究提供參考。

        1 幾何結(jié)構(gòu)

        本文中對(duì)六邊形薄壁結(jié)構(gòu)以及引進(jìn)折紙圖案的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,折紙圖案是全鉆石圖案[10],如圖1 所示。圖1(a)是一個(gè)基本單元展開(kāi)后的具體形狀。在上下2 條平行線之間由三角形和菱形構(gòu)成,虛線部分表示谷底的折痕,實(shí)線部分代表山脈折痕。對(duì)平板結(jié)構(gòu)折疊便可得到一個(gè)基本單元,如圖1(b)所示。

        圖1 中:h——基本單元的高度;l——一個(gè)基本單元展開(kāi)后的高度;b——2 個(gè)相鄰頂點(diǎn)之間的距離;θ——二面角。當(dāng)b,h 為確定值時(shí),θ也是固定不變的,并可以得到該數(shù)值與其他參數(shù)之間的關(guān)系為:

        對(duì)于總高度一定的吸能盒,不同邊長(zhǎng)、不同數(shù)量基本單元、不同單元高度h 都會(huì)對(duì)應(yīng)不同的θ值,這些變量可能會(huì)對(duì)性能有不同程度的影響。根據(jù)吸能盒在實(shí)際生活中的應(yīng)用,總長(zhǎng)L 取值120 mm,b取值為25 mm。為方便后期的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,采用厚度為0.6 mm 的六邊形折紙結(jié)構(gòu)。選用折紙結(jié)構(gòu)的本單元數(shù)量為4 進(jìn)行研究,用h-40 表示該結(jié)構(gòu),其中h 代表每個(gè)基本單元的高度,h-40 表示為每個(gè)基本單元的高度為40 mm,具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

        2 有限元模擬設(shè)置

        運(yùn)用SolidWorks 進(jìn)行吸能盒折紙結(jié)構(gòu)建模。將SolidWorks 中的模型文件以IGS 文件格式導(dǎo)入ABAQUS 軟件中,并用ABAQUS 建立2 塊剛性板模型,一塊作為底部支撐板,一塊作為沖擊板對(duì)吸能盒進(jìn)行壓潰,并對(duì)模型進(jìn)行材料屬性設(shè)置。金屬基體采用鋁合金7075,具體參數(shù)如表1 所示,碳纖維復(fù)合材料(CFRP)的材料參數(shù)如表2 所示。CFRP 結(jié)構(gòu)采用的是多層殼建模,每層殼代表真實(shí)的一層纖維層,每層纖維厚度為0.1 mm,且每層纖維之間通過(guò)厚度為0.01 mm 的粘接域單元進(jìn)行連接,并通過(guò)粘結(jié)層將金屬基體與CFRP 結(jié)構(gòu)連接在一起。金屬基體與CFRP 結(jié)構(gòu)網(wǎng)格大小均為2 mm×2 mm,上下板的網(wǎng)格大小為5 mm×5 mm,均為六面體單元網(wǎng)格劃分。

        表1 7075 鋁合金材料參數(shù)[11]Tab.1 Material parameters of 7075 aluminum alloy[11]

        表2 碳纖維復(fù)合材料(CFRP)的材料參數(shù)Tab.2 Material parameters of carbon fiber composites (CFRP)

        模擬主要通過(guò)控制壓縮位移和時(shí)間步長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn),壓縮位移取值為60 mm,時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.02 s。將吸能盒置于上下兩塊板之間,對(duì)底部支撐板進(jìn)行完全約束設(shè)置,保證固定不變,對(duì)沖壓板進(jìn)行位移約束,除z 軸方向外都進(jìn)行自由度的約束。對(duì)于接觸采用通用約束,不同材料之間的摩擦系數(shù)設(shè)置為0.15,法向設(shè)置為硬接觸。

        3 復(fù)合材料吸能盒的仿真分析

        對(duì)結(jié)構(gòu)h-40 引入碳纖維復(fù)合材料(CFRP)材料進(jìn)行模擬分析,對(duì)比研究鋁制結(jié)構(gòu)、CFRP 結(jié)構(gòu)以及 CFRP/AL 混合結(jié)構(gòu)的耐撞性,并對(duì)CFRP/AL混合結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同的鋪層角度設(shè)計(jì),研究不同鋪層角度對(duì)結(jié)構(gòu)耐撞性的影響,從而尋求最佳的鋪層角度設(shè)計(jì)。

        3.1 不同成分組合下的吸能盒的仿真分析

        分別對(duì)鋁制結(jié)構(gòu)、CFRP 結(jié)構(gòu)、CFRP/AL 混合結(jié)構(gòu)的3 種結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)軸壓模擬,具體纖維鋪層角度以及結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3 所示。

        表3 不同組成成分吸能盒的具體參數(shù)Tab.3 Specific parameters of energy absorption boxes with different components

        3 種結(jié)構(gòu)的壓縮過(guò)程分別如圖3、圖4、圖5所示。在準(zhǔn)靜態(tài)的加載下,3 種結(jié)構(gòu)的壓潰模式并不相同。鋁制結(jié)構(gòu)會(huì)觸發(fā)折紙結(jié)構(gòu)中的折痕模式,沿著折痕引導(dǎo)的方向進(jìn)行折疊,會(huì)在頂端發(fā)生規(guī)則的 “手風(fēng)琴”模式,進(jìn)行逐級(jí)壓潰,在中間部位有形成 “金剛石”模式的趨勢(shì);CFRP/AL 混合結(jié)構(gòu)由于受外部纖維結(jié)構(gòu)的影響,首先在每個(gè)基本單元中部會(huì)出現(xiàn)纖維的破裂,但并未掉落,隨著距離的增加,纖維發(fā)生斷裂、脫層。同時(shí),內(nèi)部金屬基體的變形在外部纖維的影響下,會(huì)從底部進(jìn)行不規(guī)則的變形,導(dǎo)致外部一側(cè)形成成片的斷裂層脫離金屬基體形成開(kāi)裂,其余部分的纖維仍附著在金屬基體上;CFRP 結(jié)構(gòu)與CFRP/AL 混合結(jié)構(gòu)的壓潰狀態(tài),在壓縮距離為15 mm 時(shí)有些相似,都會(huì)在底部出現(xiàn)纖維斷裂,隨著距離的增加,從底部開(kāi)始進(jìn)行逐層壓潰,過(guò)程中會(huì)有花瓣大小的纖維斷裂并脫落,而且由于內(nèi)部沒(méi)有金屬基體的支撐,在后期會(huì)發(fā)生輕微的偏塌。

        根據(jù)模擬得到的位移-力曲線(圖6)可知,在初始階段,3 種結(jié)構(gòu)都會(huì)在很短的時(shí)間達(dá)到最大峰值,隨后鋁制結(jié)構(gòu)、CFRP 結(jié)構(gòu)會(huì)迅速降低,鋁制結(jié)構(gòu)會(huì)在后面產(chǎn)生較大的起伏,不利于能量的吸收,而CFRP 結(jié)構(gòu)在初始峰值迅速降低后便保持較低的數(shù)值。相對(duì)的,CFRP/AL 混合結(jié)構(gòu)會(huì)比較緩慢地降低,并在后期不會(huì)出現(xiàn)過(guò)大的起伏,有利于能量的吸收。

        根據(jù)位移-能量曲線(圖7)也可以看出,CFRP 結(jié)構(gòu)的吸能量最低,幾乎起不到保護(hù)作用,而CFRP/AL 混合結(jié)構(gòu)的吸能量最大,甚至遠(yuǎn)大于鋁制結(jié)構(gòu)、CFRP 結(jié)構(gòu)兩者吸收能量之和。尤其是在壓縮位移為30 mm 時(shí),CFRP/AL 混合結(jié)構(gòu)與鋁制結(jié)構(gòu)相比,總吸收量提高了98.4%,可以很明顯地看出吸能量的增加。根據(jù)表3 中的評(píng)價(jià)參數(shù)可知,CFRP/AL 混合結(jié)構(gòu)的總吸收能、比吸能、平均峰值、壓縮效率都是最大值,與其它兩種情況相比都得到了提升,因此,在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下,3 種結(jié)構(gòu)的吸能性能最佳的是CFRP/AL 混合結(jié)構(gòu),其次是鋁制結(jié)構(gòu),最差的是CFRP 結(jié)構(gòu)。

        3.2 不同鋪層角度下吸能盒的仿真分析

        根據(jù)Feraboli[12]等人的研究結(jié)果可知,對(duì)于復(fù)合材料薄壁管,在準(zhǔn)靜態(tài)的軸向壓縮下,鋪層角度對(duì)其吸能性能有一定程度的影響,所以這里以15°為間隔值進(jìn)行的鋪層角度的設(shè)計(jì)。具體鋪層方案如表4 所示,研究不同鋪層角度對(duì)CFRP/AL 混合結(jié)構(gòu)耐撞性能的影響。

        表4 不同鋪層角度下吸能盒結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)Tab.4 Specific parameters of energy absorption box structure at different layering angles

        在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下,鋪層角度為0°以及15°的結(jié)構(gòu),壓縮過(guò)程基本相同,如圖5 所示,隨著位移的增加從下端開(kāi)始發(fā)生纖維斷裂,堆積在下方。由于受外部纖維影響金屬基體會(huì)發(fā)生不規(guī)則的壓潰,甚至纖維一側(cè)發(fā)生開(kāi)裂,完全暴露出金屬基體。角度為30°的結(jié)構(gòu)壓縮過(guò)程如圖8 所示。首先在底部進(jìn)行纖維的斷裂,隨著距離的增加從底部進(jìn)行逐級(jí)壓潰,且不會(huì)有纖維的脫落,在壓縮至60 mm時(shí)頂部出現(xiàn)了小部分的開(kāi)裂,但是面積不大,不太明顯。角度為45°,60°,75°,90°的結(jié)構(gòu)壓縮模式基本相同,這里以75°的壓縮為例。如圖9所示,先在接觸端進(jìn)行壓潰,隨著距離的增加,內(nèi)部的金屬向內(nèi)折疊,外部的纖維發(fā)生花瓣式的脫落,在45 mm 后會(huì)對(duì)下端結(jié)構(gòu)造成傷害,底端部分開(kāi)始發(fā)生不規(guī)則的變形。

        在軸向的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下,不同鋪層角度下的混合材料吸能盒的位移-力曲線有所不同。如圖10 所示,角度為0°,15°2 種情況下的吸能盒的位移-力曲線較為相似,都是會(huì)在出現(xiàn)初始峰值后迅速降低,但之后有一段時(shí)間角度為0°,15°的結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定在一定數(shù)值,不會(huì)有明顯起伏。對(duì)于角度為 30°的結(jié)構(gòu),曲線在初始峰值降低后會(huì)有比較均勻且穩(wěn)定的起伏,其承載力比較大。對(duì)于角度為45°,60°,75°,90°下,吸能盒的位移-力曲線較為相似,都有比較大的起伏,且初始峰值都有大幅度增加,不利于結(jié)構(gòu)的吸能。并且,根據(jù)位移-吸能曲線可以看出,不管鋪層角度為何值,混合結(jié)構(gòu)的吸能量相比鋁制吸能盒都得到了提升。如圖11 所示,不同角度下的吸能量不同,其中最終吸能量達(dá)到最大的是鋪層設(shè)計(jì)為30°時(shí)的混合結(jié)構(gòu)。

        由表4 的評(píng)價(jià)參數(shù)可知,隨著角度的增加,初始峰值在不斷增加,壓縮效率先增加;當(dāng)角度增加大于30°之后,隨著角度的增加壓縮效率在不斷減小,并且混合結(jié)構(gòu)與鋁制結(jié)構(gòu)相比,總吸能量、比吸能、平均峰值都有所提升,其中AL-1-COM-30 吸能量提升91.48%,比吸能提升24.03%,壓縮效率提升43.41%。綜合來(lái)看是性能最優(yōu)異的鋪層設(shè)計(jì)。

        4 結(jié)論

        在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下,鋁制結(jié)構(gòu)、CFRP 結(jié)構(gòu)以及CFRP/AL 混合結(jié)構(gòu)中耐撞性能最佳的是CFRP/AL混合結(jié)構(gòu),其次是鋁制結(jié)構(gòu),最差的是CFRP 結(jié)構(gòu)。

        在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下,不同鋪層角度下的吸能盒的耐撞性能各有差異,其中性能最為優(yōu)異的結(jié)構(gòu)AL-1-COM-30,其與鋁制吸能盒相比吸能量提升91.48%,比吸能提升24.03%,壓縮效率提升43.41%。

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