車輛薄壁管結構優化的耐撞性應用研究

鄭偉，趙治軍，李迎弟

（長安大學，陜西 西安 710064）

前言

國家統計局發布的《2016年國民經濟和社會發展統計公報》顯示，截止到2016年末，全國民用汽車保有量為19440萬輛，比上年末增長 12.8%。隨著全國汽車保有量的快速增長，道路交通事故也頻繁發生。基于國家統計局發布 2006-2015年數據分析，得到全國交通事故發生數和民用汽車保有量總計的折線圖，以及全國交通事故和汽車交通事故死亡人數總計的折線圖。

據國家統計數據顯示，2015年全國交通事故總計發生有187781起，共造成58022人死亡，直接財產損失總計達103692萬元。而其中汽車交通事故有 129155起，導致共有 42388人死亡，直接財產損失達89518萬元。造成交通事故人員死亡的原因有多種，包括醉酒駕駛、車輛超速、駕駛員行為、道路環境和車輛類型。為了減少對駕駛員和乘員的傷害，目前采取措施有：改善車輛設計提高耐撞性，提高交通控制能力和改善道路。這些措施在一定程度上減少了傷害，并且最近的研究表明，汽車設計的改進在死亡率下降中發揮了重要作用。因此有必要改善車輛的耐撞性，因為在交通事故發生時它對于保護人員起主要作用。

圖1 全國交通事故發生數和民用汽車保有量總計

車輛耐撞性研究是國內外車輛被動安全研究領域一個重要的方面，而通過薄壁管結構優化的方法來增強車輛耐撞性，則是安全領域中的一個研究熱點。本文通過系統地對國內外車輛薄壁管優化耐撞性研究方面的理論、方法以及研究的成果進行綜述，旨在為更加全面科學地評估車輛安全性以及改善車輛設計提供理論借鑒。

圖2 全國交通事故和汽車交通事故死亡人數總計

1 車輛耐撞性涵義及薄壁管結構優化理論

1.1 薄壁管結構優化方法理論

當前很多基于梯度和拓撲結構啟發式的方法大多數是設計成剛性結構。這些結構雖然可以一定程度地提高能量吸收能力，減少外物侵入，但對于車輛耐撞性而言，車輛結構應該兼顧剛度和柔度特性。受沖擊載荷的薄壁管結構會有三種變形模式：漸進屈曲，動態塑性屈曲和歐拉型屈曲（整體彎曲）。其中漸進屈曲因其有理想的變形特性：低峰值反力和較高的能量吸收率，所以是最可取的模式。但漸進屈曲只有在純軸向載荷下才能發生，而在實際的碰撞過程中，薄壁管結構很少只受純軸向載荷，通常情況是在斜碰撞中同時受到軸向力和彎矩。如果加載角度高于臨界值，薄壁管在斜沖擊下會發生歐拉型屈曲。這種變形模式嚴重降低了薄壁管結構的能量吸收能力。

1.2 可控能量吸收理論

能量吸收是車輛耐撞性結構最重要的特征，而控制能量吸收則是結構設計的關鍵，這就要求對結構優化時必須考慮適應相互矛盾的標準，如：最大加速度和最大接觸力約束，避免司機和乘客由于太大的作用力而受傷；最大變形約束，避免由于侵入乘客艙而使乘客和司機受傷。在碰撞過程中，薄壁管結構需要按照預定設計的力-位移的進行屈曲。除了控制最大接觸力和最大入侵程度，其他因素如載荷路徑和屈曲模式也是應該考慮的重要因素。在碰撞過程中，剛性結構表現為承受高峰值力，而擠壓變形小；柔性結構則是低峰值力，擠壓變形大。但兩種情況結構可以吸收相同的能量。耐撞性設計需要考慮如何控制能量吸收以及變形特性。

2 薄壁管結構優化研究進展

2.1 復合材料與泡沫填充結構研究

復合材料和泡沫填充結構是針對薄壁管優化的兩個重要領域。復合材料方面主要有基于復合材料的能量吸收性能研究，以及結構和材料特性對失效機理的影響。復合材料的比強度高，吸能特性優異，同時又易于設計，所以此項研究開展較早而同時也被用作吸能材料。Mamalis等人對影響復合材料能量吸收性能的因素，包括幾何結構，基體與纖維材料，以及試驗的加載方式進行了研究，由于大多數復合材料是脆性材料，對沖擊損傷很敏感，所以需要進行合理的引導控制破壞設計。

泡沫填充結構方面主要有基于實驗分析與數值模擬對破壞機理研究，以及基于準靜態和動態沖擊實驗對密度和壁厚研究。在軸向載荷作用下，非緊湊的擠壓變形和整體屈曲行為被消除在泡沫填充管中。此外，與相同大小的空管比較，負載參數（即方向性和均勻性）對泡沫填充管影響較小，并且泡沫填充管在折疊破壞過程更穩定。

2.2 結構屈曲行為與吸能特性研究

結構屈曲行為與吸能特性研究主要有基于準靜態與動態測試的屈曲與吸能特性研究，分析軸向載荷作用下結構對吸能特性影響[1]，分析斜沖擊載荷作用下結構對吸能特性影響，基于碰撞試驗、仿真的薄壁管優化研究[2,3]，分析焊點對吸能特性和變形模式影響。Petsios研究了薄壁管的屈曲行為，對薄壁管進行了準靜態與動態測試。在國內，黃金陵等人等對薄壁管結構進行了實驗和數值仿真的研究。裘新等通過實驗驗證了有限元模型的有效性，并提出了提高車輛安全性的改進方案。李志斌等人通過對薄壁管結構進行軸向壓縮實驗，來研究屈曲模式及能量吸收特性。解躍青等人則基于焊點質量、間距以及分布方式，對薄壁管吸能特性的影響進行了分析研究。

2.3 誘導槽、錐形和多細胞結構研究

誘導槽、錐形和多細胞結構研究主要集中在幾何參數與結構分析，以及實驗和仿真分析方面。誘導槽是利用其應力集中效應，引導發生特定的軸向屈曲模式，在結構中的擠壓變形區用以執行漸進屈曲以提高能量吸收率。Eren等人描述了可以降低峰值力的各種誘導槽的使用，以及它們對屈曲模式的影響。在錐形和多細胞結構的研究方面，Nagel和Tham-biratnam比較了在準靜態、軸向動態以及離軸動態沖擊載荷下，直薄壁矩形管和圓錐薄壁矩形管的能量吸收情況。結果表明在斜沖擊載荷作用的情況下，采用錐形管進行能量吸收更優。此外還研究了幾種細胞結構模型在軸向壓縮下的能量吸收情況和承載能力。Chai則研究了矩形元胞拓撲結構的多層、多胞和多薄壁管三種方式的能量吸收特性。Zhang等人采用理論分析與實驗相結合的方法，對于兩細胞管結構、三細胞管結構以及四細胞管結構的變形方式以及吸能特性進行了研究。

3 薄壁管結構優化設計研究方法

研究人員嘗試用不同的方法對耐撞性薄壁管結構進行優化設計。Salehghaffari等人提出，從厚壁管外表面的特定區間加工寬圓周槽，環（較厚部分）作為封閉薄壁管段的外部加強筋。當加筋薄壁管承受軸向壓縮時，相鄰兩個環狀加強筋之間的薄壁部分折疊，從而提高了能量吸收率。研究人員也對錐形薄壁結構進行優化設計。為了解決均勻密度泡沫填料的缺點，研究人員引入功能梯度泡沫填料，其中包含以預定義的方式連續變化的單元。 隨著計算機軟硬件和信息技術的快速發展，車輛分析人員逐漸采用非線性有限元分析來進行薄壁管結構優化耐撞性研究。基于數值模擬和耐撞性優化分析也是近年來國內外相對流行的分析方法，對撞壓變形和吸能特性進行研究，并建立結構幾何參數與其吸能特性的關系式，為不同的全局近似函數編制相應的程序，從而實現對于結構優化的自動分析。

與傳統的試驗方法相比，有限元分析仿真及基于數值模擬和耐撞性優化分析有如下優點：1）條件要求低，分析難度小；2）所需成本低，設計周期短；3）過程更容易監控，設計數據更加準確合理。

4 結論

薄壁管結構因具有質量輕、軸向強度高、良好的吸能特性等特點，受到許多學者的廣泛關注。作為車輛正面碰撞時最主要吸能部件，研究考慮結構質量較輕，而碰撞吸能效率高的薄壁管結構優化問題，對于車輛的碰撞安全也就具有非常重要的意義。因此，薄壁管結構優化耐撞性研究有其重要的應用前景。有利于提高車輛碰撞和道路交通的安全水平，同時為車輛的安全設計提供理論指導。

5 展望

薄壁管結構優化耐撞性研究依然是車輛被動安全領域的重要問題，下一步的研究應該主要集中在：1）深入分析復合材料薄壁管耐撞性，對其進行相關優化研究及實際應用領域問題還有廣闊前景；2）繼續開展對厚度呈梯度變化的泡沫鋁填充結構以及多細胞結構的耐撞性優化研究；3）對變形機理更深入的理論研究，更加準確地得到不同變形模式的臨界值，從而優化薄壁管結構來預測控制結構發生穩定變形模式，將會是耐撞性領域的關鍵課題。