不同誘導結構軸向抗撞性分析

譚麗輝， 譚洪武

(1.吉林化工學院 機電工程學院， 吉林 吉林 132022；2.中油吉林石化公司有機合成廠 乙丙橡膠車間， 吉林 吉林 132022)

不同誘導結構軸向抗撞性分析

譚麗輝1， 譚洪武2

(1.吉林化工學院 機電工程學院， 吉林 吉林 132022；2.中油吉林石化公司有機合成廠 乙丙橡膠車間， 吉林 吉林 132022)

研究了圓截面薄壁構件的變形方式和吸能特點，針對其在碰撞過程中力-變形特性曲線的不足，根據預變形理論，對薄壁圓管結構進行了改進，在其上設置圓弧形誘導凹槽、凸槽和凸凹交替誘導槽，并采用有限元軟件Ls-dyna驗證了改進方案的合理性。

薄壁構件； 誘導槽； 抗撞性

0 引 言

薄壁金屬構件是汽車碰撞過程中最為重要的吸能件，汽車碰撞過程實質上就是薄壁構件的大變形過程，很多學者對薄壁構件碰撞仿真進行了研究。汽車正碰時50%以上的沖擊動能是由薄壁構件吸收的，因此薄壁構件的吸能能力尤為關鍵[1-2]，而碰撞過程中的承載能力是衡量其抗撞性能的另一個重要指標，通常為了降低最大峰值碰撞力，常在薄壁構件上設置誘導結構控制其變形模式，降低沖擊載荷，從而減小對乘員的傷害，也降低了其它部件所承受的沖擊載荷[3-7]。

根據預變形理論提出了在薄壁圓管上設置圓弧形誘導凹槽、凸槽和凸凹交替的誘導槽，并采用非線性有限元軟件Ls-dyna進行仿真模擬，得到不同幾何參數模型的碰撞響應，研究不同誘導槽結構對薄壁構件抗撞性的影響。

1 普通圓截面薄壁梁仿真模擬

1.1計算模型

薄壁圓管的分析模型如圖1所示。

圖1 薄壁圓管的分析模型

圓管下端固定，上端自由,并受質量為25 g,速度為v=15.49 m/s的剛性體沖擊作用；圓管厚度t=0.8 mm，長度L=90 mm，直徑d=31 mm。

1.2材料定義

薄壁構件的材料選為高強度鋼，密度ρ=7.82×103kg/m3，彈性模量E=207.2 GPa，泊松比ν=0.3，屈服應力σs=446 MPa。高強度鋼材料的動態變形受材料應變率的影響較大，需要在材料模型中考慮應變率的影響。一般采用Cowper-Symonds塑性材料模型[8]

(1)

式中：σy----考慮應變率之后的動態屈服應力;

σs----靜態屈服應力；

ε----應變率;

c,p----該模型中與應變率相關的參數，c=40/s，p=5。

靜態應力-應變變化曲線如圖2所示。

1.3仿真模擬結果

薄壁構件原模型在軸向沖擊載荷作用下，由Ls-dyna計算得到的最大峰值碰撞力、總吸能值、最大壓潰位移并與文獻[8]中的實驗值進行比較，見表1。

可見數值模擬的結果與實驗值能夠較好地吻合。

圖2 應力-應變關系曲線

表1 原模型有限元分析結果與實驗[8]對比

經過有限元模擬計算，在Ls-prepost中對模擬結果進行后處理，并對有限元模型的碰撞動態仿真過程進行觀察。得到了在碰撞過程中各時刻薄壁構件的變形圖,如圖3所示。

圖3 圓截面薄壁構件在不同時刻變形

碰撞過程中沖擊載荷隨壓潰位移變化關系曲線如圖4所示。

在圖4圓截面薄壁構件碰撞力-位移曲線中，力-變形特性曲線不平穩，在碰撞的初始階段存在一個變形范圍很小而力的波動幅度較大的區域，這樣會產生較大的加速度，對人體造成嚴重的傷害，故不能滿足碰撞問題中直接作為控制結構使用。

為了消除力-變形特性曲線中波動幅度較大的部分，實現曲線平穩的目的，德國科學家霍爾斯特·皮佩特等[9]創建了預變形理論，即在薄壁構件上合適位置處削弱橫截面，使其在碰撞過程初期首先在截面削弱處發生變形，由于變形部分截面已被削弱,該處的剛度減小，則發生變形所需要力也隨之減少，從而實現了力-變形特性曲線平穩的目的。

圖4中碰撞初期出現的最大峰值碰撞力是文中要討論和處理的問題。

圖4 圓截面薄壁管碰撞力-位移曲線

2 改進結構的薄壁圓管仿真模擬

預變形理論是用誘導結構來實現的，合理的變形誘導結構能夠有效引導薄壁構件進入特定的變形模式，使結構的屈曲變形穩定，有效降低最大峰值碰撞力。

文中對原模型結構做了改進，沿光滑表面的薄壁結構(原模型結構尺寸不變)分別添加圓弧形誘導凹槽、凸槽及凸凹交替的圓弧形誘導槽。對于凸凹交替的誘導槽為了獲得對稱變形模式，誘導槽個數應為奇數個，且第一個為凸槽。根據原模型幾何長度，在每種結構上分別設置了均勻分布的3個誘導槽,如圖5所示。

圖5 改進結構模型

改進結構變形過程如圖6所示。

(a) 凹槽

(b) 凸槽

(c) 凸凹交替槽

在前文的普通圓截面薄壁構件碰撞試驗工況下，對3種誘導結構模型進行有限元仿真計算得到其碰撞響應，并與原模型進行比較,參數對比見表2。

表2 原模型與改進結構碰撞性能參數對比

從表2可以看到，3種誘導結構對于吸能而言并沒有太大區別，但是，對于降低平均碰撞力，特別是降低最大峰值碰撞力都有非常明顯的優勢。而凸槽和凸凹交錯的誘導槽要優于誘導凹槽模型。因此，設置誘導槽確實可以降低碰撞過程中的最大峰值碰撞力。

由圖6得到3種誘導結構變形圖，可以看出變形都是在誘導槽處開始的，誘導結構在控制薄壁構件的碰撞變形中起到了非常顯著的作用。改進薄壁構件后，沖擊載荷的變化情況如圖7所示。

圖7 沖擊載荷隨壓潰位移變化對比曲線

從圖7可以看出，誘導結構減小了初始階段沖擊載荷的劇烈變化，使力-變形特性曲線趨于平穩，從而有利于乘員的保護。

各模型總吸能對比如圖8所示。

圖8 吸收能量隨沖擊時間變化對比曲線

在碰撞時間為10 ms時，各改進結構模型所吸收的能量與同時間原模型吸收的能量比較相近?？梢?種誘導結構在沒有影響原模型吸能的情況下，顯著降低了初始峰值載荷，使力-變形特性曲線趨于平穩，顯著提高了薄壁構件的抗撞性。

3 結 語

根據預變形理論，針對碰撞過程中圓截面薄壁構件在初始階段最大峰值碰撞力過高的情況下，提出了3種改進結構方案,即分別在其上設置圓弧形誘導凹槽、凸槽和凸凹交錯誘導槽，研究其抗撞性。數值分析結果表明：3種誘導結構模型在不減少薄壁構件吸能能力的情況下，對降低平均碰撞力，特別是最大峰值碰撞力都有非常顯著的效果，實現了力-變形特性曲線平穩的目的，從而提高了薄壁構件的抗撞性。

[1] 劉中華.薄壁直梁動態撞擊的變形和吸能特性的研究[A].汽車安全技術論文集[C]//北京：人民交通出版社，2004:50-56.

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[7] 譚麗輝,徐濤,張煒,等.帶有圓弧形凸槽金屬薄壁圓管抗撞性優化設計[J].振動與沖擊,2013,32(21):80-84.

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[9] 雷正保.汽車縱向碰撞控制結構設計的理論與方法[M].長沙:湖南大學出版社,2000.

Analysis of axial crashworthiness under different inducing structure

TAN Li-hui1, TAN Hong-wu2

(1.Department of Mechatronics, Jilin Institute of Chemical Technology, Jilin 132022, China;2.Petrochina Jilin Petrochemical Company Organic Synthesis Factory EPDM Plant, Jilin 132022， China)

Deformation model and energy absorption characteristics of a thin-walled component with circular cross section are studied. To improve the relationship between axial force-crushing and displacement during the collision process, the thin-walled structure is modified based on the pre-distortion theory. Induced convex grooves, concave grooves and alternate convex-concave grooves are set on the structure, and finite element software Ls-dyna is used to verity the feasibility of the method.

thin-walled components; induced grooves； crashworthiness.

2014-07-16

譚麗輝(1977-)，女，漢族，吉林長春人，吉林化工學院講師，吉林大學博士研究生，主要從事數值模擬、力學計算、結構優化方向研究,E-mail:452404820@qq.com.

TH 123.1

A

1674-1374(2014)06-0731-04