汽車吸能盒的結構設計與優化

成海飛，趙奉奎，張涌

（210037 江蘇 南京市 南京林業大學 汽車與交通工程學院）

0 引言

2020 年，中國汽車工程學會提出的《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》，肯定了汽車輕量化設計作為汽車設計重要領域的關鍵性技術，比如車用鋁合金件大面積的使用。在保證輕量化的前提下，汽車的安全性也必須得到重視。吸能盒是車身防撞結構的重要組成部分，是連接保險杠防撞梁和車身前縱梁的重要吸能部件，在中層沖擊力傳遞過程中發揮了關鍵的承接作用，能夠在碰撞過程中吸收20%左右的能量，尤其在中低速碰撞中可防止車身縱梁發生變形，可降低車輛日常使用中的維修費和保險費。

關于吸能盒特性的研究，目前主要是從結構設計與優化、材料的選配、研究方法等方面開展[1]。文獻[2-3]將簡化后的仿生結構應用到傳統吸能盒結構設計中，通過碰撞仿真實驗，證明了設想的可行性，即新型吸能盒的吸能效果顯著；文獻[4-7]針對吸能盒的材料形狀、厚度、誘導槽的位置分布進行了相應研究，通過對選取的評價標準進行橫縱比較，得到了一種較優的模型結構，使汽車在低速正面碰撞下吸能盒可以盡可能有效地吸收壓潰能量以保護車身和減輕乘員傷害。更多的學者致力于通過正交試驗和拉丁超立方法抽取樣本點構建各響應值的Kriging 近似模型，結合一些算法對模型進行多目標優化，使得吸能盒的變形壓縮模式更充分、有序，為汽車其他結構件的輕量化和性能研究提供了新的思路與方法[8-13]。

本文主要立足于對吸能盒結構的研究，通過在正六邊形鋁合金吸能盒結構內部設置不同位置的加強肋板，利用Pro/E 和HyperMesh 進行模型的建立與處理，通過有限元求解和結構靜力分析，得到碰撞模型的撞擊結果動畫，應用LS-PrePost 對圖形數據進行整合與處理。最后，在原方案基礎上，結合仿生竹節的結構對吸能盒結構進行了優化設計，通過仿真分析，證明了該結構的合理性，為吸能盒的理論研究提供了一定的參考。

1 吸能盒的設計原則和評價指標

1.1 吸能盒的設計原則

汽車發生低速碰撞時，傳力途徑主要經過前吸能區（保險杠和吸能盒）和中吸能區（縱梁）。為發揮汽車被動安全性的良好吸能水平和降低維修費用，吸能結構在設計過程中主要通過以下原則使其達到較優效果[14]：（1）按照先吸能盒后縱梁的變形順序進行；（2）在低速碰撞中能以相對固定的模式吸收碰撞動能，吸能的不良變形形式需要盡量完全避免；（3）吸能盒應該在尺寸合理的情況下盡可能多地吸收碰撞量；（4）在低速碰撞中吸能盒以均勻穩定的方式發生軸向褶皺變形；（5）安裝位置合理，便于維修。

1.2 吸能盒的評價指標

在研究吸能盒結構碰撞性能時，評價指標主要有緩沖能力、吸能量和位移量[15]。

（1）緩沖能力

碰撞力峰值是指車輛發生撞擊時產生的最大荷載，其值與吸能盒的結構形狀、材料選取等息息相關，汽車被動安全性指標Fmax越小越好。通過動畫模擬和數據處理，發現Fmax一般出現在吸能盒開始發生潰縮時，其值應低于承載部件的許可參數，否則會降低汽車的整體性能，使汽車各系統間的配合不協調。在汽車發生低速正面碰撞時，防撞梁把自身無法吸收的能量傳遞給吸能盒以達到緩沖效果，這樣吸能盒的軸向變形程度也會有所改善。平均碰撞力Fav可以理解為吸能盒單位位移上吸收的能量，即總吸能量Etotal與壓縮位移s 之間的比值，可表示為

（2）吸能量E

總吸能量（此中為內能）是指吸能盒—剛性墻系統在壓潰變形過程因為兩者之間的相互作用力而產生的碰撞能量，其值與吸能盒變形量和兩者之間產生的沖擊力有關，E 越大則說明吸能特性越好。計算公式為

式中：F（s）——碰撞力；s——壓縮變形位移；δe——最大變形量。

比吸能量ESEA指的就是單位質量內吸收到的能量，定義為總吸能量Etotal與質量M 的比值：

在相同條件和技術要求的制約下，較優的吸能特性應該是比吸能量和總能量盡可能大，這樣可以減小沖擊對乘客安全的威脅以及對汽車重要部件的損壞。

（3）位移量

汽車發生軸向正面碰撞時，能夠表征吸能盒吸能潛力的一個指標就是最大變形量，即在吸收更多外界傳遞能量的同時，還擁有更強的變形余地，這有利于汽車發生碰撞時提高安全性能。最大變形量可以通過壓縮位移s 衡量，通常指的是從剛性墻接觸吸能盒開始到低速正面碰撞過程完全結束的時間段內，吸能盒所遍歷的軸向壓縮位移量，其值越小，表征吸能盒在對抗沖擊的過程中性能更加優良，能夠更好地保護乘客安全，大大降低防撞系統之后汽車主要結構件的維修費用。

2 吸能盒模型建立

目前，吸能盒材料主要還是采用傳統鋼材加工與裝備，但是在相同力學性能條件下，鋁合金質量比鋼材輕69%，且碰撞過程中吸收的能量比鋼材多50%[16]。綜合考慮正面低速碰撞過程中乘員安全與舒適性要求以及《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》中關于輕量化技術的指示，選取汽車吸能盒材料，具體參數如表1 所示。牌號為6061-T6的鋁合金材料是高品質鋁合金6000 系列中經常選配的材料，主要合金元素有硅、鎂，是6061 鋁合金處于固溶熱處理后進行人工時效的狀態，具有加工性能極佳、優良的焊接特點和韌性高等特點，廣泛應用于汽車車體結構件。

表1 吸能盒材料參數選取Tab.1 Material parameter selection of energy absorbing box

為了更好地研究汽車在正面碰撞過程中吸能盒的吸能特性，對現實情況下的障礙物與車輛系統模型進行了簡化，得到了如圖1 所示的壓潰系統，根據汽車維修委員會（RCAR）[17]制定的正面碰撞測試標準，把障礙物抽象為質量500 kg、初始速度16 km/h 的剛性不變墻，用來碰撞不產生平動、轉動的吸能盒。由于正六邊形吸能盒吸能參數較其他截面形狀表現得更加均衡[18]，在此基礎上在內腔內加焊肋板進行結構的一次設計。參考以往的研究及經驗，吸能盒參數選取：長度160 mm，截面周長240 mm，壁厚和肋板厚度均為2 mm。吸能盒內腔加焊加強肋板必然會導致其吸能特性發生變化，肋板個數并非越多越好。為了在壓潰過程中保證吸能盒能夠更好地發生褶皺變形，本文將肋板個數定為2，具體方案示意圖如圖2 所示。

圖1 剛性墻—吸能盒正面碰撞系統模型Fig.1 Rigid wall—energy-absorbing box frontal collision system model

圖2 吸能盒形狀、結構方案設計示意圖Fig.2 Schematic diagram of shape and structure design of energy absorbing box

3 吸能盒仿真結果分析

由于剛性墻和吸能盒系統中獨立個體的受力作用遵循牛頓第三定律，所以用剛性墻所受的作用力表征吸能盒在壓潰過程中承受的力，吸收盒的軸向壓縮變形的特征是2 個面從接觸開始到仿真結束之間發生的位移變化。本文在對吸能盒特性分析時，選用峰值載荷、總吸能量和壓縮位移與時間的關系作為評價指標。為了更好地獲得能量吸收特性，通常期望小的峰值載荷、大的能量吸收和小的變形。通過對Ls-Dyna 仿真動畫得到的數據集進行處理，得到如圖3 所示的結果。

不同方案吸能盒在壓潰過程中的吸能量、位移隨時間的變化曲線如圖3、圖4 所示，峰值載荷見表2。通過以上數據分析，在正面低速碰撞過程中，在腔內添加加強肋板的吸能盒的總吸能在方案1 的基礎上都有所提高，由于肋板布置方式不同，導致結構的機械強度得到了或多或少的提升，也使得總吸能量發生了變化，漲幅分別為7.2%、7.5%、6.6%、9.7%。壓縮位移降低率為49.1%、50.5%、29.9%、45.1%，說明在變形量更小的情況下，吸能盒可以吸收更多的碰撞能量，使得汽車其它結構件的維修成本大大降低。值得注意的是，出現在碰撞初期的峰值載荷明顯以更高的倍率增加，這種現象的發生會造成乘客所處的環境更逼近暴露極限，在這一瞬間受到的沖擊更加劇烈，舒適性得不到保障。

圖3 各方案吸能盒吸能量變化曲線Fig.3 Change curve of energy absorbed by energy absorbing box of each scheme

圖4 各方案吸能盒壓縮位移變化曲線Fig.4 Compression displacement curve of energy absorbing box of each scheme

表2 各方案吸能盒峰值載荷Tab.2 Peak load of energy absorbing box of each scheme

綜上所述，吸能盒的吸能特性并不能因為某一評價指標出眾則認為此方案更適合實際碰撞應用，而更多的是綜合考量取折中，在提高碰撞需求的同時，也要滿足乘客乘坐的舒適度，而方案5 恰恰比較符合，但是由于其峰值載荷過大，需要對其進行再次優化設計。

4 吸能盒結構優化與分析

4.1 仿生吸能盒結構的提出與設計

節在禾本植物的生長過程中扮演著極其重要的角色，它可以增加莖的機械強度（單位面積上所能承受的最大負荷），使其不易倒伏。本文根據竹子生長過程中存在的這一自然現象對上文取優的吸能盒結構進行優化設計，在其縱向中心處添加如圖5 所示的加強節，此處仿生節的厚度理論上可取n（0＜n＜160 mm）。由于仿生節為實心體，隨著厚度的增加，吸能盒整體質量增大，將無法保證輕量化設計的目標，結合對仿竹節厚度的仿真對比，在本文中n=2 mm，得到圖6 所示吸能盒形狀。

圖5 竹子正視結構示意圖Fig.5 A schematic diagram of frontal structure of a grass plant

圖6 仿生節吸能盒形狀圖Fig.6 Bionic bamboo joint energy-absorbing box shape diagram

4.2 仿生吸能盒仿真分析

通過HyperMesh 與LS-Dyna 處理與仿真，從動畫模擬與數據處理軟件LS-PrePost 中得到吸能盒正面碰撞過程中能量變化曲線。由于顯示分析采用1 階縮減積分會造成殼單元處于零能模式，接觸面的能量耗散會出現沙漏能，且沙漏能一般不應超過總能量的5%[19]。從圖7 的系統能量變化曲線中可以看出，整個系統的能量構成比較合理。總能量在保持基本不發生波動的情況下，沙漏能可以很好地控制在一個很小的正值范圍，且沒有超過系統總能量5%，也未發生突變，說明所建立的吸能盒有限元模型是可靠有效的。

仿生竹節吸能盒在壓潰過程中的系統能量變化、位移隨時間的變化曲線如圖7、圖8 所示。可以清楚地看出，仿生吸能盒總吸能量為4.81 kJ，削減為方案5 的98%，峰值載荷127.377 kN，降低率為16.7%。相對于方案5 來說，峰值載荷降低率遠大于吸能量率，在總吸能量相差不大的情況下，峰值載荷有了明顯的改善。碰撞過程中，此吸能盒發生的褶皺變形是一種理想的變形模式，滿足在低速正面碰撞時能有效減少相對物體間的沖擊，減小撞擊對汽車主要部件損害的目的。

圖7 仿生竹節吸能盒系統能量變化曲線Fig.7 Energy change curve of bionic bamboo energy-absorbing box system

圖8 仿生竹節吸能盒壓縮位移變化曲線Fig.8 Compression displacement change curve of bionic bamboo joint energy absorbing box

5 結論

（1）建立剛性墻—吸能盒壓潰模型，進行低速碰撞仿真，在吸能盒內腔通過加筑加強肋板，研究其不同布置方式對吸能盒特性的影響，經仿真分析，在確定的評價指標綜合考量下，方案5 更符合要求，但是其峰值載荷過大，需要進一步優化。

（2）通過對節的研究，將其在竹子生長過程中起到的作用應用到吸能盒結構優化設計，吸能盒峰值載荷降低了16.70%，吸能量降低了2.0%，壓縮位移基本保持不變，說明此方案顯現的效果更優。此研究在保證輕量化的前提下，有效地提高吸能盒的耐撞性能和吸能特性，為整車安全性能的研究提供了理論依據。