六邊形蜂窩芯吸能盒創新設計及其吸能特性研究

白艷偉　余萬　李響　趙恒

摘要：六邊形蜂窩結構具有良好的力學性能和吸能特性。為了更好地提升汽車吸能盒的吸能特性，采用四邊形截面和內部填充六邊形蜂窩芯創新構型了一種新型吸能盒。采用數值模擬技術發現，與傳統吸能盒相比，六邊形蜂窩芯吸能盒具有更優越的吸能效果和更高的比吸能，并且在受到相同的載荷沖擊時仍能保持結構的穩定性，同時針對載荷角度探討了六邊形蜂窩芯吸能盒在不同速度載荷沖擊下的吸能效果和碰撞力變化模式。本文研究內容有望為進一步提升吸能盒性能提供參考。

關鍵詞：六邊形蜂窩芯；吸能盒；載荷角；吸能特性；碰撞力

中圖分類號：U463.99??????????????????????? 文獻標志碼：A?????????????????????????? doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.08.004

文章編號：1006-0316 （2023） 08-0026-06

Innovative Design and Energy Absorption Characteristics ofHexagonal Honeycomb Core Energy Absorbing Box

BAI Yanwei YU Wan LI Xiang ZHAO Heng

（ 1.College of Machinery and Power Engineering， Three Gorges University， Yichang 443002;2.Hubei Key Laboratory of Hydroelectric Machinery Design and Maintenance，Three Gorges University， Yichang 443002 ）

Abstract：The hexagonal honeycomb structure has good mechanical properties and energy absorption characteristics. In order to better improve the energy absorption characteristics of the automobile energy absorbing box， this paper adopts a new type of energy absorbing box with a quadrilateral section and a hexagonal honeycomb core filled inside. Through the numerical simulation technology， it is found that compared with the traditional energy absorbing box， the hexagonal honeycomb core energy absorbing box has better energy absorption effect and higher specific energy absorption while maintaining the stability of the structure when subjected to the same load impact. At the same time， the energy absorption effect and impact force change mode of the hexagonal honeycomb core energy absorbing box under different speed load impact are discussed according to the load angle. The research of this paper is expected to provide the reference for further improving the performance of the energy absorbing box.

Key words：hexagonal honeycomb cores；energy-absorbing box；load angle；energy absorption characteristics；collisions force

汽車發生碰撞時，主要依靠前端的防撞梁、吸能盒以及前縱梁等吸收撞擊的能量使自身產生塑性變形，從而使傳遞至駕駛艙的能量減小，達到保護車內人員的作用。目前大多數吸能盒為簡單的方形或圓管形，無法很好地起到吸能作用，并且大多數為了耐撞性而使其質量較重。因此，需考慮一種輕量化和比吸能高的吸能盒結構設計。曲明^[1]通過仿真和實驗結合探究了吸能盒耐撞性方面的薄弱環節，并討論了改進方法。萬鑫銘等^[2]在汽車吸能盒優化設計中利用近型模型技術和數值優化方法提出新型鋁合金吸能盒，在吸收相同能量的同時盡可能減少吸能盒本身的質量。張偉等^[3]設計了一種負泊松比效應的吸能盒結構，該結構在失效時的等效彈性模量和平臺應力均得到了加強，吸收能量的能力也有較好的體現。彭杰^[4]提出新型仿生結構通過落錘沖擊實驗，以比吸能、碰撞力峰值、加速度為評價指標，得出填充剪切增稠液的吸能盒具有更高的吸能效率和更低的形變位移的結論。陳有松等^[5]研究了吸能盒截面和吸能盒板厚度對防撞梁系統的影響，并篩選出最佳組合。張鵬等^[6]提出用板超立方點陣結構填充吸能盒，在平均碰撞力和碰撞力峰值近乎相等的情況下，比吸能提升明顯。王春華等^[7]研究了誘導槽參數對吸能盒吸能效果的影響，得出在吸能盒側壁上端均勻開出半徑為2.5 mm的半圓形誘導槽在沖擊過程中既保證了吸收相同能量，又降低了碰撞力峰值，且表現出更好的比吸能和壓縮力效率。李響等^[8]構型一種聚氨酯泡沫填充類蜂窩夾芯結構，發現填充結構表現出更優異的載荷穩定性和吸能效率。孫成智等^[9]采用有限元模擬和序列響應相面法結合的優化方法，并應用于吸能盒結構優化實例。郝亮等^[10]利用三次多項式響應面法及徑向基法設計其有效代理模型，并用粒子群法進行優化，得到吸能盒誘導槽的最佳位置和數量。Song Jiafeng等^[11]提出幾種不同的仿生管狀結構，并探究了在不同角度載荷下比吸能和碰撞力峰值等相關參數。楊星等^[12]設計了一種具有負泊松比效應的新型多胞結構吸能盒，并驗證了該結構在RCAR（Research Council for Automobile Repair，汽車維修研究理事會）標準下的可行性。

綜上所述，為了更好地提升汽車吸能盒的吸能特性，本文擬創新設計六邊形蜂窩芯吸能盒，以傳統空芯吸能盒為參照，并對不同工況吸能效果及碰撞力進行探究，有望為提升吸能盒的吸能特性提供參考。

1 汽車吸能盒設計

1.1 結構設計

常規吸能盒截面通常采用四邊形、等角六邊形、等角八邊形、圓形等形狀。在此基礎上，內部可能存在單腔和多腔結構。研究發現，采用四邊形和等角六邊形作為截面形狀的吸能盒往往具有較好的吸能效果和較低的碰撞力峰值。六邊形蜂窩芯結構是一種常用的夾芯結構，具有質量輕、強度高等特點，被大量應用于機械和建筑工程領域。本文采用四邊形截面和內部填充六邊形蜂窩芯來設計一種吸能盒，具體結構如圖1所示。

1.2 數值計算模型

利用ABAQUS/Explicit顯式動力學模塊建立形內六邊形蜂窩填充吸能盒軸向沖擊有限元數值計算模型，如圖2所示。該模型由上、下剛性面板以及中間吸能盒三部分組成，吸能盒部分主要包括傳統未填充吸能盒和六邊形蜂窩芯填充吸能盒。其中，吸能盒外殼通過Tie與下剛性板進綁定連接。數值模擬計算過程中，對下剛性板進行完全固定，模型中對蜂窩夾芯采用四節點縮減積分殼單元S4R單元進行網格劃分，厚度方向設置5個積分點，剛性板采用實體單元進行網格劃分。為了同時保證計算精度和效率，將蜂窩夾芯和吸能盒外殼網格大小設置為2 mm，剛性板網格大小均設置為3 mm。蜂窩夾芯和吸能盒外殼以及剛性板之間的接觸設定為通用接觸，其中靜摩擦系數和動摩擦系數分別置為0.3和0.2。在本次計算中，吸能盒的整體尺寸均為50 mm×50 mm×100 mm。對于蜂窩填充吸能盒，其內部蜂窩夾芯的整體尺寸均為48 mm×48 mm×100 mm，蜂窩夾芯胞壁長度為9 mm，蜂窩夾芯壁厚為0.2 mm，吸能盒外殼厚度為1 mm。吸能盒外殼和蜂窩夾芯材料均選用鋁合金A13003-H8。

六邊形蜂窩芯結構及外殼材料力學參數為：密度2700 kg/m³，彈性模量69 GPa，泊松比0.33，屈服應力150 MPa。

1.3 耐撞性相關評價指標

2 六邊形蜂窩芯吸能盒沖擊特性數值計算結果

2.1 同尺寸吸能盒完全正面碰撞數值分析

當發生交通碰撞事故時，碰撞形式主要有正面碰撞、側面碰撞和尾部碰撞等。統計顯示，正面碰撞是碰撞事故發生的主要形式，約占65.2%^[13]，因此對汽車正面碰撞的研究具有十分重要的經濟價值和科學意義。其中完全正面碰撞（零角度完全碰撞）事故是正面碰撞的一種典型事故形式，完全正面碰撞測試則是最常用的測試標準。完全正面碰撞建立的軸向沖擊有限元數值計算模型如圖3所示，其在圖2模型基礎上添加與吸能盒和下剛性板完全平行的上剛性板。仿真汽車吸能盒在低速30～40 km/h（10 m/s）、中速60～80 km/h（20 m/s）、高速100～120 km/h（30 m/s）發生完全正面碰撞的工況。同時添加同尺寸大小的傳統吸能盒作為對照，如圖4所示。

六邊形蜂窩芯吸能盒和傳統吸能盒在有效位移壓縮下內吸收的能量變化曲線如圖5所示，可以看出，六邊形蜂窩芯吸能盒在三種速度下吸收總能量均明顯大于傳統吸能盒，隨著壓縮位移的增大，吸收的能量也逐漸增加。

兩種吸能盒在不同速度下吸收的總能量如表1所示。可以看出，在低速、中速、高速下，六邊形蜂窩芯吸能盒吸收的總能量比傳統吸能盒分別高出37.47%、45.07%、32.74%。代入式（3）可得，在低速、中速、高速下，同質量六邊形蜂窩芯吸能盒的比吸能比傳統吸能盒分別高出31.225%、37.56%、27.28%。

綜上可得，六邊形蜂窩芯吸收能量效率比傳統吸能盒具有非常明顯的優勢。

六邊形蜂窩芯吸能盒和傳統吸能盒在三種速度下的碰撞力－位移曲線如圖6所示，可以看出，六邊形蜂窩芯吸能盒與傳統吸能盒碰撞力－位移曲線變化相似，過程可分為兩個階段。第一階段是線性段，碰撞力隨著位移的增加而迅速增加。第二階段是平臺段，隨著位移增加，碰撞力在一定數值范圍內來回波動。但六邊形蜂窩芯吸能盒碰撞力峰值和平均碰撞力均明顯高于傳統吸能盒。

隨著速度的增加，兩種吸能盒碰撞力峰值和平均碰撞力也增加，如表2所示。可以看出，在低速、中速、高速下，六邊形蜂窩芯吸能盒比傳統吸能盒的平均碰撞力分別高出27%、31%、24%，代入式（2）可得，在低速、中速、

高速下，六邊形蜂窩芯吸能盒的碰撞力效率與傳統吸能盒均相差不大，說明在填充六邊形蜂窩芯后，吸能盒依然保持結構的載荷穩定性。

2.2 吸能盒多角度工況數值分析

吸能盒尺寸及仿真模型參數設置均與1.2節相同，添加與下剛性板傾斜的上剛性板，載荷角為0°～40°（以10°的間隔增加）。模擬六邊形蜂窩芯吸能盒在多角度－速度下的吸能效果和碰撞力等相關參數的大小，如圖7所示。

六邊形蜂窩芯吸能盒在多角度－速度條件、有效位移壓縮下內吸收的能量變化曲線如圖8所示。可以看出，隨著載荷角的增大，六邊形蜂窩芯吸能盒吸能效果逐漸減小，在低速載荷沖擊下，六邊形蜂窩芯吸能盒在載荷角20°和30°時吸收的總能量相差不多，在載荷角20°與30°差值最大。在中速載荷沖擊下，吸能盒則在載荷角30°和40°時吸收的總能量相似，在載荷角20°和30°時差值仍為最大。而在高速載荷沖擊下，吸能盒吸收的總能量隨著載荷角的增加，近乎均勻減少。

六邊形蜂窩芯吸能盒在不同速度下的碰撞力－位移曲線如圖9所示。可以看出，六邊形蜂窩芯在多工況載荷沖擊下，曲線仍然呈有線性段和平臺段，但只有在0°載荷沖擊下具有明顯的碰撞力峰值，隨著載荷角的增加，碰撞力峰值逐漸減弱且后移。在平臺段時，平均碰撞力差值較小。載荷沖擊速度增加，碰撞力峰值和平均碰撞力均增加。但是變形模式與曲線變化趨勢基本不變。

3 結論

本文構型了一種填充六邊形蜂窩芯的吸能盒，利用仿真模擬比較了該吸能盒和傳統吸能盒在完全正面碰撞（零角度完全碰撞）的總吸能、平均碰撞力等衡量吸能盒吸能效果的相關參數。測試了六邊形蜂窩芯吸能盒在不同工況下的總吸能、碰撞力位移曲線，得到以下結論。

（1）填充了六邊形蜂窩芯的吸能盒與傳統吸能盒相比，具有更優越的吸能效果和更高的比吸能，并且在受到相同的載荷沖擊時仍能保持結構的穩定性。

（2）通過對比六邊形蜂窩芯吸能盒在不同角度載荷沖擊下的情況。發現在同樣速度的工況下，隨著載荷角的增大，吸能盒的吸能效果逐漸減弱，同時，除0°載荷沖擊下吸能盒存在明顯的碰撞力峰值外，其他角度碰撞力峰值逐漸減小且變化不大。

（3）通過對比六邊形蜂窩芯吸能盒在不同速度載荷沖擊下的情況，發現載荷速度增大，吸能盒的吸能量、碰撞力等相關參數均增加，但變形模式變化不大。

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