白艷偉　余萬(wàn)　李響　趙恒

摘要：六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)具有良好的力學(xué)性能和吸能特性。為了更好地提升汽車(chē)吸能盒的吸能特性，采用四邊形截面和內(nèi)部填充六邊形蜂窩芯創(chuàng)新構(gòu)型了一種新型吸能盒。采用數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)吸能盒相比，六邊形蜂窩芯吸能盒具有更優(yōu)越的吸能效果和更高的比吸能，并且在受到相同的載荷沖擊時(shí)仍能保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時(shí)針對(duì)載荷角度探討了六邊形蜂窩芯吸能盒在不同速度載荷沖擊下的吸能效果和碰撞力變化模式。本文研究?jī)?nèi)容有望為進(jìn)一步提升吸能盒性能提供參考。

關(guān)鍵詞：六邊形蜂窩芯；吸能盒；載荷角；吸能特性；碰撞力

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.99??????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?????????????????????????? doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.08.004

文章編號(hào)：1006-0316 （2023） 08-0026-06

Innovative Design and Energy Absorption Characteristics ofHexagonal Honeycomb Core Energy Absorbing Box

BAI Yanwei YU Wan LI Xiang ZHAO Heng

（ 1.College of Machinery and Power Engineering， Three Gorges University， Yichang 443002;2.Hubei Key Laboratory of Hydroelectric Machinery Design and Maintenance，Three Gorges University， Yichang 443002 ）

Abstract：The hexagonal honeycomb structure has good mechanical properties and energy absorption characteristics. In order to better improve the energy absorption characteristics of the automobile energy absorbing box， this paper adopts a new type of energy absorbing box with a quadrilateral section and a hexagonal honeycomb core filled inside. Through the numerical simulation technology， it is found that compared with the traditional energy absorbing box， the hexagonal honeycomb core energy absorbing box has better energy absorption effect and higher specific energy absorption while maintaining the stability of the structure when subjected to the same load impact. At the same time， the energy absorption effect and impact force change mode of the hexagonal honeycomb core energy absorbing box under different speed load impact are discussed according to the load angle. The research of this paper is expected to provide the reference for further improving the performance of the energy absorbing box.

Key words：hexagonal honeycomb cores；energy-absorbing box；load angle；energy absorption characteristics；collisions force

汽車(chē)發(fā)生碰撞時(shí)，主要依靠前端的防撞梁、吸能盒以及前縱梁等吸收撞擊的能量使自身產(chǎn)生塑性變形，從而使傳遞至駕駛艙的能量減小，達(dá)到保護(hù)車(chē)內(nèi)人員的作用。目前大多數(shù)吸能盒為簡(jiǎn)單的方形或圓管形，無(wú)法很好地起到吸能作用，并且大多數(shù)為了耐撞性而使其質(zhì)量較重。因此，需考慮一種輕量化和比吸能高的吸能盒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。曲明^[1]通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)合探究了吸能盒耐撞性方面的薄弱環(huán)節(jié)，并討論了改進(jìn)方法。萬(wàn)鑫銘等^[2]在汽車(chē)吸能盒優(yōu)化設(shè)計(jì)中利用近型模型技術(shù)和數(shù)值優(yōu)化方法提出新型鋁合金吸能盒，在吸收相同能量的同時(shí)盡可能減少吸能盒本身的質(zhì)量。張偉等^[3]設(shè)計(jì)了一種負(fù)泊松比效應(yīng)的吸能盒結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在失效時(shí)的等效彈性模量和平臺(tái)應(yīng)力均得到了加強(qiáng)，吸收能量的能力也有較好的體現(xiàn)。彭杰^[4]提出新型仿生結(jié)構(gòu)通過(guò)落錘沖擊實(shí)驗(yàn)，以比吸能、碰撞力峰值、加速度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，得出填充剪切增稠液的吸能盒具有更高的吸能效率和更低的形變位移的結(jié)論。陳有松等^[5]研究了吸能盒截面和吸能盒板厚度對(duì)防撞梁系統(tǒng)的影響，并篩選出最佳組合。張鵬等^[6]提出用板超立方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)填充吸能盒，在平均碰撞力和碰撞力峰值近乎相等的情況下，比吸能提升明顯。王春華等^[7]研究了誘導(dǎo)槽參數(shù)對(duì)吸能盒吸能效果的影響，得出在吸能盒側(cè)壁上端均勻開(kāi)出半徑為2.5 mm的半圓形誘導(dǎo)槽在沖擊過(guò)程中既保證了吸收相同能量，又降低了碰撞力峰值，且表現(xiàn)出更好的比吸能和壓縮力效率。李響等^[8]構(gòu)型一種聚氨酯泡沫填充類(lèi)蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)填充結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出更優(yōu)異的載荷穩(wěn)定性和吸能效率。孫成智等^[9]采用有限元模擬和序列響應(yīng)相面法結(jié)合的優(yōu)化方法，并應(yīng)用于吸能盒結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)例。郝亮等^[10]利用三次多項(xiàng)式響應(yīng)面法及徑向基法設(shè)計(jì)其有效代理模型，并用粒子群法進(jìn)行優(yōu)化，得到吸能盒誘導(dǎo)槽的最佳位置和數(shù)量。Song Jiafeng等^[11]提出幾種不同的仿生管狀結(jié)構(gòu)，并探究了在不同角度載荷下比吸能和碰撞力峰值等相關(guān)參數(shù)。楊星等^[12]設(shè)計(jì)了一種具有負(fù)泊松比效應(yīng)的新型多胞結(jié)構(gòu)吸能盒，并驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)在RCAR（Research Council for Automobile Repair，汽車(chē)維修研究理事會(huì)）標(biāo)準(zhǔn)下的可行性。

綜上所述，為了更好地提升汽車(chē)吸能盒的吸能特性，本文擬創(chuàng)新設(shè)計(jì)六邊形蜂窩芯吸能盒，以傳統(tǒng)空芯吸能盒為參照，并對(duì)不同工況吸能效果及碰撞力進(jìn)行探究，有望為提升吸能盒的吸能特性提供參考。

1 汽車(chē)吸能盒設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

常規(guī)吸能盒截面通常采用四邊形、等角六邊形、等角八邊形、圓形等形狀。在此基礎(chǔ)上，內(nèi)部可能存在單腔和多腔結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，采用四邊形和等角六邊形作為截面形狀的吸能盒往往具有較好的吸能效果和較低的碰撞力峰值。六邊形蜂窩芯結(jié)構(gòu)是一種常用的夾芯結(jié)構(gòu)，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，被大量應(yīng)用于機(jī)械和建筑工程領(lǐng)域。本文采用四邊形截面和內(nèi)部填充六邊形蜂窩芯來(lái)設(shè)計(jì)一種吸能盒，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 數(shù)值計(jì)算模型

利用ABAQUS/Explicit顯式動(dòng)力學(xué)模塊建立形內(nèi)六邊形蜂窩填充吸能盒軸向沖擊有限元數(shù)值計(jì)算模型，如圖2所示。該模型由上、下剛性面板以及中間吸能盒三部分組成，吸能盒部分主要包括傳統(tǒng)未填充吸能盒和六邊形蜂窩芯填充吸能盒。其中，吸能盒外殼通過(guò)Tie與下剛性板進(jìn)綁定連接。數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程中，對(duì)下剛性板進(jìn)行完全固定，模型中對(duì)蜂窩夾芯采用四節(jié)點(diǎn)縮減積分殼單元S4R單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，厚度方向設(shè)置5個(gè)積分點(diǎn)，剛性板采用實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了同時(shí)保證計(jì)算精度和效率，將蜂窩夾芯和吸能盒外殼網(wǎng)格大小設(shè)置為2 mm，剛性板網(wǎng)格大小均設(shè)置為3 mm。蜂窩夾芯和吸能盒外殼以及剛性板之間的接觸設(shè)定為通用接觸，其中靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)分別置為0.3和0.2。在本次計(jì)算中，吸能盒的整體尺寸均為50 mm×50 mm×100 mm。對(duì)于蜂窩填充吸能盒，其內(nèi)部蜂窩夾芯的整體尺寸均為48 mm×48 mm×100 mm，蜂窩夾芯胞壁長(zhǎng)度為9 mm，蜂窩夾芯壁厚為0.2 mm，吸能盒外殼厚度為1 mm。吸能盒外殼和蜂窩夾芯材料均選用鋁合金A13003-H8。

六邊形蜂窩芯結(jié)構(gòu)及外殼材料力學(xué)參數(shù)為：密度2700 kg/m³，彈性模量69 GPa，泊松比0.33，屈服應(yīng)力150 MPa。

1.3 耐撞性相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)

2 六邊形蜂窩芯吸能盒沖擊特性數(shù)值計(jì)算結(jié)果

2.1 同尺寸吸能盒完全正面碰撞數(shù)值分析

當(dāng)發(fā)生交通碰撞事故時(shí)，碰撞形式主要有正面碰撞、側(cè)面碰撞和尾部碰撞等。統(tǒng)計(jì)顯示，正面碰撞是碰撞事故發(fā)生的主要形式，約占65.2%^[13]，因此對(duì)汽車(chē)正面碰撞的研究具有十分重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和科學(xué)意義。其中完全正面碰撞（零角度完全碰撞）事故是正面碰撞的一種典型事故形式，完全正面碰撞測(cè)試則是最常用的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。完全正面碰撞建立的軸向沖擊有限元數(shù)值計(jì)算模型如圖3所示，其在圖2模型基礎(chǔ)上添加與吸能盒和下剛性板完全平行的上剛性板。仿真汽車(chē)吸能盒在低速30～40 km/h（10 m/s）、中速60～80 km/h（20 m/s）、高速100～120 km/h（30 m/s）發(fā)生完全正面碰撞的工況。同時(shí)添加同尺寸大小的傳統(tǒng)吸能盒作為對(duì)照，如圖4所示。

六邊形蜂窩芯吸能盒和傳統(tǒng)吸能盒在有效位移壓縮下內(nèi)吸收的能量變化曲線(xiàn)如圖5所示，可以看出，六邊形蜂窩芯吸能盒在三種速度下吸收總能量均明顯大于傳統(tǒng)吸能盒，隨著壓縮位移的增大，吸收的能量也逐漸增加。

兩種吸能盒在不同速度下吸收的總能量如表1所示?？梢钥闯?，在低速、中速、高速下，六邊形蜂窩芯吸能盒吸收的總能量比傳統(tǒng)吸能盒分別高出37.47%、45.07%、32.74%。代入式（3）可得，在低速、中速、高速下，同質(zhì)量六邊形蜂窩芯吸能盒的比吸能比傳統(tǒng)吸能盒分別高出31.225%、37.56%、27.28%。

綜上可得，六邊形蜂窩芯吸收能量效率比傳統(tǒng)吸能盒具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。

六邊形蜂窩芯吸能盒和傳統(tǒng)吸能盒在三種速度下的碰撞力－位移曲線(xiàn)如圖6所示，可以看出，六邊形蜂窩芯吸能盒與傳統(tǒng)吸能盒碰撞力－位移曲線(xiàn)變化相似，過(guò)程可分為兩個(gè)階段。第一階段是線(xiàn)性段，碰撞力隨著位移的增加而迅速增加。第二階段是平臺(tái)段，隨著位移增加，碰撞力在一定數(shù)值范圍內(nèi)來(lái)回波動(dòng)。但六邊形蜂窩芯吸能盒碰撞力峰值和平均碰撞力均明顯高于傳統(tǒng)吸能盒。

隨著速度的增加，兩種吸能盒碰撞力峰值和平均碰撞力也增加，如表2所示?？梢钥闯?，在低速、中速、高速下，六邊形蜂窩芯吸能盒比傳統(tǒng)吸能盒的平均碰撞力分別高出27%、31%、24%，代入式（2）可得，在低速、中速、

高速下，六邊形蜂窩芯吸能盒的碰撞力效率與傳統(tǒng)吸能盒均相差不大，說(shuō)明在填充六邊形蜂窩芯后，吸能盒依然保持結(jié)構(gòu)的載荷穩(wěn)定性。

2.2 吸能盒多角度工況數(shù)值分析

吸能盒尺寸及仿真模型參數(shù)設(shè)置均與1.2節(jié)相同，添加與下剛性板傾斜的上剛性板，載荷角為0°～40°（以10°的間隔增加）。模擬六邊形蜂窩芯吸能盒在多角度－速度下的吸能效果和碰撞力等相關(guān)參數(shù)的大小，如圖7所示。

六邊形蜂窩芯吸能盒在多角度－速度條件、有效位移壓縮下內(nèi)吸收的能量變化曲線(xiàn)如圖8所示?？梢钥闯?，隨著載荷角的增大，六邊形蜂窩芯吸能盒吸能效果逐漸減小，在低速載荷沖擊下，六邊形蜂窩芯吸能盒在載荷角20°和30°時(shí)吸收的總能量相差不多，在載荷角20°與30°差值最大。在中速載荷沖擊下，吸能盒則在載荷角30°和40°時(shí)吸收的總能量相似，在載荷角20°和30°時(shí)差值仍為最大。而在高速載荷沖擊下，吸能盒吸收的總能量隨著載荷角的增加，近乎均勻減少。

六邊形蜂窩芯吸能盒在不同速度下的碰撞力－位移曲線(xiàn)如圖9所示?？梢钥闯觯呅畏涓C芯在多工況載荷沖擊下，曲線(xiàn)仍然呈有線(xiàn)性段和平臺(tái)段，但只有在0°載荷沖擊下具有明顯的碰撞力峰值，隨著載荷角的增加，碰撞力峰值逐漸減弱且后移。在平臺(tái)段時(shí)，平均碰撞力差值較小。載荷沖擊速度增加，碰撞力峰值和平均碰撞力均增加。但是變形模式與曲線(xiàn)變化趨勢(shì)基本不變。

3 結(jié)論

本文構(gòu)型了一種填充六邊形蜂窩芯的吸能盒，利用仿真模擬比較了該吸能盒和傳統(tǒng)吸能盒在完全正面碰撞（零角度完全碰撞）的總吸能、平均碰撞力等衡量吸能盒吸能效果的相關(guān)參數(shù)。測(cè)試了六邊形蜂窩芯吸能盒在不同工況下的總吸能、碰撞力位移曲線(xiàn)，得到以下結(jié)論。

（1）填充了六邊形蜂窩芯的吸能盒與傳統(tǒng)吸能盒相比，具有更優(yōu)越的吸能效果和更高的比吸能，并且在受到相同的載荷沖擊時(shí)仍能保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

（2）通過(guò)對(duì)比六邊形蜂窩芯吸能盒在不同角度載荷沖擊下的情況。發(fā)現(xiàn)在同樣速度的工況下，隨著載荷角的增大，吸能盒的吸能效果逐漸減弱，同時(shí)，除0°載荷沖擊下吸能盒存在明顯的碰撞力峰值外，其他角度碰撞力峰值逐漸減小且變化不大。

（3）通過(guò)對(duì)比六邊形蜂窩芯吸能盒在不同速度載荷沖擊下的情況，發(fā)現(xiàn)載荷速度增大，吸能盒的吸能量、碰撞力等相關(guān)參數(shù)均增加，但變形模式變化不大。

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