周宇航，閆 軍，劉 丹，曠光蓮

（蘭州交通大學(xué) 機(jī)電技術(shù)研究所，甘肅 蘭州 730000）

汽車安全性越來越受關(guān)注，理想情況下，當(dāng)車輛發(fā)生100%正面碰撞時(shí)，汽車吸能結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生軸向壓潰，但現(xiàn)實(shí)碰撞中車輛可能受到多角度撞擊。HAN 等[1]研究發(fā)現(xiàn)，加載角度的變化會(huì)導(dǎo)致薄壁管變形模式發(fā)生改變，且存在臨界加載角度，使變形模式由漸進(jìn)折疊壓縮為整體彎折，導(dǎo)致吸能力大幅下降。因此，研究多角度沖擊載荷下薄壁管的變形模式及吸能特性對(duì)提高車輛偏置碰撞的安全性具有重要意義。

1 研究現(xiàn)狀

薄壁結(jié)構(gòu)因具有較好的吸能特性被廣泛應(yīng)用于車輛吸能結(jié)構(gòu)[2]。研究表明，薄壁管在荷載作用下發(fā)生的漸進(jìn)折疊變形模式是一種有效的、可被利用的變形模式[3-4]。將薄壁管件橫截面設(shè)計(jì)為多胞結(jié)構(gòu)或多級(jí)結(jié)構(gòu)，可以顯著提升承受外力的能力，進(jìn)而提升車輛耐撞性[5-7]。但多胞化和多級(jí)化設(shè)計(jì)會(huì)使薄壁管件內(nèi)部空間減小，同時(shí)各級(jí)胞元軸向壓潰變形時(shí)容易受到其他胞元變形的橫向擾動(dòng)。FANG 等[8]研究了多角度加載下普通方管和多胞方管的吸能特性，分析不同數(shù)量的胞對(duì)吸能特性的影響。AZIMI等[9]研究了多角度加載下多邊形多胞結(jié)構(gòu)的壓潰行為，分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)吸能特性的影響。陳亞楓[10]研究了具有不同橫截面的 FSPTTs (Foam-Filled Single Polygonal Tapered Tubes, 泡沫填充多邊形單錐管)與FBPTTs (Foam-Filled Bitubal Polygonal Tapered Tubes, 泡沫填充多邊形雙錐管)在4 種沖擊角度下的耐撞性。

上述對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)壓潰特性的研究通常采用鋁合金、鈦合金、鎂合金等。其中，鋁合金因具有良好的強(qiáng)度和成型性能，且密度較小、耐腐蝕性好、價(jià)格相對(duì)低廉，得到了最廣泛應(yīng)用。本文采用AA5182-0鋁合金作為多胞薄壁方管材料，其加工成型性良好，可通過冷拔、軋制、拉伸等多種工藝加工成薄壁結(jié)構(gòu)，并且耐腐蝕性好，密度低，僅為1/3鋼密度，適用于汽車、航空航天等領(lǐng)域。

2 耐撞性評(píng)價(jià)指標(biāo)

通常評(píng)價(jià)車輛耐撞性和吸能特性的指標(biāo)有EA(Energy Absorption，總能量吸收)、SEA (Specific Energy Absorption， 比吸能) 和PCF (initial Peak Crushing Force，初始峰值力)。

EA用來評(píng)估整體結(jié)構(gòu)的吸能能力，計(jì)算式為

式中：EA為總能量吸收值；F(δ)為位移量δ時(shí)的瞬時(shí)力，此曲線可通過壓縮試驗(yàn)得到。

SEA 用來評(píng)估金屬薄壁管單位質(zhì)量吸收的能量，計(jì)算式為

式中：SEA為比吸能值；m為金屬薄壁管質(zhì)量。

SEA越大則材料吸收能量的利用效率越高。

PCF 為發(fā)生碰撞并開始吸收能量瞬間所承受的最大力值。如果PCF 過大，則乘員感受到強(qiáng)烈沖擊，可能導(dǎo)致內(nèi)臟受損或其他嚴(yán)重傷害；如果PCF過小，則無法承受足夠力，不能阻止物體侵入車內(nèi)，增加乘員受傷風(fēng)險(xiǎn)。因此，PCF 直接影響車輛保護(hù)乘員的能力，合理設(shè)置該值以保證車輛具有足夠的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)避免給乘員帶來額外傷害。

3 建立有限元模型

3.1 多胞方管設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的壓潰角度分別為10°、20°、30°，為保證計(jì)算精度，選用2.5 mm×2.5 mm 方形網(wǎng)格。圖1為多胞薄壁方管在不同加載角度下的狀態(tài)，設(shè)置剛性墻與多胞薄壁方管兩者間動(dòng)、靜摩擦系數(shù)均為0.2。V為剛性墻移動(dòng)速度，θ為多胞薄壁方管軸線與剛性墻速度方向的夾角。

圖1 多胞薄壁方管不同加載角度下狀態(tài)

分層多胞薄壁方管結(jié)構(gòu)如圖2所示，最外層方管高200 mm，邊長為50 mm，板厚1.5 mm，第2 層方管高150 mm，邊長為35.35 mm（25 mm×），其他各層依次類推。圖3為普通多胞薄壁方管，其內(nèi)層各方管高度、邊長、板厚與普通直形方管相同，內(nèi)層方管高度均為200 mm。

圖2 分層多胞方管幾何結(jié)構(gòu)

圖3 普通多胞方管幾何結(jié)構(gòu)

為便于說明，采用“F+數(shù)字形式”表示分層多胞薄壁方管，其中數(shù)字為方管內(nèi)部含有的不同高度方管數(shù)；采用“P+數(shù)字形式”表示普通多胞薄壁方管，其中數(shù)字為普通直形方管內(nèi)部含有的等高方管數(shù)。例如，P0 表示普通直型方管，內(nèi)部無任何結(jié)構(gòu)；P1 表示普通直形多胞薄壁方管，內(nèi)有1 個(gè)高為200 mm 方管；F1 表示分層多胞薄壁方管，內(nèi)有1 個(gè)150 mm 方管；以此類推。

3.2 多胞方管有限元模型

方管材料為AA5182-0鋁合金，其主要參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

通過Hypermesh軟件可以得到各方管質(zhì)量，4種普通多胞薄壁方管P0、P1、P2、P3質(zhì)量分別為0.162 0、0.276 6、0.357 6、0.414 8 kg，3種分層多胞薄壁方管F1、F2、F3質(zhì)量分別為0.247 9、0.288 4、0.302 7 kg。

本文采用恒定速度的剛性墻碰撞多胞薄壁方管，碰撞速度為5 m/s，摩擦系數(shù)為0.2，碰撞持續(xù)時(shí)間為33 s，采用CAD 建立不同截面形狀的薄壁多胞方管和不同高度的分層多胞方管，碰撞仿真分析流程如圖4所示。

圖4 多胞薄壁方管碰撞仿真分析流程

4 壓潰特性分析

4.1 普通多胞管多角度耐撞性分析

4 種不同截面形狀的普通多胞方管P0、P1、P2、P3 在10°、20°、30°壓潰下的折疊樣式見表2，當(dāng)剛性墻壓潰角度為10°時(shí)，所有普通多胞薄壁方管出現(xiàn)規(guī)律性折疊，此時(shí)能量吸收效率均較高；當(dāng)剛性墻壓潰角度為20°時(shí)，只有普通方形直管P0 出現(xiàn)規(guī)律性折疊，其他普通多胞薄壁方管在發(fā)生部分規(guī)律性折疊后均出現(xiàn)整體彎曲；當(dāng)剛性墻壓潰角度為30°時(shí)，所有方管幾乎沒有出現(xiàn)規(guī)律性折疊，而出現(xiàn)整體彎折。隨著普通直形方管內(nèi)方管個(gè)數(shù)增加，管材整體更易失穩(wěn)導(dǎo)致整體彎折情況發(fā)生。

表2 多角度加載普通多胞方管變形模式

圖5～7 為不同角度剛性墻壓潰下各方管P0、P1、P2、P3載荷曲線。

由圖5 可知，當(dāng)剛性墻的壓潰角度為10°時(shí)，相比P0，P1、P2、P3 的PCF 更高并且隨著普通直形方管內(nèi)方管個(gè)數(shù)增多，PCF逐漸增大。

圖5 普通多胞方管斜向10°載荷曲線

由圖6 可知，當(dāng)加載角度增加到20°時(shí)，P0 仍以層疊變形的形式吸收能量，但P1、P2、P3 在發(fā)生小部分規(guī)律性折疊后出現(xiàn)整體彎折。相比多胞方管，此時(shí)P0 仍能承受較大載荷，而且載荷波動(dòng)范圍小，多胞方管P1、P2、P3 只在一定位移（約50 mm）范圍內(nèi)可以承受載荷，如果超出這個(gè)范圍承受力會(huì)大幅降低。

圖6 普通多胞方管斜向20°載荷曲線

由圖7 可知，當(dāng)加載角度增加到30°時(shí)，所有薄壁方管均發(fā)生整體彎折。LS-PrePost 數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，P0整體承載能力較小，P1、P2、P3均只在0～50 mm位移可以承載較大載荷，超過該范圍后承載能力急劇下降。

圖7 普通多胞方管斜向30°載荷曲線

對(duì)比上述各加載角度下各普通薄壁方管的比吸能，見表3。在小角度（10°）載荷下，胞層數(shù)量增加會(huì)使多胞薄壁方管的比吸能增加，吸能能力得到提升；在較大角度（20°、30°）載荷下，胞層數(shù)量增加不會(huì)使比吸能增加甚至出現(xiàn)降低，整體吸能能力下降。

表3 普通多胞方管比吸能對(duì)比kJ/kg

綜上可知，小角度（10°）壓潰時(shí)，相比P0，P1、P2、P3具有更大PCF、更優(yōu)吸能效率和更高壓潰效率，并且隨著內(nèi)部方管數(shù)目增加，吸能能力逐步增大。較大角度（20°、30°）壓潰時(shí)，相比P0，多胞方管更易出現(xiàn)整體彎折，吸能能力和壓潰效率大幅下降。

4.2 分層多胞管多角度耐撞性分析

3種分層多胞方管F1、F2、F3在10°、20°、30°剛性墻壓潰角度下的折疊樣式見表4。當(dāng)壓潰角度為10°、20°時(shí)，分層多胞方管均出現(xiàn)規(guī)律性折疊變形，說明此時(shí)分層薄壁方管具有很好的吸能特性；當(dāng)壓潰角度為30°時(shí)，出現(xiàn)小部分規(guī)律性折疊后，均出現(xiàn)整體彎折，相比P1、P2、P3，在出現(xiàn)整體彎折前F1、F2、F3有一部分管材出現(xiàn)了折疊并吸收了能量。

表4 多角度加載分層多胞方管的變形模式

圖8～10 為不同角度剛性墻壓潰下普通方管P0和分層多胞方管F1、F2、F3的載荷曲線。

圖8 分層多胞方管斜向10°載荷曲線

由圖8可知，當(dāng)剛性墻的壓潰角度為10°時(shí)， P0、F1、F2、F3具有相同PCF，在整個(gè)壓潰變形過程中，F(xiàn)1、F2、F3具有更大的載荷承載能力，且隨著F1、F2、F3內(nèi)部層數(shù)增加，承載能力逐步增強(qiáng)。對(duì)比圖5中P1、P2、P3，三者在位移為10～20 mm時(shí)達(dá)到最大載荷，并且在之后的變形過程中基本保持峰值不變，F(xiàn)1、F2、F3則隨位移逐步達(dá)到載荷峰值。經(jīng)過短位移達(dá)到最大載荷的設(shè)計(jì)在發(fā)生碰撞時(shí)可以提供更大保護(hù)；經(jīng)過較大位移逐步達(dá)到最大載荷的設(shè)計(jì)可減緩碰撞時(shí)的沖擊力，并在更長時(shí)間內(nèi)釋放能量，保護(hù)乘客過程更加平緩。

由圖9可知，當(dāng)加載角度增加到20°時(shí)，4種方管的載荷曲線與圖8相差較小，吸能過程與圖8類似。

圖9 分層多胞方管斜向20°載荷曲線

由圖10 可知，當(dāng)加載角度增加到30°時(shí)，F(xiàn)1、F2、F3 可以在0～70 mm 位移承載較大載荷，相比圖7 中P1、P2、P3 承載范圍略大，但與P1、P2、P3相似，超過70 mm 后出現(xiàn)整體彎折，承載能力大幅下降。

圖10 分層多胞方管斜向30°載荷曲線

對(duì)比各加載角度下各分層多胞薄壁方管的比吸能，見表5，隨著分層薄壁管內(nèi)部方管數(shù)增加，F(xiàn)1、F2、F3 比吸能有所增加，但增加幅度較小，吸能能力沒有明顯提升；相比P0，F(xiàn)1、F2、F3 的比吸能有較大幅度增加，因此分層多胞方管可在一定程度上改善吸能特性。

表5 分層多胞方管比吸能對(duì)比kJ/kg

4.3 普通多胞管與分層多胞管對(duì)比

對(duì)比表3、5，小角度（10°）加載時(shí)，普通多胞薄壁方管的比吸能大于分層多胞方管，此時(shí)前者吸能特性優(yōu)于后者；較大角度（20°、30°）加載時(shí)，后者的比吸能遠(yuǎn)高于前者，此時(shí)后者吸能特性優(yōu)于前者。

普通多胞薄壁方管的固定端受到彎矩作用時(shí)會(huì)發(fā)生整體彎折，分層薄壁方管隨著內(nèi)部不同高度方管數(shù)增加，軸向強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，使加載端與固定端的強(qiáng)度差增大，從而使固定端附近發(fā)生彎曲變形所需彎曲載荷增大，其設(shè)計(jì)思想與等強(qiáng)度梁相似[11]。

5 結(jié) 論

本文使用CAD 建立等高普通多胞薄壁方管和分層多胞薄壁方管模型，對(duì)比多角度壓潰下前者與后者的耐撞性，結(jié)論如下：

（1）小角度（10°）壓潰時(shí)，普通多胞薄壁方管的PCF 大于分層薄壁方管，且前者的比吸能大于后者，此時(shí)P3的吸能特性更優(yōu)；

（2）較大角度（20°、30°）壓潰時(shí)，后者的比吸能遠(yuǎn)高于前者，后者具有較優(yōu)的吸能特性和較大范圍的承載能力，此時(shí)F3的吸能特性更優(yōu)。

整個(gè)分析過程仍有局限，后續(xù)工作中需進(jìn)一步完善和細(xì)化，主要方面包括：

（1）因?yàn)榭紤]計(jì)算耗時(shí)，所設(shè)置的多胞薄壁方管類型有限，后續(xù)可適當(dāng)增加類型進(jìn)行更廣泛研究；

（2）多角度壓潰分析中僅以10°為跨度研究壓潰特性，區(qū)間跨度較大，可進(jìn)行細(xì)分使結(jié)果更細(xì)致；

（3）所得出的最優(yōu)多胞薄壁方管并不適用于所有車輛，雖然較大的初始峰值力可使車輛低速碰撞時(shí)保持完好，但也可能會(huì)導(dǎo)致乘員受傷，后續(xù)需進(jìn)一步適配；

（4）未對(duì)薄壁方管進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)軸向壓潰和動(dòng)態(tài)沖擊的實(shí)物試驗(yàn)，無法與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，后續(xù)可開展相應(yīng)實(shí)物試驗(yàn)。