基于FEM的吸能盒模具優化設計

陳秋平 董萬鵬 張震 李鵬飛

摘要：為實現汽車輕量化，用鋁制吸能盒代替原先鐵制吸能盒，利用SolidWorks軟件建立吸能盒的幾何模型，以吸能盒模型的橫截面形狀為變量，通過對9種不同橫截面形狀吸能盒進行CAE分析，數據結果表明，正六邊形蜂巢結構吸能盒的吸能效果最佳，能更有效地保護乘員安全。

關鍵詞： 吸能盒; 輕量化; CAE分析; 汽車; 吸能效果

【Abstract】 In order to realize the lightweight of the car， the aluminum energy absorbing box is used to replace the original iron energy absorbing box， and the geometric model of the energy absorbing box is established by SolidWorks software. The cross sectional shape of the energy absorbing box model is used as a variable， and 9 different cross sections are adopted. The shapes of energy absorbing box are used for CAE analysis. The data results show that the positive hexagonal honeycomb structure energy absorbing box has the best energy absorption effect， which can more effectively protect the occupant safety.

【Key words】 ?energy absorbing box; lightweight; CAE analysis; automobile; energy absorption effect

0 引 言

汽車吸能盒置于保險杠后部，在汽車發生碰撞時，通過吸能盒的塑形變形，沖擊能大部分被吸能盒吸收，大大減少了乘客所受到的沖擊能，提高了乘客乘車安全性。20世紀60年代開始，學者們對吸能盒的材料進行了大量研究，在高分子復合材料、金屬材料、蜂窩材料等方面已有所突破[1]。隨著汽車行業的發展，近年來對汽車吸能盒的研究層出不窮。在國外，Qureshi等人[2]提出了6種不同類型的吸能盒表面模型，并利用商用預處理器（Tm）和商用顯式粒度（Tm）對43個樣品進行了模擬。在國內，鐘志華院士[3]首先對汽車抗碰撞性能進行了研究，并對汽車吸能部件和緩沖裝置進行優化;楊永生[4]對汽車保險杠系統低速碰撞性能進行研究;萬鑫銘等人[5]提出將近似模型技術和數值優化方法引入到汽車用吸能盒的耐撞性優化設計;都雪靜等人[6]用蜂窩狀實體結構代替低碳鋼薄管結構，吸能盒性能有很大的提升。本文在前人的基礎上，對吸能盒的截面形狀以及結構進行設計和優化，用有限元法對其進行模擬碰撞實驗，根據9種不同吸能盒的模擬碰撞位移和應力分析結果，實驗表明：正六邊形蜂巢結構吸能盒的吸能效果最佳，與另外8種結構的吸能盒相比，吸能性有較大提高。

1 材料和方法

1.1 選擇吸能盒材料

對于吸能盒材料的選擇，首先需要滿足結構的安全性，其次需要考慮生產制造的成本、維修的方便性、節能環保和輕量化。研究可知，鋁合金與傳統低碳鋼相比，滿足材料的強度硬度要求;同時，鋁合金還具有環保、節能、質量輕等優點。對比分析鋁合金（6061）和低碳鋼（Q435）的力學性能，詳見表1。

通過表1中數據的對比，鋁導熱性好，汽車碰撞時，吸能盒在吸收能量變形時，能將熱能快速傳遞到外界;鋁表面有致密氧化膜Al2O3，有效阻止內部氧化，確保吸能盒的質量穩定。隨著壓縮的不斷進行，鋁合金產生應變硬化效應，流變應力、屈服強度、抗壓強度均隨應變速率的增大而增大[7]。鑒于此，選擇鋁合金（6101）作為吸能盒材料。

1.2 方法

1.2.1 吸能盒三維模型設計依據說明

圓形、正六邊形、正八邊形薄壁梁具有較高最大峰值碰撞力，潰縮距離小，正方形薄壁梁最大峰值碰撞力小，潰縮距離大，結合圓形截面和正方形截面的優勢[8]。通過綜合考慮吸能盒的材料、結構的可加工性、成本、節能環保、輕量化五個因素，主要從三方面進行吸能盒結構設計改進：圓形截面、正六邊形截面和三角形截面。

1.2.2 構建吸能盒三維模型

利用SolidWorks軟件建立吸能盒三維模型，截面最大尺寸為150 mm×150 mm，吸能盒高度為170 mm。研究得到的9組橫截面積所對應的吸能盒三維模型如圖1所示。汽車在碰撞過程中，其速度迅速下降并到達靜止狀態，由于汽車質量較大，在碰撞過程中會產生巨大的動量，而碰撞時間極短，將會產生極大的作用力。根據這一原理，用SolidWorks軟件模擬整個過程，得到鋁制吸能盒的變形狀況。

2 模擬計算結果

分別對9個不同橫截面和結構的吸能盒模擬碰撞分析，一般私家車的質量在1.4～2.1噸之間，取碰撞速度為50 km/h，碰撞時間為60 ms。根據上述分析可以計算出撞擊力為4.63×104 KN，取碰撞時吸能盒受力為4.63×104 KN。使用軟件進行單元網格劃分，設定模型材料為6061鋁合金。然后對模型施加載荷，并設定夾具固定一端，求解后得出位移和應力圖（見圖2），并對位移和應力圖進行整理分析，分析后結果見表2。

通過上述實驗過程的分析，計算出9組方案中各自的吸能值，其結果見表2。通過對比，施加同樣大小的應力（55.15 MPa）時， 圖2（e）組方案位移值（8.482 mm）最大，吸能值（467.782 J）最大，吸能效果最好。與傳統吸能盒設計（應力：62.18 MPa，吸能：409.616 J）相比，新結構能量吸收提高了14.2%，吸能盒最大碰撞力比原設計減小了 11.3%。該實驗結果表明，在低速碰撞情況下，正六邊形蜂巢結構吸能盒能吸收大部分撞擊能，降低乘客發生事故的風險。

3.2 試驗結果與分析

（1）不同截面形狀的比較。不同橫截面對應的吸能盒吸收能量的差異很大。正六邊形輪廓的吸能盒吸收的能量要遠多于圓形輪廓和正方形輪廓吸能盒吸收的能量，而正方形輪廓的吸能盒整體平均吸收的能量比圓形多。究其原因就在于正方形及六邊形截面有棱角，可以充當誘導槽的作用，正六邊形亦比正方形截面更加合適。而對于圖2（i）三角形管狀結構方案設計來說，由于其三角形結構的緣故，使得金屬流動阻力增大，且容易導致應力集中，故吸能效果最不明顯，遠不及此次實驗的其他結構。

（2）不同結構的比較。受力方向的截面差異的位置結構方面來看，正對于受力位置的截面形狀中圖2（a）雙內圓形結構的吸能效果最好，垂直于受力位置的截面形狀中圖2（e）正六邊形蜂巢結構的吸能效果最好，通過改變垂直于受力位置的截面形狀得到的吸能效果遠遠優于改變正對于受力位置的截面形狀。因此在結構優化中的截面優化最好是優化垂直于受力方向的截面。

4 結束語

影響吸能盒撞擊性能的結構因素有很多，從所分析的9種吸能盒結構得出結論：正六邊形蜂巢輪廓的吸能盒，吸能性相比更好。本實驗基于有限元數值模擬分析，未進行實際的試驗驗證，其試驗結果真實性雖滿足試驗要求，但仍有進一步提升的空間。針對此現象，可考慮用實際的縮小比例實物，進行真實的碰撞試驗，進一步完善并驗證試驗的可靠性。

參考文獻

[1] 師光耀. 基于ANSYS Workbench的汽車吸能盒碰撞仿真及優化設計研究[D]. 石家莊：河北科技大學，2015.

[2]QURESHI O M， BERTOCCHI E. Crash behavior of thin-Walled box beams with complex sinusoidal relief patterns[J]. Thin-Walled Structures， 2012， 53：217.

[3]張維剛，鐘志華. 汽車正碰吸能部件改進的計算仿真[J]. 汽車工程， 2002，24（1）：6.

[4]楊永生. 汽車保險杠系統低速碰撞性能研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學，2009.

[5]萬鑫銘，徐小飛，徐中明，等. 汽車用鋁合金吸能盒結構優化設計[J]. 汽車工程學報，2013， 3（1）： 15.

[6]都雪靜，韋麗蘋. 吸能盒盒體內部結構的改進[J]. 重慶理工大學學報（自然科學）， 2015， 29（12）：7.

[7]易兆祥，李新和，常士武，等. 2219鋁合金熱壓縮時的流變應力本構方程[J]. 機械工程材料，2018，42（7）： 53.

[8]柳艷杰，胡焜，夏春艷，等. 低速碰撞時汽車前縱梁的數值仿真與優化設計[J]. 哈爾濱商業大學學報（自然科學版）， 2008，24（3） ： 347.

[9]梁建術，師光耀，駱孟波，等. 汽車吸能盒的結構優化設計[J]. 機械設計與制造，2016（9）：16.

[10]LU Rihuan， GAO Weizhao， HU Xianlei， et al. Crushing analysis and crashworthiness optimization of tailor rolled tubes with variation of thickness and material properties[J]. International Journal of Mechanical Sciences， 2018， 136：67.

[11]楊星，于野，張偉，等. 基于三維多胞結構的汽車吸能盒優化設計[J]. 大連理工大學學報，2017，57（4）： 331.

[12]于用軍，郭永奇，李飛，等. 鋁合金吸能盒的結構設計及耐撞性分析[J]. 汽車實用技術，2017（22）：55 .

[13]KONDA A K， FARMER R， SOREN K R， et al. Structural modelling and molecular dynamics of a multi-stress responsive WRKY TF-DNA complex towards elucidating its role in stress signalling mechanisms in chickpea[J]. Journal of Biomolecular Structure and Dynamics， 2018，36（9）：2279.

[14]雷剛，譚皓文，樊偉，等. 基于汽車正面碰撞的吸能盒設計及優化[J]. 重慶理工大學學報（自然科學版）， 2013， 27（3）：1.

[15]朱學武，王士彬，張健. 內高壓碰撞吸能盒的耐撞性能開發[J]. 汽車技術，2018（7）：43.

[16]鄧小林，劉旺玉. 一種負泊松比正弦曲線蜂窩結構的面內沖擊動力學分析[J]. 振動與沖擊， 2017，36（13）：103.

[17]李超超，向建華，王慧敏，等. 汽車保險杠系統吸能盒結構參數對低速碰撞下吸能特性的影響[J]. 西安交通大學學報， 2017， 51（10）：77.

[18]付炯. 轎車追尾碰撞結構安全性仿真優化研究[D]. 長沙：湖南大學，2011.

[19]曲明. 汽車吸能盒結構低速正面撞擊的數值仿真研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學，2008.

[20]董宗岐. 基于沖壓成型的汽車吸能盒碰撞吸能特性的仿真研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學，2013.