黃春曼

（廣東輕工職業(yè)技術學院機電工程系，廣東廣州 510300）

0 引言

隨著我國交通運輸業(yè)的發(fā)展，車輛運行速度不斷提高，同時發(fā)生車輛碰撞的數(shù)量和頻率也不斷上升，造成了大量人員傷亡和財產(chǎn)損失，因此，提高車輛的被動安全性對于保護乘客和貨物安全具有重要意義。目前，車輛上利用吸能結(jié)構(gòu)的塑性變形吸收車輛撞擊能量，從而保護乘客和貨物安全，使得吸能結(jié)構(gòu)設計成為車輛被動安全保護設計的一個重要方面，受到車輛結(jié)構(gòu)設計人員的重視。

薄壁管是一類常用的吸能元件，W.Abramowicz對矩形柱殼在壓縮工況下的吸能行為，進行了實驗和理論分析，建立了四邊形柱殼的理想變形力學分析模型[1]。中南大學的姚松、高廣軍等對圓管、矩形管、多邊形管、錐管等管材，進行了沖擊吸能的數(shù)值模擬分析，為車輛吸能材料的設計和選擇提供了參考[2-4]。蘭州理工大學的喬及森等對鋁合金薄壁方管耐軸向撞擊性能進行研究[5]。這些研究主要是針對方管的軸向吸能行為，較少對管的橫向吸能性能進行研究，而在車輛前端有橫向方管作為防撞元件，其受撞后屈曲吸能行為沒有得到詳細研究。本文主要針對薄壁管的橫向性能進行數(shù)值模擬，為薄壁管橫向吸能結(jié)構(gòu)設計提供參考數(shù)據(jù)。

1 薄壁管橫向吸能分析

1.1 屈曲方程

薄壁管受到橫向沖擊時吸能是通過其本身屈曲變形實現(xiàn)的，這種屈曲現(xiàn)象用拉格朗日公式描述如下。

其中，[KT]表示切線剛度矩陣；[K0]表示常規(guī)有限元剛度矩陣；[KR]表示初應力剛度矩陣（或幾何剛度矩陣）；[KL]為初位移剛度矩陣（或大位移剛度矩陣）；[Kg]為載荷矩陣；{Δq}為節(jié)點位移增量。

1.2 薄壁管的幾何參數(shù)和計算參數(shù)

本文研究5 種不同形狀的橫截面（周長都相等）的薄壁結(jié)構(gòu)（如圖1 所示）。5 種薄壁結(jié)構(gòu)的橫截面周邊長均為314 mm，長度均為50 mm，壁厚均為2 mm，材料均為Q235鋼。5種薄壁結(jié)構(gòu)的單元尺寸分別取為：（1）R50 mm×50 mm、（2）78.5 mm×78.5 mm×50 mm、（3）60 mm×97 mm×50 mm、（4）97 mm×60 mm×50 mm、（5）6 mm×52.3 mm×50 mm。網(wǎng)格劃分每格約為2 mm。

圖1 5種橫截面的薄壁管有限元模型

邊界條件：管的徑向方向的一側(cè)固定約束，另一側(cè)采用剛性墻撞擊薄壁管，剛性墻質(zhì)量500 kg，撞擊速度為33.34 m/s，碰撞計算時間取30 ms。

1.3 計算結(jié)果分析

采用LS-DYNA 進行數(shù)值計算，碰撞發(fā)生1.2 ms 時薄壁結(jié)構(gòu)的變形如圖2 所示。從中可以看出，5種薄壁結(jié)構(gòu)的變形均為對稱變形模式。

圖2 碰撞發(fā)生1.2 ms時各薄壁管的變形

在各計算模型上選取Z 軸向三點A、B、C 對其Z 方向的應力進行比較發(fā)現(xiàn)（例如圖3 為④管的取點位置及各點的撞擊力曲線圖），可得①、②、③、④管都能在碰撞后迅速出現(xiàn)各自的峰值，并迅速回落，能快速平穩(wěn)地達到一個穩(wěn)定值，表明都能迅速吸收碰撞時的能量，不會出現(xiàn)太多反反復復的脈沖，形成不必要的震蕩及二次沖擊，⑤管沖擊后出現(xiàn)A 點持續(xù)的出現(xiàn)反反復復的脈沖，穩(wěn)定性較差。

圖3 ④管的取點位置及各點的撞擊力曲線圖

出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)前要經(jīng)歷一段比較長的時間歷程，而且在這段時間里會普遍出現(xiàn)振幅比較大，次數(shù)比較多的反反復復的脈沖，這樣會影響方管在碰撞時的穩(wěn)定性和產(chǎn)生不必要的二次沖擊，對人體造成不必要的傷害。

在各管中，最快進入穩(wěn)定狀態(tài)的是④管，其次是②管，第三是③管，表明④管能以最快的速度完成碰撞時的吸收能量的功能，并迅速達到穩(wěn)定狀態(tài)，是安全可靠的一種體現(xiàn)。

圖4為5種不同截面形狀的薄壁管橫向撞擊時的內(nèi)能—時間曲線，從各管內(nèi)能圖曲線可以看出：五種管碰撞后最終產(chǎn)生的內(nèi)能（即能夠最多吸收的碰撞能量）從大到小的順序為④管、③管、②管、⑤管、①管，吸收的能量為2.07 kJ>1.85 kJ>1.6 kJ>0.432 kJ>0.225 kJ。而且斜率越變?。ㄇ€變得平緩），表明沖擊時有效變形吸收能量的能力變差，變形有效時間變長，效果變差，對車體以及人體的沖擊就更大。因此上述分析的5 種薄壁管截面形狀中，④管97 mm×60 mm×50 mm尺寸的方管在受到橫向沖擊時能實現(xiàn)較大限度的吸能保護。

圖4 各模型的內(nèi)能比較

2 新型薄壁管結(jié)構(gòu)橫向吸能分析

2.1 預變形結(jié)構(gòu)的薄壁管橫向吸能分析

通過設置預變形結(jié)構(gòu)實現(xiàn)在薄壁管撞擊時誘導變形，本文采用將距薄壁管被撞擊面中部的位置進行剛度弱化形成一個V 形槽的預變形結(jié)構(gòu)，如圖5 所示，⑥管為圓管管壁設置V 形槽，⑦管為方管管壁設置V形槽。

圖5 預變形結(jié)構(gòu)

通過計算發(fā)現(xiàn)，采用預變形結(jié)構(gòu)的薄壁管在提升撞擊時吸能穩(wěn)定性方面有較大貢獻，使得撞擊過程中，撞擊應力波動不大，但由于預變形結(jié)構(gòu)等同于將結(jié)構(gòu)弱化，故吸能量（如圖6 所示的兩個預變形管的內(nèi)能曲線）也相應弱化，特別是方管結(jié)構(gòu)，吸能量明顯下降。

2.2 排疊薄壁管結(jié)構(gòu)橫向吸能分析

將三個圓管并排疊加焊接而成的結(jié)構(gòu)模型，稱為New model 1（下文簡稱為N1），如圖7 所示。計算1.2 ms后的變形如圖8所示。

通過計算比較發(fā)現(xiàn)，排疊結(jié)構(gòu)在5 ms 后撞擊力就保持平穩(wěn)狀態(tài)，而且內(nèi)能與相近周長的①管相比（如表1所示），吸能量有較大的提升，說明N1結(jié)構(gòu)有著更好的橫向耐沖擊性。

3 結(jié)論

（1）管截面形狀對薄壁管的橫向吸能行為產(chǎn)生影響，以橫向撞擊過程中的撞擊穩(wěn)定性和吸能量為評價指標，經(jīng)過比較分析，97 mm×60 mm×50 mm尺寸的方管在受到橫向沖擊時能實現(xiàn)較大限度的吸能保護。

圖7 N1 模型圖

圖8 N1在1.2 ms變形

表1 內(nèi)能比較

（2）對圓管和方管設置V 形槽的預變形結(jié)構(gòu)，計算發(fā)現(xiàn)，預變形結(jié)構(gòu)能夠提高薄壁管在撞擊過程中吸能穩(wěn)定性，但無法提升吸能量。

（3）將多個薄壁管排疊焊接，通過與相近周長的單薄壁管相比，排疊結(jié)構(gòu)能夠同時提升結(jié)構(gòu)在撞擊過程中的吸能穩(wěn)定性和吸能量，在車輛吸能結(jié)構(gòu)設計時有足夠空間狀況下優(yōu)先選用這種排疊結(jié)構(gòu)進行車輛被動安全保護裝置。

［1］Abramowicz W.Thin-wall structures as impact energy absorbs ［J］.Thin-Walled Structures，2003（41）：91-107.

［2］姚松，田紅旗.車輛吸能部件的薄壁結(jié)構(gòu)碰撞研究［J］.中國鐵道科學，2001，22（2）：55-60.

［3］高廣軍，姚松.車輛薄壁結(jié)構(gòu)撞擊吸能特性研究［J］.鐵道機車車輛，2002（2）：8-10.

［4］江 帆，劉堂紅.帽型、點焊薄壁柱殼軸向擠壓性能分析［J］.中國鐵道科學，2003，24（2）：103-108.

［5］張憲，孔濤，蔣建東，等.基于ls-dyna的振動旋耕三維數(shù)值模擬［J］.機電工程，2011（2）：144-147.

［6］喬及森，車洪艷，陳劍虹.6063 鋁合金薄壁方管耐軸向撞擊性能研究［J］.蘭州理工大學學報，2006，32（2）：14-17.