變壁厚防撞吸能盒軸向壓潰過程的實驗研究?

盧日環(huán)，劉相華，劉立忠，方 迪，3，胡賢磊

前言

汽車防撞吸能盒作為一種傳統(tǒng)緩沖吸能部件，是汽車零件中最重要的安全件之一[1]，它可在軸向加載條件下提供較為穩(wěn)定的變形模式，且在汽車碰撞過程中通過塑性屈曲吸收大量動能，從而保護行人與駕駛者的安全[2]。目前，國內(nèi)外許多學者對該部件在軸向壓潰下的響應特點進行了深入廣泛的研究，對承受軸向載荷的薄壁金屬管可能出現(xiàn)的變形模式進行了分析總結(jié)[3]，并且針對不同幾何形狀、材料性質(zhì)、載荷情況等對金屬管件塑性失效模式的影____響進行了大量研究[4-5]，還建立了預測不同失效模式下金屬薄壁管件的平均載荷計算模型[6]。

近年來，通過靈活軋制技術(shù)發(fā)展起來的差厚板(tailor rolled blank，TRB)可以根據(jù)其后續(xù)成形件在工作條件下不同區(qū)域的承載需求來設(shè)計汽車零件的幾何形狀、布局和性能，實現(xiàn)節(jié)材減重，目前已受到許多汽車企業(yè)的關(guān)注[7-8]。與激光拼焊板(tailor welded blank，TWB)相比，TRB減質(zhì)量效果更加突出，不存在TWB中的薄弱焊縫，提高了板材的成形性，且外觀質(zhì)量好[9]。本文中以汽車吸能盒理想吸能特性為目標，首先通過對TRB后續(xù)成形，制備出變壁厚圓管，之后分別對以差厚板和激光拼焊板為原材料的薄壁圓管(為敘述簡便以下分別簡稱為差厚管和拼焊管)進行準靜態(tài)軸向壓潰實驗，研究差厚圓管軸向壓潰下的典型載荷-位移曲線和變形模式，對比分析兩種變壁厚結(jié)構(gòu)軸向壓潰時的吸能特性。

1 實驗材料和設(shè)備

1.1 實驗材料

選用牌號為CR340的差厚鋼板作為制備變壁厚管的原料，實驗用鋼的化學成分見表1。

表1 實驗用鋼的化學成分 wt%

從差厚板上沿軋制方向切取1mm薄板和2mm厚板的拉伸試樣，通過對其進行相應退火處理后進行單向拉伸實驗，得到不同厚度的力學性能參數(shù)，列于表2。

表2 CR340不同厚度的力學性能

圖1為經(jīng)過幾何等效(容積或質(zhì)量相同)計算后的差厚管與拼焊管的結(jié)構(gòu)尺寸，管長均為160mm。黑色標定區(qū)域為焊縫區(qū)，焊縫熱影響區(qū)為6mm左右。

圖1 差厚管和拼焊管的結(jié)構(gòu)尺寸(單位:mm)

1.2 實驗設(shè)備

圖2 所示為用于差厚管軸向壓潰實驗的型號為WDW-300的力學實驗機。該實驗機的許用載荷為300kN，最大行程為500mm，將實驗管件放在下壓頭上部，通過控制上壓頭向下移動進行壓潰實驗，加載速率為2mm/min。

圖2 軸向準靜態(tài)壓潰實驗機

2 差厚管壓潰實驗結(jié)果與分析

汽車防撞吸能盒在實際應用中主要受軸向壓潰載荷的作用，反映到力學特性上就是載荷與位移的關(guān)系。結(jié)合吸能盒的碰撞吸能特性評價指標，對新型變壁厚薄壁管件的壓潰吸能特性進行分析。

2.1 典型載荷-位移曲線

圖3和圖4分別示出傳統(tǒng)等厚圓管[3]和差厚圓管在軸向壓潰條件下的典型載荷-位移曲線。由圖3可見，等厚圓管在軸向載荷作用下，最大載荷一般出現(xiàn)在初始峰值處，伴隨著第一個塑性鉸的產(chǎn)生，然后在一定載荷水平上周期性的起伏。由圖4可見，差厚圓管在軸向載荷作用下，管件首先進入線彈性階段，然后靠近加載壓頭局部區(qū)域出現(xiàn)屈服，載荷明顯回落，隨后載荷保持在低位并出現(xiàn)周期性的起伏。當加載壓頭下降到30mm左右時，載荷開始隨著位移的增加呈現(xiàn)明顯的遞增趨勢，在70mm左右達到峰值。此后在高位繼續(xù)周期性的起伏直至管件完全壓潰。由圖3和圖4兩條曲線對比來看，對吸能盒部件而言，差厚管結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)等厚管結(jié)構(gòu)具有更加理想的軸壓載荷-位移曲線。

圖3 傳統(tǒng)等厚圓管軸向壓潰典型載荷-位移曲線

圖4 差厚圓管軸向壓潰典型載荷-位移曲線

圖4 中虛線代表差厚管的平均載荷值，平均載荷是評價薄壁管件吸能特性的重要參數(shù)，平均載荷越大，相應吸收的能量也就越多，對保護行人與駕駛員的安全作用也就越大。為了驗證實驗的可重復性，對差厚管進行了3組實驗，表3列出了相應的參數(shù)。由3組實驗平均計算可得，鋼制差厚圓管的平均初始峰值為66.79kN，平均載荷為69.06kN。

表3 差厚鋼管軸向壓潰相關(guān)參數(shù)

2.2 變形模式

薄壁管件的載荷-位移特性很大程度上是由其變形模式?jīng)Q定的。圖5給出差厚圓管在不同軸壓位移時(與圖4相對應)的變形狀態(tài)。

管件上端為薄壁區(qū)，下端為厚壁區(qū)，在加載初期，首先在管件靠近加載壓頭的區(qū)域最先進入塑性變形階段，產(chǎn)生塑性屈曲。隨著塑性鉸與軸線傾斜角度的增大，疊縮單元向外側(cè)彎折，后隨著塑性鉸彎曲角度的繼續(xù)增大，受屈服影響區(qū)域的逐漸增大，塑性鉸彎折逐漸向下移行，直至產(chǎn)生第二個疊縮單元，塑性鉸開始向內(nèi)彎曲，載荷再次升高。之后隨著向外、向內(nèi)管壁褶皺的交替出現(xiàn)，載荷呈現(xiàn)周期性的起伏。需要指出，差厚管在軸壓下薄壁區(qū)最先進入塑性階段，其變形模式為軸對稱模式，這與管徑和壁厚比有直接關(guān)系。隨著加載壓頭的繼續(xù)下降，差厚管受壓潰載荷作用的壁厚開始增加，此時厚度變化、材料性能、幾何缺陷會對塑性鉸的運動產(chǎn)生影響，并促使塑性鉸運動產(chǎn)生偏移，當偏移超過穩(wěn)定范圍，管壁就會產(chǎn)生局部失穩(wěn)，軸對稱變形模式便向非軸對稱變形模式轉(zhuǎn)換。

圖5 差厚圓管軸向壓潰變形模式圖

2.3 失效模式

圖6 給出差厚圓管在給定實驗條件下的最終失效模式。實驗結(jié)果表明，其為混合模式，由3個軸對稱變形單元和2個非軸對稱三葉金剛石單元組成。與傳統(tǒng)等壁厚管相比，差厚管的折疊鉸波長逐漸增加，變形模式更加穩(wěn)定。此外，差厚管件受軸向加載時具體何處最先產(chǎn)生塑性屈曲通常無法預知，而通過大量實驗得出差厚管通常在薄壁端開始變形，后逐漸向厚壁端擴展。因此，汽車設(shè)計人員可以根據(jù)實際情況，并結(jié)合變形理論，采用不同規(guī)格差厚薄壁管來實現(xiàn)誘導變形壓潰的目的。

圖6 差厚圓管最終失效模式圖

3 拼焊管與差厚管的性能對比

3.1 載荷-位移曲線

為評價兩種管件結(jié)構(gòu)在軸向壓潰下的承載能力，圖7給出了幾何等效的拼焊管與差厚管的軸向壓潰載荷-位移曲線。結(jié)合表4給出的參數(shù)可知，兩種管件初始峰值載荷分別為66.79，56.61kN。達到初始峰值后兩種結(jié)構(gòu)載荷快速回落，接著對應于向內(nèi)向外翻折變形，載荷出現(xiàn)周期性的起伏。差厚管由于其壁厚沿軸向緩慢均勻增加，因此載荷隨著位移的增高呈現(xiàn)緩慢遞增的趨勢，可起到引導變形的作用；而拼焊管由于在管件中部厚度突變，因此載荷在大約剛過一半位移時便上升到了高位。

圖7 兩種管件結(jié)構(gòu)的軸向壓潰載荷-位移曲線

表4 差厚鋼管軸向壓潰重要參數(shù)

3.2 變壁厚管件吸能特性

汽車吸能部件在工作條件下所吸收的能量為

薄壁管件壓潰變形吸收的總能量主要是由塑性鉸彎曲變形能和塑性鉸之間管壁的伸長變形能組成。圖8為兩種變壁厚管件軸向壓潰的能量-位移曲線。由圖8可知，差厚管吸能隨位移增加平穩(wěn)提高，在壓潰前期能量吸收效率不高，而后期隨著壁厚的線性增加逐漸升高，起到了很好的安全吸能效果。而拼焊管在壓潰前期吸能效率相對較低，當加載位移達到67mm左右時能量曲線出現(xiàn)了明顯拐點，之后吸能效率迅速提高。對兩種結(jié)構(gòu)完全壓潰前(總位移約120mm)的吸收總能量進行對比，通過式(1)計算和3組實驗平均，得出拼焊管平均吸收總能量為7 427J，而差厚管平均吸收總能量為8 287J，相比之下提高了11.58%。

圖9列出兩種結(jié)構(gòu)管件在軸向位移分別為30，60，90和120mm時能量吸收的柱狀圖，結(jié)合圖中數(shù)據(jù)能更直觀地說明上述結(jié)果。

圖8 兩種變壁厚管件軸向壓潰能量-位移曲線

圖9 兩種變壁厚管件壓潰能量隨位移變化柱狀圖

與拼焊管相比，當加載壓頭沿軸向加載60mm時，差厚管多吸收了86.48%的能量，而當加載壓頭加載到位移為120mm時，能量吸收值則只多了15.53%。分析原因可知，能量吸收的差異與兩種結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的失效模式不同有關(guān)，差厚管失效模式為混合模式，比拼焊管的非軸對稱模式吸能效率高，變形也更加穩(wěn)定。

綜合上述實驗結(jié)果，在汽車安全部件應用領(lǐng)域，差厚管具有更廣闊的應用前景。汽車設(shè)計人員可以根據(jù)零件的受力特點，設(shè)計并制造壁厚以及性能均變化的汽車部件，提高汽車安全性的同時實現(xiàn)輕量化目標。

4 結(jié)論

(1)與等厚管相比，差厚管在軸向壓潰條件下初始峰值較低，隨著壓潰變形的深入，管件壁厚均勻增加，載荷值呈穩(wěn)定遞增趨勢，且在壓潰后期載荷值逐漸穩(wěn)定。

(2)加載初期，差厚管薄壁端最先產(chǎn)生塑性彎曲，后隨著軸向加載的進行，疊縮變形逐漸向厚壁端擴展。最終失效模式為混合模式(3個軸對稱單元和2個非軸對稱單元)，該結(jié)構(gòu)折疊鉸波長增加，變形穩(wěn)定。

(3)對比分析兩種變壁厚管軸向壓潰性能可知，差厚圓管由于其壁厚沿軸向連續(xù)變化，載荷和吸能值隨著加載位移的增加穩(wěn)定提高，拼焊管吸收總能量為7 427J，差厚管為8 287J，增加了11.58%。

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