基于ABAQUS 對汽車低速吸能盒的研究

任夢，董萬鵬，李佳意，張吉超

（201620 上海市 上海工程技術大學 材料工程學院）

0 引言

汽車已經普遍進入了我國百姓家中，成為人們日常工作生活中必不可少的重要代步工具[1]。汽車使用量的不斷增加，駕駛員數量也在不斷增加，汽車碰撞事件也在隨之增加。汽車碰撞類型一般包括正面碰撞、側面碰撞、追尾碰撞以及翻滾[2]。在汽車發生碰撞時，吸能盒是確保汽車安全的不可或缺的組成部分，它與前保險杠一起用作能量吸收部件[3]，所以一個合理且高性能的吸能盒的設計就會顯得比較重要。這里通過ABAQUS 軟件對兩種不同截面的吸能盒進行模擬分析，并在此基礎上研究厚度梯度對吸能盒性能的影響。

1 吸能盒設計與評價指標

吸能盒的設計需要驗證在低速碰撞下的最大碰撞力滿足要求，過大的碰撞力會使車架等重要零件受到損傷[4]。另外，吸能盒一旦發生變形后就需要對其進行更換，所以在對吸能盒設計時要考慮其材料成本以及成型工藝，盡量做到低成本、高效能。要想做到高效能，就必須盡可能滿足吸能盒的吸能評價標準，吸能盒的吸能標準主要包括以下幾方面：

（1）碰撞力峰值。吸能盒在碰撞過程中受到的碰撞力峰值對其壓縮變形以及吸能性能有著比較重要的作用，而且撞擊力的減小對于乘車人員的保護十分重要[5]，碰撞力峰值越低越好。

（2）碰撞最大位移。對于吸能盒通過結構被壓縮使沖擊力得到緩沖，一個優異性能的吸能盒在低速碰撞時壓縮量越少，在高速碰撞時就能發揮更大的作用，因此對于低速碰撞，碰撞最大位移值越小越好。

（3）塌陷模式。對于塌陷模式而言，當發生碰撞后吸能盒能夠從接觸端開始沿軸向進行折疊且折疊比較緊湊，那么該吸能盒的性能便比較優異。

（4）總的吸能量。總吸能量即為整個碰撞過程中結構件以變形的方式所吸收的碰撞能量[6]。吸能盒在發生碰撞后會通過自身結構的潰縮來實現能量的吸收，吸收的總能量越大，吸能越好。

2 不同截面吸能盒

2.1 不同截面吸能盒的模型建立

運用建模軟件建立直徑為60 mm 的圓形截面吸能盒以及邊長為60 mm 的正方形截面吸能盒，其薄壁厚度均為3 mm，長度均為120 mm，剛性板邊長為120 mm。吸能盒與剛性墻的碰撞模型如圖1 所示。在對該模型進行碰撞模擬分析時運用的是ABAQUS 軟件進行顯式動力模擬分析。對于網格大小而言，若是網格過于大，會導致精度不夠高甚至可能會發生沙漏現象，對該模型均采用大小為2 mm×2 mm 的四邊形網格組成，采用殼單元網格模型。在仿真分析中，吸能盒和剛性墻之間的接觸采用自動的表面對表面，對靜摩擦系數和動摩擦系數均設置為0.2，將吸能盒的底端進行完全約束。由于吸能盒主要在低速碰撞時發揮作用[6]，所以將質量為1 000 kg 的剛性板以3 m/s 的速度撞擊吸能盒的另一端，由于碰撞是在極短的時間內發生的，模擬時碰撞時間設置為0.08 s。

圖1 不同截面的吸能盒Fig.1 Energy absorption boxes with different cross sections

2.2 不同截面吸能盒碰撞仿真分析

2.2.1 不同截面吸能盒碰撞云圖分析

由碰撞云圖（如圖2 所示）可以看出，碰撞發生后這兩種截面結構的吸能盒在低速碰撞后并沒有完全被壓縮，它們的折疊模式類似，都是前端與剛性板接觸的位置先進行變形，并且在吸能盒的中部位置中間局部帶逐漸擴散，且繼續向下進行折疊壓縮，這種變形方式的變形量最小，穩定且能量吸收便于控制[7]。

圖2 不同截面吸能盒的碰撞云圖Fig.2 Collision cloud diagram of energy absorption boxes with different sections

2.2.2 不同截面吸能盒碰撞位移-碰撞力分析

如圖3 所示的碰撞后的位移-碰撞力曲線可以看出，對于位移量而言，圓形截面以及正方形截面吸能盒的位移量分別是35.83，49.95 mm，位移量越大，代表壓縮量越大，所以就變形量而言，圓形截面吸能盒優于正方形吸能盒。但是，在變形過程中，剛開始吸能盒會發生彈性變形，碰撞力在不斷增加，并且當材料達到屈服強度時出現了第一個峰值，之后碰撞力降低，這是由于發生了塑性屈服。當屈服階段結束后，形成一個折疊點，并這樣反復進行下去，直至壓縮結束。在圖中可以看出，圓形截面吸能盒的碰撞力最大峰值大于正方形截面的吸能盒的碰撞力最大峰值，過大的碰撞力容易傳遞到車身其他地方，對車內人員造成傷害，并且會導致汽車其它的部件發生損壞[8]，抗沖擊效果比較差，對車內人員不能起到更好的保護作用。所以正方形截面的吸能盒比圓形截面的吸能盒吸能性能更為優異。

圖3 不同截面吸能盒位移-碰撞力曲線Fig.3 Displacement -impact force curves of energy absorption boxes with different sections

3 不同厚度梯度吸能盒

3.1 不同厚度梯度吸能盒的模型建立

通過前面的設計以及碰撞分析可知，對于兩種不同截面的吸能盒，正方形截面的吸能盒在低速碰撞時的吸能性能更加優異，因此以正方形截面的吸能盒為基礎，對其在厚度上進行正、負梯度設計，將吸能盒均勻分為上、中、下三部分，模型如圖4 所示。

圖4 厚度梯度設計的吸能盒Fig.4 Energy absorption box designed with thickness gradient

分別對其賦予薄壁厚度，正梯度時從上往下厚度的設置依次是3，4，5 mm，依次增加厚度；負梯度的設置于此正好相反，從上到下依次遞減為5，4，3 mm。對于材料以及剛性板等其他設置與之前的設置一樣，不同厚度的薄壁結構采用綁定約束對其進行設置，剛性板以3 m/s 的速度進行碰撞仿真模擬。

3.2 不同厚度梯度吸能盒碰撞仿真

3.2.1 不同厚度梯度吸能盒碰撞云圖分析

汽車發生碰撞后，吸能盒會產生軸向的折疊壓縮，該狀況被認為是緩沖吸能效率最高的理想變形模式，該模式下的結構會首先從受撞擊的一端開始對稱疊縮，再將這對稱的疊縮動作沿撞擊力的方向推移，這也就意味著碰撞后產生的應力波和屈曲都是沿著中心軸線的方向傳播，從而實現了最大程度的吸能性能[9]。

對正、負厚度梯度設計的吸能盒進行低速碰撞的仿真模擬，得到碰撞云圖以及位移—碰撞力的曲線圖，分別如圖5、圖6 所示。

圖5 不同厚度梯度的吸能盒碰撞云圖Fig.5 Collision cloud map of energy absorption boxes with different thickness gradients

由圖5、圖6 可以看出，在發生碰撞后，正梯度設計的吸能盒前端發生接觸的部位先開始壓縮，并趨于沿著軸線方向不斷變化，得到很好的吸能效果；負梯度設計的吸能盒發生接觸的部位未發生變形壓縮，而末端的結構卻發生壓縮，容易將過大的沖擊力傳到車內，不能對乘車人員起到很好的保護作用。

圖6 正厚度梯度吸能盒位移-碰撞力曲線Fig.6 Displacement -impact force curve of energy absorption box with positive thickness gradient

3.2.2 正厚度梯度吸能盒的位移-碰撞力曲線分析

根據上述分析可知，正厚度梯度吸能盒性能更好。這里對正厚度梯度設計的吸能盒與沒有進行梯度設計的進行吸能盒進行分析比較。根據圖6 以及圖3（b）可以看出，正梯度設計的吸能盒的壓縮量為32.75 mm，小于沒有進行梯度設計的吸能盒49.95 mm 的壓縮量，而且正梯度設計的吸能盒碰撞力的最大峰值比較小，而且該設計下的吸能盒峰值前后的曲線比較緩和，這就會使其具有更好的緩沖作用，圖3（b）中的每個峰值前后曲線的變化都比較快，則緩沖作用并不是很強。因此綜合來看，正厚度梯度設計的吸能盒較未進行梯度設計吸能盒的性能得以提升。

4 結論

（1）吸能盒的吸能性能會受到截面形狀的影響，對于不同的截面形狀具有不同的吸能效果。在其他條件相同時，對于圓形以及正方形截面的吸能盒而言，正方形吸能盒在低速碰撞下吸能性能更加優異。

（2）對于正方形截面的吸能盒薄壁結構采用厚度正梯度以及負梯度的設計，進行低速碰撞的仿真模擬，分析可知，對正梯度的吸能盒吸能性能優于負梯度的吸能盒吸能性能。

（3）對于進行正梯度設計正方形截面的吸能盒，與未進行梯度設計正方形截面的吸能盒比較而言，其緩沖效果更加明顯，吸能性能得到了一定程度的提升，乘車人員得到一定程度的保護。