吸能盒盒體內部結構的改進

都雪靜，韋麗蘋

(東北林業大學交通學院，哈爾濱 150040)

吸能盒作為汽車在發生正碰時的主要吸能部件，其抗撞性能至關重要。在20世紀中期，Alexande建立吸能部件模型［1］對圓管軸向變形時吸能的過程進行預測，通過觀察，提出了宏單元，簡化了薄壁結構模型，為結構抗撞性能的研究奠定了基礎。隨 后，Melosh［2］，Ni［3－5］，Herridge［6］以 及Kama1［7－9］等學者將計算機模擬技術引入吸能部件的抗撞性能設計中，使有限元技術在吸能盒結構優化設計中起了很大作用。PAM-CRASH，LSDYNA，ABAQUS和RADIOSS等各種有限元軟件的不斷更新，進一步促進了對汽車抗撞性能的研究。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。在結構方面，Macaulay和Alexander首先開始了這方面的研究，取得了一定的突破，為吸能盒結構的優化提供了理論基礎。20 世紀 90 年代，Han 和 Yamazaki［10－11］對吸能盒的形狀進行了研究，分別對圓管和方管吸能盒以及圓柱殼的吸能特性進行了分析。21世紀初，吸能盒的內部結構優化已經有了一定的突破。但在國內，只有少數學者對吸能盒內部結構的抗撞性進行了研究。鐘志華院士等［12］為了研究汽車抗碰撞的性能，對相關的吸能部件和緩沖裝置進行了優化，隨后有關吸能盒的研究才開始在國內興起。目前，汽車上所應用的吸能盒種類很多，結構也各不相同，但各種結構的吸能盒的抗撞性都不是很高。因此，本文按照吸能盒的設計原則，對吸能盒內部結構進行改進，用有限元法對其進行計算機模擬碰撞實驗，根據吸能盒的吸能性的評價參數，對改進后的吸能盒與原結構的吸能盒進行了對比分析。結果表明:具有內部蜂窩孔結構的吸能盒的抗撞性比原結構的吸能盒有較大提高。

1 吸能盒的改進依據

1.1 吸能盒的設計原則

在車輛的正面碰撞過程中，吸能盒是最重要的吸能件，良好的吸能盒結構可以在很大程度上改善車輛的被動安全性。汽車在城市道路上行駛時，車速較低，當發生正面碰撞時，碰撞產生的動能主要靠前橫梁和吸能盒來吸收，而撞擊產生的最大撞擊力主要靠吸能盒緩沖，以保護前縱梁及汽車發動機等主要部件不受損壞。由于吸能盒的吸能性主要靠撞擊產生的變形來實現，長度越長，吸收的能量越多，但如果長度過長，對汽車的造型方面又產生了不利影響。因此，吸能盒在設計時，應使其在允許范圍內能產生最大程度變形，即滿足吸能盒在最大變形位移的同時達到最大吸能效果。同時，由于汽車各部件的剛度不同，抵抗撞擊力的最大值也不同，如果吸能盒所承受的撞擊力超過限定值，那么超出的力將由和吸能盒連接的前縱梁承受，甚至會傳遞到其他部件，這樣就會造成部件損壞，增加了維修費用。如果吸能盒所承受的撞擊力沒有達到限定值，其他部件就不會發生損壞。但當發生高速碰撞時，由于吸能盒不能很好地吸收碰撞產生的全部動能，也會使其他部件遭到破壞，甚至會使車內成員受到傷害。所以，吸能盒的結構設計不但要在限定的撞擊力值下進行，還要盡量接近這個數值，才能使吸能盒達到最大的吸能效果。

綜上所述，為了使汽車吸能盒的吸能特性達到最大效果，吸能盒在結構改進過程中應該遵循以下原則:①盡量降低吸能盒的成本;② 碰撞過程中產生的全部動能最大程度地轉化為不可逆的變形能;③吸能盒應該在單位變形長度內吸能最多，即吸收單位能量時變形量小，使吸能效果最佳;④在發生碰撞過程中，使沖擊的最大撞擊力值小于規定的限制值;⑤吸能盒的吸能方式應盡量穩定，即變形模式穩定，并可重復;⑥為了實現汽車的輕量化，在不影響吸能效果的前提下，吸能盒的質量應盡可能小。對吸能盒結構改進方面最重要的一條原則是:在撞擊力許可的限度內發生的變形量最小，即具有較平穩的撞擊力－位移曲線。

1.2 吸能盒碰撞性能的評價參數

吸能盒在碰撞過程中的吸能特性起著至關重要的作用。為了使吸能盒的結構改進達到最優，在遵循吸能盒設計原則的同時，還提出了多種評價指標，其中最常用的是以下4種評價指標:

1)撞擊力峰值Fp

在吸能盒的設計原則中，要求接近但不能超過撞擊力許可值。這個許可值的確定是由汽車生產廠家根據車輛連接件的剛度不同而設定的。在汽車發生碰撞過程中，產生的最大撞擊力即撞擊力峰值可能出現在2個時刻:一是在剛發生碰撞導致吸能盒將要產生屈曲時，吸能盒處于臨界狀態，其結構的屈曲彈塑性決定著撞擊力峰值，因此吸能盒的結構與最大撞擊力峰值息息相關;二是在碰撞快結束時，吸能盒的變形量已經達到最大，這時撞擊力會突然升高。在研究低速碰撞過程中，吸能盒的壓縮位移不會達到最大，所以撞擊力峰值只會在第1個時刻出現。

吸能盒在正面低速碰撞情況的力－位移曲線趨勢一般如圖1所示，圖2為簡化后的圖形。

圖1 吸能盒低速正面碰撞的力－位移曲線

圖2 簡化的力－位移曲線

圖2中:Fp為吸能盒的撞擊力峰值;Fm為平均撞擊力;δρ為對應撞擊力峰值的變形量;δe為吸能盒的壓縮位移。由圖2可見:碰撞力峰值的減小對于提高吸能盒的抗撞性能十分重要。

2)吸收的總能量E

吸能盒在碰撞過程中吸收的總能量與撞擊力和壓縮位移有關，計算公式為

式中:F(s)為撞擊力;s為變形位移。

由此可見，吸能盒在單位壓縮長度內吸收的能量越多，吸能盒的結構抗撞性越好，車輛的被動安全性越高。

3)吸能盒壓縮位移

車輛在發生低速正面碰撞時吸能盒產生形變，可將碰撞產生的動能全部吸收。吸能盒未發生變形的空間越大，在高速碰撞時吸收的能量將會越多，從而使乘員艙的變形減小，乘員的安全能更好地得以保障。所以，在撞擊動能被全部吸收的前提下，壓縮位移越小越好。

4)平均撞擊力Fm

平均碰撞力Fm反映了吸能盒結構在整個碰撞過程中的平均吸能情況，是對吸能盒吸能特性的總體反映。由于汽車造型的限制，吸能盒的變形空間也是有限的。當變形長度一定時，吸能盒吸收的能量會隨著平均撞擊力的增大而增大，從而更有利于對乘員的保護。因此，在滿足撞擊力峰值不超過撞擊力許可值的前提下，平均撞擊力應盡可能大，其計算公式為

式中:E為吸收的能量;δe為吸能盒的壓縮位移。

2 吸能盒吸能特性仿真

2.1 吸能盒計算機仿真模型的建立

2.1.1 仿真模型材料參數的確定

在研究吸能盒結構抗撞性的過程中，材料的選取非常重要。在沖擊載荷作用下，材料的強度、耐磨性以及延展性對結構大變形過程中的沖擊力響應都有直接的影響。隨著汽車輕量化的發展，材料的輕量化也十分重要，不僅可以減輕車身質量、降低油耗、減輕污染、節約能源，也可以降低成本、增加企業利潤和提高企業競爭力。目前，大多數汽車的吸能部件都使用鋼質材料，但鋼材存在一定的缺陷。姜正旭等［13－15］對不銹鋼和低碳鋼圓管的吸能特性進行了研究，發現鋼質材料在制造時需要焊接，會產生預應力，在使用過程中容易出現開裂等現象，因而擠壓成型的材料的優越性較明顯，其中鋁合金材料強度高，遠勝于軟鋼，也是常用最強力的合金之一。該材料的特點是強度高，可熱處理，具有良好的機械性能，使用性好，易于加工，耐磨性好，抗腐蝕性能、抗氧化性好，經過熱處理后能達到較高的強度特性。鋁合金也是典型的可以通過擠壓成形的材料［16－17］。因此，本實驗的吸能盒采用鋁合金材料，材料的主要參數如表1所示。

表1 鋁合金材料的主要參數

2.1.2 仿真實驗條件

1)參數的選擇

根據SAE標準［18］中有關保險杠低速碰撞系統的相應規定和標準，要求試驗車輛的沖撞速度達到15+1 km/h。研究發現，低速(16 km/h)正碰(以完全重疊剛性墻為例)時保險杠橫梁吸收的內能占系統吸收總內能的5%左右，吸能盒能夠吸收大約90%以上的能量，是主要的吸能部件。綜合正面碰撞兼顧低速RCAR標準低速碰撞法規，本實驗采用質量為1 000 kg的剛性材料長方體(材料參數見表2，長1 000 mm，寬1 000 mm，厚500 mm)沿軸向以16 km/h(即4.44 m/s)的速度撞擊吸能盒，撞擊力許可值為160 kN，其中碰撞產生的動能，即吸能盒低速碰撞過程中要吸收的動能的計算公式為:E

表2 剛性板的材料參數

2)結構的改進

本文依據上海大眾某款車型的吸能盒，對其內部結構進行了改進。原吸能盒的內部結構為中空，現將其盒體內部設為6個蜂窩孔結構(孔的個數可依據不同車型進行變化)。依據計算機仿真實驗條件及吸能盒材料模型參數，構建吸能盒計算機仿真模型。圖3為吸能盒原結構，圖4為改進后的吸能盒結構。

由圖3和4可以看出:改進后結構與原結構的主要區別在于6個蜂窩孔以縱向、平行、對稱、等間距的方式固定在吸能盒盒體內。

圖3 吸能盒原結構

圖4 改進后的吸能盒結構

2.2 仿真實驗數據分析

2.2.1 變形對比分析

本文應用LS-DYNA分析軟件，對吸能盒碰撞的整個過程進行了仿真模擬，得到了不同階段的形變情況。圖5～7為兩種結構吸能盒變形時序圖，其中:(a)為改進前的吸能盒;(b)為改進后的吸能盒。

圖5 0.016 s的變形時序

圖6 0.022 s的變形時序

圖7 0.027s的變形時序

通過對以上3組不同時刻、兩種結構的變形對比可見:當t=0.016 s時，兩種結構吸能盒與碰撞塊接觸，碰撞剛要開始發生形變;當t=0.022 s時，圖(a)的變形量已經開始大于圖(b)的變形量了;當t=0.027 s時，碰撞結束，可明顯看出(a)的變形量遠大于(b)的變形量。由前面吸能盒的碰撞評價參數分析可知:在相同撞擊力下，壓縮位移越小越好。因此，從變形圖分析可知:改進后的吸能盒吸能效果更明顯。

2.2.2 吸收能量的對比分析

當碰撞發生時，吸能盒主要利用吸收碰撞產生的能量來保護乘員安全。圖8為改進前后吸能盒碰撞過程中的能量吸收情況。由圖8可見:改進前吸能盒在0.062 s吸能結束，吸收的能量為9 778.97 J;改進后的吸能盒在0.029 s吸能結束，吸收的能量為9 856.80 J。改進后的吸能盒能在較短時間內吸收更多的能量，可更有效地保護車內乘員的安全。

圖8 改進前后吸能盒碰撞能量吸收情況

2.2.3 平均撞擊力對比分析

平均碰撞力能夠反映吸能盒在整個碰撞過程的吸能情況。圖9為改進前后碰撞過程中的位移變化情況。由圖9可見:當能量完全被吸收時，改進前的吸能盒的壓縮位移為0.048 m，改進后吸能盒的壓縮位移為0.006 1 m，可知改進前后吸收的能量分別為9 778.97 J、9 856.80 J，根據計算公式Fm=E/δe，可求出改進前后的平均撞擊力分別為2.037 ×102，16.16 ×102kJ/m。可見，改進后吸能盒的平均撞擊力大于改進前，說明其抗撞性更優。

圖9 改進前后碰撞位移變化

3 結束語

為了提高吸能盒在低速下的抗撞性能，將原低碳鋼薄管結構的吸能盒用鋁合金材料替換，并做成蜂窩狀實體結構。通過碰撞實驗仿真，對改進前后的吸能盒分別從能量、壓縮位移和平均撞擊力3方面進行吸能對比。結果表明:改進后的吸能盒的吸能性得到提高，更能有效地保護乘員安全。

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