汽車吸能盒的結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

成海飛，趙奉奎，張涌

（210037 江蘇 南京市 南京林業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院）

0 引言

2020 年，中國汽車工程學(xué)會提出的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》，肯定了汽車輕量化設(shè)計作為汽車設(shè)計重要領(lǐng)域的關(guān)鍵性技術(shù)，比如車用鋁合金件大面積的使用。在保證輕量化的前提下，汽車的安全性也必須得到重視。吸能盒是車身防撞結(jié)構(gòu)的重要組成部分，是連接保險杠防撞梁和車身前縱梁的重要吸能部件，在中層沖擊力傳遞過程中發(fā)揮了關(guān)鍵的承接作用，能夠在碰撞過程中吸收20%左右的能量，尤其在中低速碰撞中可防止車身縱梁發(fā)生變形，可降低車輛日常使用中的維修費(fèi)和保險費(fèi)。

關(guān)于吸能盒特性的研究，目前主要是從結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化、材料的選配、研究方法等方面開展[1]。文獻(xiàn)[2-3]將簡化后的仿生結(jié)構(gòu)應(yīng)用到傳統(tǒng)吸能盒結(jié)構(gòu)設(shè)計中，通過碰撞仿真實驗，證明了設(shè)想的可行性，即新型吸能盒的吸能效果顯著；文獻(xiàn)[4-7]針對吸能盒的材料形狀、厚度、誘導(dǎo)槽的位置分布進(jìn)行了相應(yīng)研究，通過對選取的評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行橫縱比較，得到了一種較優(yōu)的模型結(jié)構(gòu)，使汽車在低速正面碰撞下吸能盒可以盡可能有效地吸收壓潰能量以保護(hù)車身和減輕乘員傷害。更多的學(xué)者致力于通過正交試驗和拉丁超立方法抽取樣本點構(gòu)建各響應(yīng)值的Kriging 近似模型，結(jié)合一些算法對模型進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，使得吸能盒的變形壓縮模式更充分、有序，為汽車其他結(jié)構(gòu)件的輕量化和性能研究提供了新的思路與方法[8-13]。

本文主要立足于對吸能盒結(jié)構(gòu)的研究，通過在正六邊形鋁合金吸能盒結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置不同位置的加強(qiáng)肋板，利用Pro/E 和HyperMesh 進(jìn)行模型的建立與處理，通過有限元求解和結(jié)構(gòu)靜力分析，得到碰撞模型的撞擊結(jié)果動畫，應(yīng)用LS-PrePost 對圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行整合與處理。最后，在原方案基礎(chǔ)上，結(jié)合仿生竹節(jié)的結(jié)構(gòu)對吸能盒結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，通過仿真分析，證明了該結(jié)構(gòu)的合理性，為吸能盒的理論研究提供了一定的參考。

1 吸能盒的設(shè)計原則和評價指標(biāo)

1.1 吸能盒的設(shè)計原則

汽車發(fā)生低速碰撞時，傳力途徑主要經(jīng)過前吸能區(qū)（保險杠和吸能盒）和中吸能區(qū)（縱梁）。為發(fā)揮汽車被動安全性的良好吸能水平和降低維修費(fèi)用，吸能結(jié)構(gòu)在設(shè)計過程中主要通過以下原則使其達(dá)到較優(yōu)效果[14]：（1）按照先吸能盒后縱梁的變形順序進(jìn)行；（2）在低速碰撞中能以相對固定的模式吸收碰撞動能，吸能的不良變形形式需要盡量完全避免；（3）吸能盒應(yīng)該在尺寸合理的情況下盡可能多地吸收碰撞量；（4）在低速碰撞中吸能盒以均勻穩(wěn)定的方式發(fā)生軸向褶皺變形；（5）安裝位置合理，便于維修。

1.2 吸能盒的評價指標(biāo)

在研究吸能盒結(jié)構(gòu)碰撞性能時，評價指標(biāo)主要有緩沖能力、吸能量和位移量[15]。

（1）緩沖能力

碰撞力峰值是指車輛發(fā)生撞擊時產(chǎn)生的最大荷載，其值與吸能盒的結(jié)構(gòu)形狀、材料選取等息息相關(guān)，汽車被動安全性指標(biāo)Fmax越小越好。通過動畫模擬和數(shù)據(jù)處理，發(fā)現(xiàn)Fmax一般出現(xiàn)在吸能盒開始發(fā)生潰縮時，其值應(yīng)低于承載部件的許可參數(shù)，否則會降低汽車的整體性能，使汽車各系統(tǒng)間的配合不協(xié)調(diào)。在汽車發(fā)生低速正面碰撞時，防撞梁把自身無法吸收的能量傳遞給吸能盒以達(dá)到緩沖效果，這樣吸能盒的軸向變形程度也會有所改善。平均碰撞力Fav可以理解為吸能盒單位位移上吸收的能量，即總吸能量Etotal與壓縮位移s 之間的比值，可表示為

（2）吸能量E

總吸能量（此中為內(nèi)能）是指吸能盒—剛性墻系統(tǒng)在壓潰變形過程因為兩者之間的相互作用力而產(chǎn)生的碰撞能量，其值與吸能盒變形量和兩者之間產(chǎn)生的沖擊力有關(guān)，E 越大則說明吸能特性越好。計算公式為

式中：F（s）——碰撞力；s——壓縮變形位移；δe——最大變形量。

比吸能量ESEA指的就是單位質(zhì)量內(nèi)吸收到的能量，定義為總吸能量Etotal與質(zhì)量M 的比值：

在相同條件和技術(shù)要求的制約下，較優(yōu)的吸能特性應(yīng)該是比吸能量和總能量盡可能大，這樣可以減小沖擊對乘客安全的威脅以及對汽車重要部件的損壞。

（3）位移量

汽車發(fā)生軸向正面碰撞時，能夠表征吸能盒吸能潛力的一個指標(biāo)就是最大變形量，即在吸收更多外界傳遞能量的同時，還擁有更強(qiáng)的變形余地，這有利于汽車發(fā)生碰撞時提高安全性能。最大變形量可以通過壓縮位移s 衡量，通常指的是從剛性墻接觸吸能盒開始到低速正面碰撞過程完全結(jié)束的時間段內(nèi)，吸能盒所遍歷的軸向壓縮位移量，其值越小，表征吸能盒在對抗沖擊的過程中性能更加優(yōu)良，能夠更好地保護(hù)乘客安全，大大降低防撞系統(tǒng)之后汽車主要結(jié)構(gòu)件的維修費(fèi)用。

2 吸能盒模型建立

目前，吸能盒材料主要還是采用傳統(tǒng)鋼材加工與裝備，但是在相同力學(xué)性能條件下，鋁合金質(zhì)量比鋼材輕69%，且碰撞過程中吸收的能量比鋼材多50%[16]。綜合考慮正面低速碰撞過程中乘員安全與舒適性要求以及《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》中關(guān)于輕量化技術(shù)的指示，選取汽車吸能盒材料，具體參數(shù)如表1 所示。牌號為6061-T6的鋁合金材料是高品質(zhì)鋁合金6000 系列中經(jīng)常選配的材料，主要合金元素有硅、鎂，是6061 鋁合金處于固溶熱處理后進(jìn)行人工時效的狀態(tài)，具有加工性能極佳、優(yōu)良的焊接特點和韌性高等特點，廣泛應(yīng)用于汽車車體結(jié)構(gòu)件。

表1 吸能盒材料參數(shù)選取Tab.1 Material parameter selection of energy absorbing box

為了更好地研究汽車在正面碰撞過程中吸能盒的吸能特性，對現(xiàn)實情況下的障礙物與車輛系統(tǒng)模型進(jìn)行了簡化，得到了如圖1 所示的壓潰系統(tǒng)，根據(jù)汽車維修委員會（RCAR）[17]制定的正面碰撞測試標(biāo)準(zhǔn)，把障礙物抽象為質(zhì)量500 kg、初始速度16 km/h 的剛性不變墻，用來碰撞不產(chǎn)生平動、轉(zhuǎn)動的吸能盒。由于正六邊形吸能盒吸能參數(shù)較其他截面形狀表現(xiàn)得更加均衡[18]，在此基礎(chǔ)上在內(nèi)腔內(nèi)加焊肋板進(jìn)行結(jié)構(gòu)的一次設(shè)計。參考以往的研究及經(jīng)驗，吸能盒參數(shù)選取：長度160 mm，截面周長240 mm，壁厚和肋板厚度均為2 mm。吸能盒內(nèi)腔加焊加強(qiáng)肋板必然會導(dǎo)致其吸能特性發(fā)生變化，肋板個數(shù)并非越多越好。為了在壓潰過程中保證吸能盒能夠更好地發(fā)生褶皺變形，本文將肋板個數(shù)定為2，具體方案示意圖如圖2 所示。

圖1 剛性墻—吸能盒正面碰撞系統(tǒng)模型Fig.1 Rigid wall—energy-absorbing box frontal collision system model

圖2 吸能盒形狀、結(jié)構(gòu)方案設(shè)計示意圖Fig.2 Schematic diagram of shape and structure design of energy absorbing box

3 吸能盒仿真結(jié)果分析

由于剛性墻和吸能盒系統(tǒng)中獨(dú)立個體的受力作用遵循牛頓第三定律，所以用剛性墻所受的作用力表征吸能盒在壓潰過程中承受的力，吸收盒的軸向壓縮變形的特征是2 個面從接觸開始到仿真結(jié)束之間發(fā)生的位移變化。本文在對吸能盒特性分析時，選用峰值載荷、總吸能量和壓縮位移與時間的關(guān)系作為評價指標(biāo)。為了更好地獲得能量吸收特性，通常期望小的峰值載荷、大的能量吸收和小的變形。通過對Ls-Dyna 仿真動畫得到的數(shù)據(jù)集進(jìn)行處理，得到如圖3 所示的結(jié)果。

不同方案吸能盒在壓潰過程中的吸能量、位移隨時間的變化曲線如圖3、圖4 所示，峰值載荷見表2。通過以上數(shù)據(jù)分析，在正面低速碰撞過程中，在腔內(nèi)添加加強(qiáng)肋板的吸能盒的總吸能在方案1 的基礎(chǔ)上都有所提高，由于肋板布置方式不同，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度得到了或多或少的提升，也使得總吸能量發(fā)生了變化，漲幅分別為7.2%、7.5%、6.6%、9.7%。壓縮位移降低率為49.1%、50.5%、29.9%、45.1%，說明在變形量更小的情況下，吸能盒可以吸收更多的碰撞能量，使得汽車其它結(jié)構(gòu)件的維修成本大大降低。值得注意的是，出現(xiàn)在碰撞初期的峰值載荷明顯以更高的倍率增加，這種現(xiàn)象的發(fā)生會造成乘客所處的環(huán)境更逼近暴露極限，在這一瞬間受到的沖擊更加劇烈，舒適性得不到保障。

圖3 各方案吸能盒吸能量變化曲線Fig.3 Change curve of energy absorbed by energy absorbing box of each scheme

圖4 各方案吸能盒壓縮位移變化曲線Fig.4 Compression displacement curve of energy absorbing box of each scheme

表2 各方案吸能盒峰值載荷Tab.2 Peak load of energy absorbing box of each scheme

綜上所述，吸能盒的吸能特性并不能因為某一評價指標(biāo)出眾則認(rèn)為此方案更適合實際碰撞應(yīng)用，而更多的是綜合考量取折中，在提高碰撞需求的同時，也要滿足乘客乘坐的舒適度，而方案5 恰恰比較符合，但是由于其峰值載荷過大，需要對其進(jìn)行再次優(yōu)化設(shè)計。

4 吸能盒結(jié)構(gòu)優(yōu)化與分析

4.1 仿生吸能盒結(jié)構(gòu)的提出與設(shè)計

節(jié)在禾本植物的生長過程中扮演著極其重要的角色，它可以增加莖的機(jī)械強(qiáng)度（單位面積上所能承受的最大負(fù)荷），使其不易倒伏。本文根據(jù)竹子生長過程中存在的這一自然現(xiàn)象對上文取優(yōu)的吸能盒結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，在其縱向中心處添加如圖5 所示的加強(qiáng)節(jié)，此處仿生節(jié)的厚度理論上可取n（0＜n＜160 mm）。由于仿生節(jié)為實心體，隨著厚度的增加，吸能盒整體質(zhì)量增大，將無法保證輕量化設(shè)計的目標(biāo)，結(jié)合對仿竹節(jié)厚度的仿真對比，在本文中n=2 mm，得到圖6 所示吸能盒形狀。

圖5 竹子正視結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 A schematic diagram of frontal structure of a grass plant

圖6 仿生節(jié)吸能盒形狀圖Fig.6 Bionic bamboo joint energy-absorbing box shape diagram

4.2 仿生吸能盒仿真分析

通過HyperMesh 與LS-Dyna 處理與仿真，從動畫模擬與數(shù)據(jù)處理軟件LS-PrePost 中得到吸能盒正面碰撞過程中能量變化曲線。由于顯示分析采用1 階縮減積分會造成殼單元處于零能模式，接觸面的能量耗散會出現(xiàn)沙漏能，且沙漏能一般不應(yīng)超過總能量的5%[19]。從圖7 的系統(tǒng)能量變化曲線中可以看出，整個系統(tǒng)的能量構(gòu)成比較合理。總能量在保持基本不發(fā)生波動的情況下，沙漏能可以很好地控制在一個很小的正值范圍，且沒有超過系統(tǒng)總能量5%，也未發(fā)生突變，說明所建立的吸能盒有限元模型是可靠有效的。

仿生竹節(jié)吸能盒在壓潰過程中的系統(tǒng)能量變化、位移隨時間的變化曲線如圖7、圖8 所示。可以清楚地看出，仿生吸能盒總吸能量為4.81 kJ，削減為方案5 的98%，峰值載荷127.377 kN，降低率為16.7%。相對于方案5 來說，峰值載荷降低率遠(yuǎn)大于吸能量率，在總吸能量相差不大的情況下，峰值載荷有了明顯的改善。碰撞過程中，此吸能盒發(fā)生的褶皺變形是一種理想的變形模式，滿足在低速正面碰撞時能有效減少相對物體間的沖擊，減小撞擊對汽車主要部件損害的目的。

圖7 仿生竹節(jié)吸能盒系統(tǒng)能量變化曲線Fig.7 Energy change curve of bionic bamboo energy-absorbing box system

圖8 仿生竹節(jié)吸能盒壓縮位移變化曲線Fig.8 Compression displacement change curve of bionic bamboo joint energy absorbing box

5 結(jié)論

（1）建立剛性墻—吸能盒壓潰模型，進(jìn)行低速碰撞仿真，在吸能盒內(nèi)腔通過加筑加強(qiáng)肋板，研究其不同布置方式對吸能盒特性的影響，經(jīng)仿真分析，在確定的評價指標(biāo)綜合考量下，方案5 更符合要求，但是其峰值載荷過大，需要進(jìn)一步優(yōu)化。

（2）通過對節(jié)的研究，將其在竹子生長過程中起到的作用應(yīng)用到吸能盒結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，吸能盒峰值載荷降低了16.70%，吸能量降低了2.0%，壓縮位移基本保持不變，說明此方案顯現(xiàn)的效果更優(yōu)。此研究在保證輕量化的前提下，有效地提高吸能盒的耐撞性能和吸能特性，為整車安全性能的研究提供了理論依據(jù)。