螺紋剪切吸能裝置的輕量化設(shè)計(jì)方法研究

曹純?nèi)?、付江華

（湖北大運(yùn)汽車有限公司 410004)

0 引言

安全、節(jié)能和環(huán)保是目前汽車工業(yè)發(fā)展面臨的3大主要問題，然而安全與節(jié)能環(huán)保是一對矛盾體。過份追求安全性能，勢必將導(dǎo)致汽車質(zhì)量的增加，進(jìn)而使汽車排放增加，這就對環(huán)保節(jié)能的理念構(gòu)成了挑戰(zhàn)。汽車輕量化并不是簡單地降低汽車質(zhì)量，它是指在保證汽車強(qiáng)度和安全性能前提下，盡可能減小汽車整備質(zhì)量，從而提高汽車動力性，減小燃料消耗，降低排放的設(shè)計(jì)方法。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，汽車每降低10%的質(zhì)量，燃油效率可以提高6%～8%；汽車整備質(zhì)量每減少100 kg，可降低百公里油耗0.6～0.8 L，二氧化碳排放量可減少5 g/kg[1]。此外，汽車質(zhì)量的降低，也會縮短制動距離，有助于提高汽車的主動安全性。因此，汽車輕量化技術(shù)是解決安全與節(jié)能這對矛盾的有效方法。

螺紋剪切碰撞吸能裝置（Cutting The Screw Thread，簡稱CST）[2]，作為一種新型正面碰撞吸能裝置，既能將碰撞過程向車外轉(zhuǎn)移以保證碰撞過程車身安全，又能控制碰撞加速度穩(wěn)定在某一合理值而無較大震蕩，以保證乘員安全，是一種理想的吸能裝置（圖1），即實(shí)現(xiàn)吸能結(jié)構(gòu)“比吸能”的最大化。本文將在已有同時滿足歐美正面碰撞法規(guī)吸能螺紋設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，結(jié)合結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化和新材料運(yùn)用2方面，對CST結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，在保證原有力學(xué)特性的同時，降低結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

圖1 CST結(jié)構(gòu)總成

2 輕量化方案

目前輕量化設(shè)計(jì)有多種方法，常用方法主要有以下3種：第一，采用輕質(zhì)材料，比如采用鋁、鎂合金、陶瓷、塑料及碳纖維復(fù)合材料等；第二，采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，比如利用拓?fù)鋬?yōu)化思想去除低效材料等；第三，在保證內(nèi)部重要尺寸不變的情況下，盡可能縮小外形尺寸。

螺紋剪切吸能裝置主要由吸能螺紋管、吸能螺紋、沖擊桿和沖擊套構(gòu)成。根據(jù)同時滿足歐美正面碰撞法規(guī)要求的設(shè)計(jì)，吸能螺紋總長度為420 mm，螺紋管總長為500 mm，沖擊桿總長為920 mm。整個裝置除沖擊套外，均采用普通材料Q235加工，材料密度為7.83×103kg/m3，彈性模量為210 GPa，屈服強(qiáng)度235 MPa，強(qiáng)度極限410 MPa。其質(zhì)量分布如表1所示。

表1 CST質(zhì)量分布

螺紋管占CST總質(zhì)量的46.4%，沖擊桿占總質(zhì)量的43.4%，與吸能有直接關(guān)系的吸能螺紋僅占7.2%。由于吸能的需要，吸能螺紋尺寸已不容改變，否則將改變螺紋剪切吸能裝置的吸能特性，導(dǎo)致不滿足安全性能。而與吸能無直接關(guān)聯(lián)的螺紋管和沖擊桿卻占據(jù)了幾乎90%的質(zhì)量，是導(dǎo)致該裝置質(zhì)量過大的主要因素，可作為輕量化設(shè)計(jì)的對象。本文將從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及輕型材料的使用2個方面，針對螺紋剪切吸能裝置的螺紋管和沖擊桿進(jìn)行輕量設(shè)計(jì)。

3 主要部件輕量化設(shè)計(jì)

3.1 螺紋管輕量化設(shè)計(jì)

拓?fù)鋬?yōu)化是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一種，是建立在有限元仿真試驗(yàn)基礎(chǔ)上的一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。其基本思想是依托有限元仿真將連續(xù)體離散化，然后根據(jù)仿真分析結(jié)果，對結(jié)構(gòu)中的某些無效和低效單元予以刪除，也就是對連續(xù)體在受力過程中的低應(yīng)力、低應(yīng)變處做去除材料處理，從而減少了材料的消耗，在獲得優(yōu)良受力結(jié)構(gòu)的同時達(dá)到了降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量的目的[3]。本文將利用拓?fù)鋬?yōu)化的基本思想對螺紋管外徑進(jìn)行尺寸優(yōu)化，減少不必要的材料使用，達(dá)到輕量設(shè)計(jì)的要求。為利用拓?fù)鋬?yōu)化的主要思想對螺紋剪切吸能裝置的螺紋管進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，首先利用有限元前處理軟件VPG軟件對其主要結(jié)構(gòu)建立有限元模型（圖2）。

圖2 仿真模型

碰撞吸能過程中，吸能螺紋作為抵抗沖擊的主要受力體，隨碰撞的進(jìn)行，吸能螺紋產(chǎn)生了很大的塑性變形，甚至超過材料的失效應(yīng)變而脫落。而作為吸能螺紋附著體的螺紋管，在剪切過程中受力不大，且較大塑性應(yīng)變主要集中在螺紋管內(nèi)側(cè)，而外側(cè)幾乎沒有產(chǎn)生塑性應(yīng)變或者應(yīng)變很小。按照拓?fù)鋬?yōu)化的主要思想，外側(cè)材料利用率較低應(yīng)予以刪除。故可以通過減小螺紋管外徑來降低螺紋剪切吸能裝置的質(zhì)量。原有管材外徑為80 mm，仿真試驗(yàn)表明螺紋管外徑過大，外層單元沒有發(fā)生塑性應(yīng)變，造成了大量材料浪費(fèi)。經(jīng)LS-DYNA處理的仿真應(yīng)變剖面圖如圖3所示。

圖3 螺紋管應(yīng)變云圖

由應(yīng)變云圖可知，螺紋管外側(cè)未發(fā)生塑性應(yīng)變，塑性應(yīng)變集中在螺紋管內(nèi)壁，現(xiàn)根據(jù)應(yīng)變圖將螺紋管外徑減小為74 mm、68 mm、66 mm和64 mm并分別進(jìn)行仿真試驗(yàn)，提取其應(yīng)變云圖（圖4）。

圖4 螺紋管應(yīng)變圖

隨著螺紋管外徑的減小，外層材料塑性應(yīng)變逐步增大，當(dāng)外徑減小到64 mm時，最外層材料發(fā)生了明顯的塑性變形；而達(dá)到66 mm時，最外層材料并未達(dá)到屈服極限，故選擇螺紋管外徑66 mm作為輕量化設(shè)計(jì)的最終結(jié)果（表2）。

表2 輕量化設(shè)計(jì)最終結(jié)果

去除材料后的螺紋管外層并未發(fā)生塑性變形，保證了剪切吸能的穩(wěn)定性，但總體質(zhì)量發(fā)生了根本變化，優(yōu)化后的螺紋管總體質(zhì)量僅為優(yōu)化前的27%。

3.2 沖擊桿輕量化設(shè)計(jì)

沖擊桿是螺紋剪切吸能裝置的核心部件之一，它負(fù)責(zé)向螺紋傳遞沖擊載荷，并通過沖擊桿的直線運(yùn)動保證吸能的連續(xù)性。吸能過程中，沖擊桿承受較大的軸向和彎曲載荷，必須保證沖擊桿具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，才能確保螺紋剪切吸能裝置正常吸能。根據(jù)沖擊桿的特殊工況及輕量化設(shè)計(jì)的要求，本文綜合沖擊桿中空設(shè)計(jì)和新型材料的使用兩個方面對沖擊桿優(yōu)化設(shè)計(jì)。

汽車輕量化的主要材料有碳纖維、鋁合金、鎂合金、鈦合金、工程塑料、復(fù)合材料和高強(qiáng)度鋼。目前鋼鐵材料仍是主導(dǎo)材料，但比重在逐年下降，而鋁合金、鎂合金及復(fù)合材料的比例逐漸增加[4]。鋁合金是一種常見的合金材料，密度小（約2 700 kg/m3），大約只有碳素鋼材料的1/3，它是在純鋁中添加一些微量合金元素形成的。鋁合金不但繼承了純鋁密度小的優(yōu)點(diǎn)，同時通過添加合金元素使得其強(qiáng)度得到了很大提高。其中7系列鋁合金是所有鋁合金材料中強(qiáng)度最高的，非常適合用于承載較大的結(jié)構(gòu)部件，被廣泛用于飛機(jī)部件、汽車部件及機(jī)械部件中[5]。

本文對沖擊桿的輕量設(shè)計(jì)，在材料方面沖擊桿采用屈服強(qiáng)度σs=445 MPa，抗拉強(qiáng)度σb=524 MPa，彈性模量E=71 GPa的7075鋁合金進(jìn)行加工。決定構(gòu)件承載能力的因素除了強(qiáng)度和剛度之外還有穩(wěn)定性，沖擊桿長度為460 mm，直徑為36 mm是典型的細(xì)長桿件，且沖擊過程中受軸向壓力載荷，應(yīng)充分重視其承受彎曲載荷的能力，著重分析壓桿穩(wěn)定性。碰撞中沖擊桿的約束條件可以簡化為一端固定，另一端僅可沿直線運(yùn)動的簡化模型（圖5）。

圖5 沖擊桿穩(wěn)定性分析

根據(jù)柔度計(jì)算公式，螺紋剪切吸能裝置的柔度為。

式中μ為壓桿長度因素，該約束下μ=0.5，l為壓桿長度，l=460 mm，I為截面軸慣性矩，A為截面面積。對于圓形截面以及環(huán)形截面，可用如下公式。

圖6 沖擊桿應(yīng)力云圖

現(xiàn)將沖擊桿中空化，選取沖擊桿內(nèi)徑d=18 mm，仿真結(jié)果表明仍無有效塑性應(yīng)變發(fā)生在沖擊桿上；繼續(xù)擴(kuò)大中空管內(nèi)徑至d=24 mm，從應(yīng)力云圖可知，沖擊過程中沖擊桿上的應(yīng)力基本達(dá)到了材料的屈服極限445 MPa，但并未發(fā)生較大的塑性變形；繼續(xù)擴(kuò)大中空內(nèi)徑至d=30 mm時，沖擊桿上的應(yīng)力基本接近材料的屈服極限，并產(chǎn)生了有效塑性變形（圖7）。

圖7 沖擊桿應(yīng)變圖

最終選擇中空直徑為24 mm，通過去除沖擊桿中心材料使沖擊桿中空化達(dá)，最終優(yōu)化后沖擊桿質(zhì)量僅為優(yōu)化前的19%，質(zhì)量為1.55 kg。

3.3 結(jié)果對比

經(jīng)過對螺紋剪切吸能裝置主要部件尺寸優(yōu)化和新材料使用2方面的設(shè)計(jì)，在保證其同時滿足歐美正面碰撞法規(guī)的基礎(chǔ)上，極大的降低了質(zhì)量。優(yōu)化前后質(zhì)量分布如表3所示。

表3 優(yōu)化前后質(zhì)量分布

由于吸能螺紋管材料及吸能螺紋結(jié)構(gòu)尺寸沒有改變，同時剪切套筒的尺寸也沒有發(fā)生變化，故吸能特性未發(fā)生變化，依舊能夠同時滿足歐美正面碰撞法規(guī)，達(dá)到了輕量化設(shè)計(jì)的基本要求。

4 結(jié)束語

本文在同時滿足歐美正面碰撞法規(guī)的螺紋剪切吸能裝置研究的基礎(chǔ)上，通過分析得出了螺紋管和沖擊桿質(zhì)量過大，是導(dǎo)致螺紋剪切吸能裝置過重的主要原因。利用拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的思想，從尺寸優(yōu)化和新材料使用2方面對螺紋管和沖擊桿進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，最終在保證螺紋剪切吸能裝置原有力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，使其質(zhì)量降低為優(yōu)化前的31%，大大提高了該吸能裝置的比吸能。