仿生車門梁的有限元模擬與分析

左向前，李浩銘，海文博，馬凱銳，孫紅鈺，杜 偉，楊 洋

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450002）

近年來，隨著我國汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，汽車漸漸成為人們?nèi)粘Ｉ钪须x不開的交通工具，汽車擁有量的逐年遞增雖然使人們享受到了便利的交通，但交通事故、空氣污染等各種問題也隨之增加[1]。因汽車碰撞而引發(fā)的事故屬于交通事故的主要類別之一，碰撞形式多樣，如側(cè)碰、追尾、刮碰等，一般來說，不同碰撞形式的比例和傷亡率不同，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，28%的碰撞事故屬于側(cè)面碰撞事故，但死亡比例較高，約占碰撞事故死亡總數(shù)的34%[2]。

車門梁是汽車側(cè)面框架的重要部件，對提高汽車側(cè)面耐撞性能起著重要作用。在汽車碰撞安全性能方面，研究人員對車門梁的優(yōu)化進(jìn)行了研究并取得了重要成果。LEE等人采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和響應(yīng)面法，對橢圓形截面車門防撞梁的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[3]，研究顯示其參數(shù)改變后，車門梁的抗撞擊能力得到改善。MORE等設(shè)計(jì)了三種不同截面形狀的車門防撞梁，以抗彎和吸能作為評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行三點(diǎn)彎曲的靜力學(xué)仿真分析，確定了優(yōu)化參數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證防撞梁在優(yōu)化后吸能性能和剛度得到明顯提升，將防撞梁裝進(jìn)車門進(jìn)行碰撞仿真，結(jié)果表明車門抗彎力增加了 40%，侵入量明顯減少[4]。孫曉嶼等對四種車門梁有限元模型進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，得出結(jié)論：W 型車門梁與管狀車門梁相比較，抗彎性能更優(yōu)越[5]。印明勛等在某種類型汽車的前門使用管狀和帽狀防撞梁兩種結(jié)構(gòu)，利用仿真軟件進(jìn)行靜力學(xué)分析，得出管狀防撞梁更能增強(qiáng)車門耐撞性能[6]。

YANG研發(fā)出一種纖維增強(qiáng)材料車門梁，即在方形截面玻璃鋼薄壁管中埋入圓形截面碳纖維短管，并對其進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，研究表明這種新型結(jié)構(gòu)的防撞梁相對于傳統(tǒng)的復(fù)合材料車門防撞梁具有更高的強(qiáng)度、防撞性能以及優(yōu)良的吸能效果[7]。李傲以車門總成中重要防護(hù)件車門梁為研究對象，以一種新穎的聚合物泡沫填充夾芯管結(jié)構(gòu)改進(jìn)車門防撞梁設(shè)計(jì)，并用系統(tǒng)方法優(yōu)化夾芯管車門防撞梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)[8]。杜保華等建立了汽車側(cè)門把手及側(cè)門鎖系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，通過計(jì)算模塊可以快速準(zhǔn)確地找到耐側(cè)碰分析的最優(yōu)設(shè)計(jì)[9]。

對車門梁采用合適的截面結(jié)構(gòu)和材料，不僅能有效改善車身耐撞性能，還能起到一定的節(jié)能減排的作用。結(jié)構(gòu)仿生學(xué)給我們的發(fā)明創(chuàng)造提供了許多思路。那些經(jīng)過長期優(yōu)勝劣汰幸存下來的植物，看似簡單的莖稈結(jié)構(gòu)，卻具有極大的強(qiáng)度。本文根據(jù)小麥莖稈結(jié)構(gòu)特性為仿生設(shè)計(jì)原型，提出一種新型材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效提高車身強(qiáng)度，解決傳統(tǒng)存在的問題。

1 小麥莖稈橫截面微觀結(jié)構(gòu)

小麥莖稈雖然細(xì)而中空，但卻具有驚人的力學(xué)性能，它能夠承受起自身直徑200～300倍的長度，并能支撐起相較于自身而言沉重的麥穗的壓力。小麥莖稈具備優(yōu)異的力學(xué)特性的根本原因在于其微觀結(jié)構(gòu)，首先，它的最外面一層是致密且硬度較高的外皮，實(shí)質(zhì)為一種厚壁組織。內(nèi)層是薄壁組織，稀疏且硬度較低，一圈的維管束貫穿其中，維管束堅(jiān)硬有彈性，可支撐起植物的莖稈，類似于高樓大廈墻體中的鋼筋，該結(jié)構(gòu)正是本文要仿生小麥莖稈的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。上述三部分構(gòu)成了小麥莖稈，其橫切面微觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過對小麥莖稈切片微觀組織的觀察，可以觀察到穿插在其中的維管束形狀各式各樣，根據(jù)維管束橫截面不同的形狀，可以近似地將維管束橫截面劃分成幾個形狀類別，在這里劃分為圓形和正四邊形，分別如圖1中右側(cè)維管束和左側(cè)維管束。

圖1 小麥莖稈橫截面微觀圖

2 車門梁仿生設(shè)計(jì)

以維管束形狀為正四邊形時的小麥莖稈模型為例，進(jìn)行接下來的設(shè)計(jì)及分析研究。

2.1 車門梁原型

車門梁原型取的是某品牌的車門防撞梁，使用的材料為優(yōu)質(zhì)低碳鋼材料，擁有優(yōu)良的彎曲及吸能特性。飾板拆除后，車門的內(nèi)部構(gòu)造就呈現(xiàn)在我們面前，如圖2所示，車門上部裝有板狀加強(qiáng)筋，下部設(shè)置有防撞梁。

圖2 車門內(nèi)部構(gòu)造圖

該車門梁的橫截面為一個圓環(huán)，經(jīng)測量，外圓直徑為31.86 mm，取整為32 mm。內(nèi)圓直徑無法測量，但圓管狀車門梁一般厚度為2.5 mm，因此取內(nèi)圓直徑為 27 mm。長度也無法測量，暫定為600 mm。

2.2 車門梁仿生模型

車門梁仿生模型中類似莖稈外皮和維管束的結(jié)構(gòu)均取原型的材料，即低碳鋼材料，類似內(nèi)層薄壁組織的結(jié)構(gòu)使用泡沫鋁材料。首先，它的密度小，約是鋁密度的 1/10，可以大幅度減小汽車質(zhì)量，并且不會影響汽車剛度要求；其次，它具有良好的吸能特性，使車內(nèi)人員面對事故時的安全性得到提高；另外，泡沫鋁的彈性模量遠(yuǎn)小于鋼材料，符合小麥莖稈中，薄壁組織的彈性模量遠(yuǎn)小于外皮和維管束。兩種材料的參數(shù)如表1所示。

表1 仿生車門梁模型的材料參數(shù)

原型為普通的空心圓管車門梁，在此基礎(chǔ)上，本文共建立了 4種不同的仿生模型。原型的結(jié)構(gòu)為簡單的空心圓管，而四種仿生模型改進(jìn)為類似于莖稈維管束、薄壁組織和外皮的結(jié)構(gòu)，但外徑與原型都是一樣的。仿生模型中類似于外皮和維管束的結(jié)構(gòu)為低碳鋼材料，與原型材料一樣，而類似于薄壁組織的結(jié)構(gòu)是泡沫鋁材料。建立的原型與 4種仿生模型的有限元模型橫截面圖片如圖3—圖7所示。

圖3 原型截面圖

圖4 模型一截面圖

圖5 模型二截面圖

圖6 模型三截面圖

圖7 模型四截面圖

四種仿生模型的具體特點(diǎn)如下：仿生模型一：與原型等橫截面積，即外徑、內(nèi)徑與原型相同。外皮厚度、薄壁組織厚度與維管束尺寸的比例是實(shí)際小麥莖稈相關(guān)結(jié)構(gòu)的尺寸比例；仿生模型二：與原型等質(zhì)量，外徑與原型相同，維管束尺寸與薄壁組織厚度按照仿生模型一尺寸，調(diào)整外皮厚度以達(dá)到與原型等質(zhì)量的目的；仿生模型三：把原型當(dāng)作類似莖稈外皮的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部建立類似薄壁組織與維管束結(jié)構(gòu)，維管束尺寸與薄壁組織厚度按照仿生模型一尺寸；仿生模型四：在仿生模型三基礎(chǔ)上，中間空心部分完全填充薄壁組織結(jié)構(gòu)對應(yīng)材料，即密度較小的泡沫鋁。幾何參數(shù)如表2所示，單位為mm。

表2 仿生車門梁模型的尺寸參數(shù)

3 車門梁有限元模擬

3.1 彎曲模擬

進(jìn)行彎曲模擬時，將車門梁模型當(dāng)作簡支梁，對其兩端進(jìn)行約束，荷載施加的位置為模型的正中間，大小為100 N，實(shí)現(xiàn)三點(diǎn)彎曲的模擬分析。圖8是仿生模型四的 Von Mises Stress應(yīng)力分布圖，原型及另外 3種仿生模型應(yīng)力分布圖與之類似。

圖8 模型四彎曲應(yīng)力分布圖

3.2 扭轉(zhuǎn)模擬

進(jìn)行扭轉(zhuǎn)的模擬分析時，將車門梁模型的一端進(jìn)行全約束，另一個端面的外圈施加切向荷載以實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)的效果，扭矩大小為15 N·m。圖9是仿生模型四的應(yīng)力分布圖，為使扭轉(zhuǎn)的效果更加明顯，只選取模型的一個橫截面的結(jié)果，原型及另外3種仿生模型應(yīng)力分布圖與之類似。

圖9 模型四扭轉(zhuǎn)應(yīng)力分布圖

3.3 彎扭組合模擬

彎扭組合分析是在車門梁扭轉(zhuǎn)分析的基礎(chǔ)上，在施加切向扭矩的一端選中一定范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，施加方向?yàn)閅軸負(fù)方向的力，從而使車門梁受扭轉(zhuǎn)的同時，又受彎矩的作用。圖10是仿生模型四的Von Mises Stress應(yīng)力分布圖，原型及另外3種仿生模型應(yīng)力分布圖與之類似。

圖10 模型四彎扭組合應(yīng)力分布圖

4 結(jié)果分析

車門梁原型及其 4種仿生模型的各類分析結(jié)果如表3—表5所示。其中仿生模型一的分析結(jié)果明顯偏大，可以得出與車門梁原型等橫截面積條件下的仿生模型不具備良好的力學(xué)性能。除此之外，另外三種仿生模型的分析結(jié)果都要比原型好。

表3 彎曲模擬分析結(jié)果

表4 扭轉(zhuǎn)模擬分析結(jié)果

表5 彎扭組合模擬分析結(jié)果

由表中數(shù)據(jù)的對比分析得知：車門梁原型及其仿生模型彎曲、扭轉(zhuǎn)與彎扭組合模擬的結(jié)果相同，仿生模型四的各類分析數(shù)據(jù)均為最小值，顯 示出其抗彎、抗扭效果最好。

5 結(jié)論

本文將小麥莖稈特征應(yīng)用于新型車門梁開發(fā)研究中，并利用ANSYS仿真軟件進(jìn)行模擬分析，并獲得其在彎曲、扭轉(zhuǎn)與彎扭組合三種荷載作用下的應(yīng)力分布圖。通過對其仿真得出的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行比較分析，得出車門梁原型及其 4種仿生模型在三種情況下的效果，其中模型四效果最為明顯，性能最好。