基于UG的吸能盒結構優化設計與輕量化模擬分析

李鵬飛 董萬鵬 陳秋平

摘 要：基于近似模型技術和數值優化方法，針對汽車吸能盒，利用UG建立了蛋形結構的吸能盒受力仿真有限元模型。汽車CAE技術伴隨計算機技術的發展得到了長足的進步，利用UG中的MPA模塊，仿真模擬后得到吸能盒低速撞時的位移圖和應力圖，對其研究后得到了優化設計的蛋形結構吸能盒模型，并對吸能盒進行了輕量化設計。以改變吸能盒結構的思路進行了吸能盒的優化設計，吸能效果較普通圓柱吸能盒大幅提升，在質量方面相對普通圓柱形吸能盒實現質量減輕16.6%。為深入研究汽車吸能盒的碰撞特性和優化與輕量化設計具有一定的理論價值和工程意義。

關鍵詞： UG建模;MPA模擬分析;蛋形結構;輕量化

【Abstract】 Based on the approximate model technique and numerical optimization method， the force simulation finite element model of egg structure energy absorbing box is established by using UG for automobile energy absorbing box. Automotive CAE technology has made great progress along with the development of computer technology. Using the MPA module simulation analysis in UG to study the characteristics of displacement and stress maps of the energy-absorbing box at low speed， the optimized design of the egg structure energy absorbing box is obtained.Lightweight design of the energy absorbing box is given out. The optimal design of the energy absorbing box is carried out by changing the structure of the energy absorbing box. The energy absorbing effect is greatly improved compared with the ordinary cylindrical energy absorbing box， and the quality of the ordinary cylindrical energy absorbing box is reduced by 16.6% in terms of quality. It has certain theoretical and engineering significance for further research on the collision characteristics and optimization design of automobile energy absorbing boxes.

【Key words】 ?UG modeling; MPA simulation analysis; egg structure; lightweight

0 引 言

中國汽車的保有量隨著人民生活水平的提高和國內道路建設的加強在不斷增加，同時，汽車的事故碰撞率也呈上升趨勢[1-3]。隨著中國汽車工業的蓬勃發展，道路交通安全的問題日益加劇。車輛的舒適性與安全性逐漸成為了消費者關注的首要問題，因此提高車輛的被動安全性成為汽車工業發展中一個關鍵性的研究課題。在這種行情下，當汽車在發生碰撞時對車內乘員及車體保護的重要性也就尤其突出。汽車發生碰撞時，吸能盒發揮著至關重要的作用。所以更新和優化汽車吸能盒勢在必行。現代汽車設計中，汽車的被動安全性能是一個基礎性的技術研發指標，在國內外汽車碰撞安全標準中，都將碰撞變形后的汽車結構變形和乘員所受的傷害程度作為嚴格考核的對象，因此，作為車輛被動安全中一個重要結構的吸能盒，即已成為了研究重點。綜上分析可知，吸能盒的整體優化分析對于提高車輛的被動安全性有重要的意義。本文基于近似模型方法，結合數值優化方法對某車型吸能盒進行多目標優化設計研究。

近些年來，國內外眾多學者都對吸能盒進行了深入的研究，并取得了成果。郝亮等人[4]進行了基于誘導槽參數優化設計的吸能盒結構抗撞性多目標優化設計，嚴杰等人[5] 進行了基于Ls-Dyna和Hyperstudy的汽車吸能盒優化分析的研究，雷剛等人[6]進行了汽車正面碰撞的汽車吸能盒設計及優化的研究，陳有松等人[7]進行了低速正碰的吸能盒式防撞梁吸能特性研究，但吸能盒的設計仍然存在著較多問題，如何科學引入誘導槽，如：槽的個數和形狀，以及是否均勻分布和排布位置設計等，憑借工程經驗，難以取得理想效果。

通過研讀大量前人對吸能盒形狀的研究論文，主要是以圓形截面、正方形截面、正六邊形截面等規則正多邊形截面為研究對象。已有的研究表明，截面幾何形狀對薄壁件的吸能會有一定的影響[8]，進而指出：蛋殼屬于薄殼結構，其母線是一種正高斯曲線，該結構不僅能給人一種藝術美學感，還能節約材料，再者蛋形結構還符合圓頂原理，能夠很好地分散來自外在的均布載荷，使其能把力量平均分散，表面壓強很小。所以本文擬對蛋形這種特殊形狀進行研究，希望能為吸能盒的研究提供一個新的方向。同時，基于汽車輕量化的理念，本文在滿足碰撞要求的同時又減輕吸能盒質量，因而在吸能盒體表增加誘導槽的同時并在適當區域進行打孔，以獲得最佳的吸能盒模型。

1 吸能盒模型的建立

蛋形的特殊結構形狀可以起到很好的分散力的作用，故本文選擇不同形狀 （圓柱、六棱柱和雞蛋形狀的橢球）的薄壁結構作為研究對象。不同形狀的繪制效果如圖1所示。比較各種形狀在正面相同壓力簡易模型中的吸能情況，確定吸能盒的形狀。

2 吸能盒參數的確定

2.1 吸能盒材料確定

經過與高強度鋼及其它幾種合金在造價和效率方面的對比，本文選定鋁作為材料。相對于低碳鋼，鋁表現出一定的優勢[10]，對此可做闡釋分述如下。

（1）密度小，約 2.7 g/cm3，質地較軟，可制成各種鋁合金，如硬鋁、防銹鋁、鑄鋁等。相比于鋼制吸能盒，鋁合金制吸能盒質量減少58%，并進一步提高了吸能盒的強度。因此鋁在保證輕量化的同時也可以滿足其它的要求。

（2）表面因有一層致密的氧化物保護膜，可以有效防止氧化腐蝕。

（3）鋁的力學性能在低溫狀態下能保持不變。這一點有助于吸盒在惡劣的環境下也能正常發揮吸能作用，保證汽車的安全。

（4）廢料可回收再利用，體現環保的思想。

為了減輕吸能盒的重量同時兼顧吸能盒的性能，本文通過研究材料特性結合文獻[11]選取鋁6061作為本次模擬的材料。同時，為使鋁合金管件用料相同，取厚度以及長度都相同（質量相近），材料參數通過對廠家提供的樣品進行材料試驗獲取，密度為2.7 g/cm3，彈性模量為7.1×104 MPa，泊松比0.3，屈服強度為181 MPa[12]。

2.2 吸能盒尺寸的確定

由于汽車碰撞過程是一個非常復雜的動力學過程，多數吸能盒為薄壁構件，而且在碰撞初始階段的碰撞力是最大的，如果碰撞壓縮變形不穩定，碰撞力過大，則會降低吸能盒的作用。結合許多學者的研究文獻，確定吸能盒的尺寸范圍以及所選材料的特性，確定吸能盒的高度為100 mm[11]，壁厚為2 mm，圓柱形狀直徑為38.2 mm，正六棱柱形狀邊長40 mm[13]，為確保尺寸的相近，本文取橢圓長軸70 mm，短軸為40 mm。

3 吸能盒的有限元分析

基于UG10.0的CAE模塊來進行有限元模擬分析，根據文獻[14]中對于網格尺寸研究所總結的公式r=0.7×3c×3t2（c為截面寬度， t為梁壁的厚度），計算得知最合理的網格單元尺寸為2 mm。當驗證吸能盒的正面低速碰撞性能時，平均載荷約為150 kN [15]，此處為簡化設計模型，載荷施加采用恒定力150 kN。

4 吸能盒吸能效果的評定

5 CAE模擬仿真分析

研究可得，無誘導槽圓柱、六棱柱和橢球位移圖和應力圖具體如圖3～圖5所示。同時也得到，有誘導槽圓柱、六棱柱和橢球位移圖和應力圖具體如圖6～圖8所示。

進一步地，研究得到有誘導槽打孔橢球的仿真結果如圖9所示。基于圖9，整理模擬數據結果見表1。

分析表1可知，當高度、壁厚相同并且保證質量相近的前提下，垂直于橫截面施加同樣大小的載荷[18]，橢球形狀的位移量和所能承受的應力都為最好，而且應變能也為最大，吸能效果非常明顯，六棱柱和圓柱則依序次之。當增加誘導槽時，應力單元圖中顏色明顯地分成3部分，這是由于加了引導槽應力主要集中在誘導槽附近，吸收了大部分的能量，雖然三者的吸能能力都有了很大的提高，但從圖和數據表格中可以看出依然是橢球的吸能能力最強，六棱柱和圓柱的吸能能力遠小于橢球的吸能能力。其中，打孔橢球形吸能盒相對于無孔圓柱形吸能盒質量減輕16.6%，相對于無孔六棱柱吸能盒質量減輕14.9%，相對于無孔橢球形吸能盒質量減輕14.4%。而吸能能力相對提升依次為171.8%、252.2%、150.3%。

6 結束語

通過分析橢球的位移圖和應力可知，有些區域所受應力很小，這樣的區域可以去掉，于是對模型進行了打孔處理，以減輕質量，同時孔的存在使得應變能顯著提高，大幅提升了吸能能力。綜上，認為橢球狀加誘導槽并在適當地方打孔的模型既能夠滿足碰撞要求，同時又實現了吸能盒的輕量化，為最優模型。

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