劉宇, 郝琪, 田鈺楠, 崔宏偉

(湖北汽車工業(yè)學院 汽車工程學院,湖北十堰 442002)

與傳統(tǒng)材料相比,具有負泊松比效應的材料及結(jié)構在受到拉伸時會發(fā)生側(cè)向膨脹,這種反常的“拉脹”行為使負泊松比蜂窩材料具有更高的抗沖擊、抗剪和能量吸收能力[1]。在汽車碰撞中負泊松比結(jié)構在有效變形吸能的同時,材料出現(xiàn)致密收縮,能夠有效減小壓潰量,極大地調(diào)節(jié)了吸能與壓潰距離間的矛盾,具有良好吸能及耐撞性的負泊松比結(jié)構研究對于汽車碰撞保護及輕量化極為重要。

在對負泊松比結(jié)構的研究中,國內(nèi)外學者針對宏觀物理模型進行設計,得到了滿足負泊松比變形特性的結(jié)構[2]。岑神德[3]對負泊松比蜂窩結(jié)構進行了沖擊試驗,試驗結(jié)果與仿真吻合較好;Qiang等[4]對凹角六邊形等結(jié)構進行了對比研究,研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)凹角結(jié)構雖然具有穩(wěn)定的能量吸收效果,但由于空隙率過大,能量吸收仍未達到理想狀態(tài)。負泊松比結(jié)構有待不斷完善,對應的試驗研究較少。在負泊松比結(jié)構應用方面,Wang等[5]將針對汽車前端吸能盒進行了應用研究,研究結(jié)果表明負泊松比填充結(jié)構可以提高汽車前端保護性能。周冠[6]對雙箭頭負泊松比結(jié)構進行了系統(tǒng)的研究,并將其應用至整車碰撞領域,結(jié)果表明應用雙箭頭型負泊松比結(jié)構吸能盒,可以有效減少碰撞對于乘員艙的損害。現(xiàn)階段負泊松比結(jié)構在整車上的應用大多針對傳統(tǒng)汽車,對電動汽車,尤其是小型車填充尚未涉及。

本研究基于課題組前期優(yōu)化研究的某弧邊負泊松比結(jié)構[7],對2×2的蜂窩結(jié)構進行靜態(tài)壓縮試驗,針對試驗過程中的結(jié)構變形形式[8-9]進行試驗與仿真分析。進一步將其與傳統(tǒng)凹角負泊松比結(jié)構設計對比,分別形成填充芯,填充于某小型電動汽車前端吸能盒結(jié)構內(nèi),進行正面100%重疊碰撞應用研究,從B柱加速度、吸能量、前端壓潰量、駕駛室侵入量對比分析了前后兩種填充方式及該結(jié)構與傳統(tǒng)結(jié)構后填充之間耐碰撞性的差異。

1 負泊松比結(jié)構試驗研究

1.1 試驗及仿真設置

圖1所示為傳統(tǒng)凹角六邊形負泊松比結(jié)構,圖2所示為本文所采用的弧邊負泊松比結(jié)構,與傳統(tǒng)結(jié)構相比,該弧邊結(jié)構在內(nèi)部增加了兩個支撐桿,胞元兩側(cè)由凹角改為圓弧,意在降低傳統(tǒng)結(jié)構的空隙率,在增加變形吸能的同時適當提高致密度。該結(jié)構在受到外部沖擊后變形初始階段,兩側(cè)結(jié)構產(chǎn)生向內(nèi)部誘導變形的作用,圓弧相較于凹角誘導作用有所降低,兩側(cè)抵抗變形的能力略有增加;變形較大時傳統(tǒng)結(jié)構內(nèi)部空間較大,變形較為迅速,抗沖擊能力較弱,而弧邊結(jié)構內(nèi)部存在支撐桿,該支撐桿的厚度小于外部結(jié)構厚度,既可以起到傳遞上下載荷并抵消左右側(cè)弧邊變形的作用,又不足以完全抵消左右側(cè)弧邊的變形力,最終形成上下側(cè)、左右側(cè)同時向中間收縮,呈現(xiàn)出負泊松比結(jié)構雙向收縮的變性特性。

圖1 傳統(tǒng)凹角六邊形結(jié)構

圖2 設計區(qū)域有限元模型

圖2中,T1和T2分別為單個胞元外側(cè)及兩內(nèi)桿厚度;L1為胞元長;L2為連接桿長;h為結(jié)構高;θ為弧夾角, 其表征為弧切線與相鄰邊夾角。使用Q235鋼,考慮到實際加工問題,最終采用的加工數(shù)據(jù)如下:T1=2 mm,T2= 1.2 mm,L1=37 mm,L2=25 mm,h=40 mm,θ=48°,總質(zhì)量為0.17 kg。采用CMT5205型電子萬能試驗機進行靜態(tài)壓縮試驗,壓縮速度為2 mm/min。

仿真模型與加工后模型的尺寸及整體質(zhì)量保持一致。為與試驗進行對比,采用固定速度的剛體單元對負泊松比仿真模型進行壓縮[10],剛體及負泊松比蜂窩結(jié)構均采用實體單元離散,剛體附加500 kg的質(zhì)量,采用MAT20號材料進行模擬,以保證蜂窩結(jié)構達到足夠的變形。負泊松比蜂窩結(jié)構材料采用MAT24號多線段彈塑性材料進行模擬。剛性墻與蜂窩結(jié)構、蜂窩結(jié)構與地面均使用面面接觸方式,模型整體采用自動單面接觸形式[11]。仿真采用LS-DYNA求解器進行計算,仿真模型如圖3所示,為便于分析將模型劃分為5個區(qū)域,如圖所示A、B、C、D、E區(qū)。

圖3 仿真模型

1.2 試驗及仿真結(jié)果對比

以縱向應變?yōu)闃藴蕦Ρ茸冃吻闆r,試驗及仿真結(jié)構變形對比如圖4所示。

圖4 試驗與仿真變形圖

在壓縮開始階段,結(jié)構未發(fā)生較大變形,屬于彈性變形階段,此時圖5中試驗與仿真力變形形式一致,且達到第一峰值時的峰值力試驗與仿真誤差小于3%。

圖5 位移-力曲線

隨著結(jié)構繼續(xù)變形,從圖4a)時的變形圖可以看到結(jié)構變形呈現(xiàn)沿中軸的對稱性,D、E區(qū)開始失穩(wěn)并且向內(nèi)部收縮變形,且其外角均出現(xiàn)上翹,說明C區(qū)在傳力過程中,起著重要傳力通道作用;A、B區(qū)由于D、E區(qū)的潰縮弧邊并未向內(nèi)部收縮,反而被下部結(jié)構拉直;仿真模型C區(qū)相接,并出現(xiàn)較大的抵抗作用,導致圖5在位移8 mm處曲線出現(xiàn)了小的升高,該階段試驗中C區(qū)雖然初始出現(xiàn)抵抗作用,但并未維持較長時間就出現(xiàn)錯動,如圖4b)所示,該升高趨勢逐漸消失;試驗與仿真曲線及變形初期變化趨勢一致。

隨著D區(qū)向內(nèi)部繼續(xù)收縮變形,C區(qū)結(jié)構被拱起并向上部移動,進而接觸到C區(qū)上部連接桿;E區(qū)則與之相反,向下變形接觸到C區(qū)下部連接桿。在縱向應變達到0.36時,如圖4c)所示,左右側(cè)結(jié)構出現(xiàn)上下變形形式,即左側(cè)結(jié)構與上連接桿接觸,右側(cè)結(jié)構與下連接桿接觸,抵抗作用進一步加強,力曲線隨著抵抗作用的增強而不斷上升;此時試驗與仿真曲線數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差,這是由于C區(qū)試驗時下部桿被E區(qū)抵住,從中間出現(xiàn)彎曲,而仿真中E區(qū)抵住C區(qū)略偏左位置,整體彎曲變形較小,承載力較高。考慮到非線性區(qū)材料性質(zhì)及摩擦等因素,曲線整體變化趨勢一致,局部變形形式差異在可接受范圍內(nèi)。從圖4變形情況可以看出,結(jié)構在橫向及縱向上皆出現(xiàn)了向中部收縮變形的形式,負泊松比蜂窩結(jié)構一般會呈現(xiàn)出典型的X型變形特性,本次研究所加工結(jié)構整體近似呈現(xiàn)倒V型[12],這是由于結(jié)構胞元數(shù)目較少,無法呈現(xiàn)完整的X型變性特性。通過試驗與仿真的變形及力數(shù)據(jù)對比來看,結(jié)構整體變形形式一致,初始階段的力偏差極小,對標情況較好。

2 負泊松比結(jié)構應用研究

2.1 整車碰撞模型

目前電動汽車領域發(fā)展前景廣闊,而負泊松蜂窩填充芯在電動汽車領域的應用研究較少,尤其是微、小型車由于前端尺寸有限,碰撞條件更加惡劣,碰撞加速度高,負泊松比結(jié)構的使用有利于改善該類型車輛的碰撞特性。針對某小型兩座電動汽車進行正面100%重疊碰撞進行應用研究,基于C-NCAP正面碰撞試驗標準采用碰撞速度為48 km/h,圖6a)所示為整車模型,圖6b)為前端負泊松比蜂窩結(jié)構填充部位,該車輛前端保險杠后的吸能盒與縱梁采用一體結(jié)構,前端可供吸能空間的整體尺寸與傳統(tǒng)汽車相比較小。

圖6 車輛有限元模型

圖7為整車碰撞的能量圖,總能量守恒,沙漏能小于總能量的5%,整車碰撞模型有效。圖8所示為未填充負泊松比結(jié)構的前端結(jié)構碰撞變形圖,保險杠在碰撞中被壓扁,吸能盒在誘導槽的作用下逐級壓潰,隨后縱梁結(jié)構發(fā)生折彎[13]。

圖7 整車碰撞能量圖

圖8 原結(jié)構碰撞前端變形圖

2.2 填充模型及方式

在圖2結(jié)構的基礎上進行旋轉(zhuǎn)組合,形成如圖9所示的弧邊結(jié)構填充芯,對圖1中最優(yōu)結(jié)構的[3]凹角六邊形結(jié)構同樣進行組合填充[14],用于對比新型弧邊結(jié)構與最優(yōu)傳統(tǒng)結(jié)構在應用中的差異,填充芯的整體尺寸數(shù)據(jù)如表1所示。

圖9 填充結(jié)構示意圖

表1 填充芯數(shù)據(jù)

由于兩種最優(yōu)化結(jié)構的尺寸差異,為保證胞元結(jié)構的完整性,兩種填充芯尺寸略有差異,弧邊結(jié)構填充芯質(zhì)量為0.739 kg,傳統(tǒng)凹角六邊形結(jié)構填充后質(zhì)量增加0.603 kg?？紤]輕量化,本次填充時,填充芯未填滿前端縱梁,前縱梁可填充長度為368.5 mm,填充量占可填充長度的76.5%。比較兩種填充方式,一種為從前端填充,另一種為從后端填充,如圖10所示。填充后進行整車正面碰撞。

圖10 兩種填充方式

2.3 正面碰撞結(jié)果分析

B柱加速度對于汽車的耐撞性具有重要意義,峰值越低,乘員越能得到更好的保護,碰撞設計中應盡量降低B柱加速度的峰值[15]。由圖11可以看出未填充負泊松比結(jié)構的車輛正面碰撞加速度峰值為54.08 g,進行弧邊結(jié)構后填充后的加速度峰值為48.36 g,下降了10.6%;而前填充的加速度峰值與未填充時基本一致,這是由于前填充的填充芯過于靠近保險杠,在吸能盒變形時增加了該部位的抗沖擊剛度,導致吸能盒誘導變形未完全時就發(fā)生了折彎,折彎后結(jié)構整體的吸能效果降低,加速度峰值降低較小。

圖11 不同填充方式加速度對比圖

因此,作為填充芯,負泊松比結(jié)構的壓縮致密性不利于前端變形吸能,在耐撞性結(jié)構設計中不宜放在前端,而后填充方式對于改善加速度峰值具有更好的應用效果。基于以上結(jié)果,為研究弧邊負泊松比結(jié)構與傳統(tǒng)內(nèi)凹六邊形結(jié)構耐碰撞特性的優(yōu)劣,對兩種負泊松比結(jié)構均采用后填充方式,對比100%正面碰撞時的碰撞特性參數(shù),車輛碰撞B柱加速度結(jié)果如圖12所示。

圖12 不同填充芯后填充時B柱加速度

兩種結(jié)構后填充的B柱加速度峰值基本一致,出現(xiàn)的時間有所差異,增加的吸能材料及弧邊結(jié)構比傳統(tǒng)結(jié)構體現(xiàn)出更好的沖擊吸能效果,在未增加加速度峰值的同時,達到了能夠更快的將能量吸收完全的效果,加速度較快達到峰值。表2所示比吸能表征為吸能量與質(zhì)量的比值,弧邊結(jié)構后填充吸能最多,傳統(tǒng)結(jié)構雖然也采用了后填充方式,但其吸能量與弧邊結(jié)構前填充基本一致,考慮質(zhì)量后,弧邊結(jié)構后填充的比吸能要高于其余結(jié)構,該結(jié)構比吸能效果較好。該車由于縱梁后端連接一剛度較大的三角支撐結(jié)構,導致0.046 s處會出現(xiàn)一個加速度小峰值。未填充模型在縱梁變形吸能后,僅三角支撐結(jié)構參與抗沖擊,相較進行填充的結(jié)構,剛度較低,故峰值較低;而增加填充結(jié)構后,圖11中弧邊結(jié)構前填充與圖12中傳統(tǒng)結(jié)構后填充峰值皆有所增大,前者是由于較早發(fā)生了折彎,填充結(jié)構材料集中,且不易變形,間接增加了結(jié)構剛度;傳統(tǒng)結(jié)構則由于抗沖擊性能不足,較快達到變形極限,材料較快發(fā)生集中,剛度增加;弧邊結(jié)構后填充抗沖擊性能較強,結(jié)構整體變形比傳統(tǒng)結(jié)構緩慢,這正是該處峰值出現(xiàn)的時間較晚且后期加速度較高的原因。

表2 吸能數(shù)據(jù)

前端碰撞數(shù)據(jù)見表3,表3中弧邊結(jié)構后填充方式的車輛碰撞后前端壓潰量最多,但駕駛室的侵入量是最低的,駕駛室侵入量比未填充時降低了22%,較傳統(tǒng)結(jié)構填充后降低了11%。在汽車碰撞設計中,良好的設計方案應使前端結(jié)構盡可能多的吸收能量,減少傳遞至駕駛室的能量,同時降低駕駛室的侵入量,保障乘員有效生存空間。該結(jié)構利用負泊松比特性碰撞受壓收縮有效吸能,后期利用壓縮致密性提高剛度,降低駕駛室侵入量。

表3 前端碰撞數(shù)據(jù)

綜上,弧邊結(jié)構比傳統(tǒng)結(jié)構吸能抗沖擊性能較好,而后填充方式比前填充方式應用效果更好,相較傳統(tǒng)結(jié)構在加速度峰值相同時,收縮密實效果可以在有效吸能的同時保證駕乘安全空間。

3 結(jié)論

1) 針對弧邊負泊松比結(jié)構進行了試驗與仿真對比分析,力峰值誤差小,整體變形形式基本一致,中部變形形式由于外部因素干擾有所差異。

2) 整車碰撞加速度峰值前填充方式與未填充時差異不大,傳統(tǒng)結(jié)構峰值與弧邊結(jié)構后填充基本一致。負泊松比結(jié)構填充可以有效降低碰撞強度,但填充時仍需注意降低前端剛度,保證前端充分變形吸能,需要合理布置填充位置。

3) 通過應用負泊松比填充芯,整車的耐撞性能得到了顯著的改善,弧邊結(jié)構在得到較低的加速度峰值時具有更少的駕駛室侵入量。基于其對耐撞性效果的提升,為汽車前端吸能盒部位尺寸進行再設計提供了可行空間,這對于汽車輕量化及乘員保護皆具有較高的應用價值。