仿荷薄壁管的耐撞性研究

摘要： 针对传统薄壁圆管结构存在的问题，本文采用结构仿生原理，主要对仿荷薄壁管在轴向冲击下的耐撞性进行研究。利用有限元分析软件对薄壁管做碰撞仿真，以比吸能和峰值力为评价指标，结合不同薄壁管在碰撞时发生的变形模式，分析3组仿荷薄壁管的轴向吸能特性。仿真结果表明，仿荷薄壁管较普通圆管有更好的吸能特性；在比吸能指标方面，3组结构同一系列的仿荷薄壁管比吸能为：B组>C组>A组，B组结构的比吸能提升最高，比A组平均提升20%；在峰值力指标方面，同一系列的B组仿荷薄壁管较A组仿荷薄壁管的峰值力也有所提升，C组仿荷薄壁管的峰值力受胞数增加的影响最大，当胞数增加到7以上时，C组峰值力大于B组，在不影响吸能的情况下，减小碰撞过程中产生的峰值力，可以保护车内乘员的安全，说明B组仿荷薄壁管是一种更合理的吸能结构。该研究在汽车数值结构分析与优化设计中具有广阔的应用前景。

关键词： 仿生； 薄壁管； 轴向冲击； 耐撞性

中图分类号： TH12； U260.2文献标识码： A

汽车车身结构的溃缩式吸能设计可以提升碰撞安全性[1]。汽车吸能元件主要采用金属薄壁管、泡沫材料、蜂窝材料和复合材料等。其中，金属薄壁管（下称薄壁管）是应用最广泛的元件[24]，其具有强度高、成本低、吸能效率好等优点[5]。在现代汽车设计中，往往在防撞梁与车身纵梁的连接处加装吸能盒，将吸能盒设计成金属薄壁管，在碰撞力的作用下，吸能盒能按预先设计的形式溃缩变形，最优化地吸收能量[6]。国外对薄壁管的研究时间比较长，主要利用计算机仿真和真实实验，对不同结构的金属薄壁吸能特性进行分析，研究内容主要包括薄壁管的截面形状[79]、薄壁的厚度、直管和锥管的特性、薄壁管结构的处理（如引入沟槽[1011]、增加填充[1214]）等方面。因此，在提高金属薄壁管吸能性和耐撞性[1516]方面取得了很多成果。近年来，国内对仿荷薄壁管也进行了研究，邹猛等人[1718]对仿牛角结构薄壁管吸能特性进行分析，结果表明这种仿牛角结构的比吸能比普通锥管提高了18倍；魏灿刚等人[1920]对仿竹结构薄壁管进行研究，证明仿竹薄壁管具有更高的比吸能；唐智亮[21]对仿生薄壁管轴向冲击能量吸收性能进行分析与改进设计，为仿荷薄壁管研究提供了思路。基于此，本文以荷为生物原型，在分析荷茎和荷叶生物学和力学特性的基础上，通过结构仿生学方法，对传统薄壁圆管的结构进行优化，观察荷茎和叶的宏微观结构，获取主要结构和特征，并通过结构仿生学原理，设计仿荷薄壁管截面，对仿荷薄壁管进行结构设计，得到不同截面的仿荷薄壁管。同时，在轴向载荷的冲击作用下，分析仿荷薄壁管的吸能特性，并与普通圆管的轴向吸能特性进行对比，以期提高薄壁管在轴向载荷作用下的吸能效果。该研究为设计车辆吸能元件提供了理论参考。

1仿荷薄壁管

1.1仿荷薄壁管的幾何模型

荷茎和荷叶的外观结构如图1所示，荷花叶大且呈盾状圆形，具有辐射状叶脉，其受力时，变形延展面积大，具有较好的柔韧性。荷茎的横断面有许多大小不一的孔道，使荷茎具有一定的弹性，有抵御风雨的能力。荷叶和荷茎与薄壁管的相似性分析：

1）功能相似性：荷花的茎和叶可以通过变形过程中吸收能量完成自我保护。薄壁管通过发生溃缩变形来吸收碰撞能量，从而避免整体结构的破坏。

2）结构相似性：薄壁管结构具有良好的耐撞性能；荷花的茎类比于薄壁多胞管，同样具有一定的耐撞性；荷花的叶在变形时可以承受较大的冲击载荷，荷叶隆起的脉使结构耐撞性得到提升，后面提出的仿荷薄壁管截面形状也将以辐射状叶脉为参考。

荷茎和荷叶都是仿生研究的对象，荷茎类比于多胞薄壁管，孔道的分布使荷茎受力稳定，不易弯曲变形。荷叶具有辐射状叶脉的特点。基于此，本研究提出的仿生多胞薄壁管（下称仿荷薄壁管）具有类比于荷茎的多胞结构和类比于荷叶的辐射状内部结构，再对所提出的仿荷薄壁管进行轴向碰撞分析，对比于传统的普通圆管，分析仿荷薄壁管在耐撞性上的优劣。

根据荷的功能和结构特性，对金属管截面进行仿生设计，主要考虑两方面：一是荷花的茎截面多孔类比于多胞薄壁管，说明多胞薄壁管可能较单胞管有更好的耐撞性；二是荷叶的脉呈辐射状，在自然界中具有抵抗风雨的力学特性。从辐射状荷叶叶脉和多胞结构荷茎出发，将辐射状多胞结构引入薄壁管研究，提出了A、B、C三组截面形状的仿荷薄壁管，每组分为3，5，7，9，11系列，仿荷薄壁管的命名方式为“组别+系列”，不同截面形状的仿荷薄壁管截面示意图如图2所示。图2中，实线代表薄壁，壁厚为1 mm，3组薄壁管截面的圆管外部直径为60 mm，B组薄壁管截面内部管壁直径为30 mm，C组薄壁管内部多边形结构的外接圆直径为30 mm。

1.2薄壁管有限元结构模型

利用有限元软件HYPERMESH，建立仿荷薄壁管有限元模型，不同截面形状的薄壁管有限元模型如图3所示，薄壁管承受轴向冲击载荷。薄壁管L=170 mm，外径D=60 mm，结构采用1 mm×1 mm的正方形单元进行网格划分。薄壁管选用铝合金材料，密度ρ=2 700 kg·m-3，泊松比u=03，弹性模量E=70 GPa，初始屈服应力σy0=80 MPa，极限屈服应力σu=173 MPa。碰撞块和刚性墙定义为刚体，仿荷薄壁管的撞击过程采用非线性显式有限元求解器LSDYNA进行求解，其中碰撞块与薄壁管采用点面接触，薄壁管结构采用单面接触，接触的静动摩擦因数均为02，刚性墙与薄壁管之间的摩擦因数定义为03。仿荷薄壁管碰撞末端节点模拟固支边界条件，施加所有六个自由度的约束。碰撞块以10 m/s的速度撞击薄壁管，质量为300 kg，求解时的碰撞时间设置为11 ms。

1.3薄壁管的耐撞性指标

1）比吸能SEA，即单位质量的能量吸收率，它表示碰撞过程中薄壁管发生塑性变形吸收的能量E与薄壁管质量M的比值，即

SEA=EM， E=∫ρ0Fdρ

式中，E为薄壁管吸收的能量；ρ为压缩距离；F为碰撞压缩过程中的碰撞力；M为薄壁管的总质量。

2）峰值力F，峰值力表示碰撞发生时薄壁管在压溃过程中沿轴向产生的最大冲击载荷。峰值力过大，会导致车体碰撞的加速度较大，对车内乘员造成损伤。

2仿荷薄壁管的耐撞性分析

2.1三组仿荷薄壁管的比吸能研究

对A、B和C组仿荷薄壁管的比吸能进行分析，比较同一组别不同系列薄壁管和同一系列不同组别薄壁管的比吸能差异。3组仿荷薄壁管的比吸能图如图4所示，由图4可以看出，在一定范围内，同一组别的薄壁管，其比吸能较普通圆管有较大的提升，并且随着胞数的增加，比吸能提高的幅度有所增加，3条比吸能曲线均呈正增长趋势。普通圆管的比吸能为1284 kJ/kg，图4所有仿荷薄壁管中，仿荷薄壁管A3比吸能最小，为1358 kJ/kg，较普通圆管的比吸能提高545%。比吸能最大的是仿荷薄壁管B11，其比吸能为185 kJ/kg，较普通圆管结构的比吸能提高4408%；另外，同一系列的薄壁管，其比吸能为：B组>C组>A组，可以初步判定，在所研究的范围内，B组仿荷薄壁管的比吸能都优于A组和C组，B组仿荷薄壁管相对于A组同一系列薄壁管，其比吸能平均提高20%。C组薄壁管的比吸能介于A和B组之间。图4中，仿荷薄壁管A3的比吸能为1358 kJ/kg，B3的比吸能为1612 kJ/kg，C3的比吸能为1454 kJ/kg，B3的比吸能是C3的111倍，是A3的119倍。仿荷薄壁管A11的比吸能为1484 kJ/kg，B11的比吸能为1854 kJ/kg，C11的比吸能为1804 kJ/kg，仿荷薄壁管C11的比吸能是仿荷薄壁管A11的103倍，仿荷薄壁管B11的比吸能是仿荷薄壁管A11的128倍。

2.23组仿荷薄壁管的峰值力研究

在碰撞瞬间所产生的峰值力是耐撞性研究的重要指標。车辆发生事故时，过大的峰值力会对乘车人员造成严重的伤害，在不影响吸能的情况下，减小碰撞过程中产生的峰值力，可以保护车内乘员的安全。以下研究同一组别不同系列和同一系列不同组结构的峰值力的变化规律，3组仿荷薄壁管的峰值力图如图5所示。

1）同一组别的薄壁管，随着薄壁管胞数的增加，其峰值力也随之增加，其中普通圆管的峰值力为2840 kN；仿荷薄壁管A3的峰值力为4928 kN，比普通圆管A1提高了735%；仿荷薄壁管A11的峰值力为7262 kN，比普通圆管提高了1557%；仿荷薄壁管B3的峰值力为5198 kN，比普通圆管提高了830%；仿荷薄壁管A11的峰值力为7389 kN，比普通圆管提高了1602%；仿荷薄壁管C3的峰值力为4371 kN，比普通圆管提高了539%；仿荷薄壁管C11的峰值力为8655 kN，比普通圆管提高了2047%。

2）同一系列的薄壁管，在轴向碰撞时，3组仿荷薄壁管随着胞数的增加，碰撞时峰值力也随之增加，其中A组和B组较C组峰值力增加的趋势较缓慢，C组仿荷薄壁管的峰值力受胞数增加的影响最大。峰值力的提高，使汽车发生碰撞时，对乘车人员造成伤害的可能性加大，所以在耐撞性分析时，要联系比吸能和峰值力进行综合考虑。在3组仿荷薄壁管的比吸能图的比较中，同一系列仿荷薄壁管的比吸能为：B组>C组>A组，在所研究的范围内，B组结构的比吸能均优于A组和C组；在峰值力指标方面，同一系列的B组仿荷薄壁管较A组仿荷薄壁管的峰值力提升较小，C组仿荷薄壁管的峰值力受胞数增加的影响最大，当胞数增加到7以上时，C组峰值力大于B组，在不影响比吸能的情况下，减小碰撞过程中产生的峰值力，可以保护车内乘员的安全，因此B组仿荷薄壁管是一种更合理的吸能结构。

2.33组仿荷薄壁管的变形模式研究

在薄壁管轴向碰撞时，薄壁管的褶皱数越多，褶皱越规律，则金属管的变形越稳定。当薄壁管呈现出渐进叠缩变形模式时，结构的吸能特性将大大提高。因本研究所用薄壁管使用相同的金属材料，不需考虑材料不同对碰撞结果的影响。在相同轴向碰撞条件下，且在100 mm变形位移处，选取不同薄壁管的变形模式进行研究，仿荷薄壁管在100 mm位移处的变形如图6所示，探究薄壁管的变形模式，并与前面得到的吸能特性进行对比分析。

1）在一定范围内，同一组别的薄壁管，随着薄壁管胞数的增加，轴向碰撞时产生更多的褶皱，金属管的变形更加稳定，耐撞性得到提升。在100 mm变形位移处，普通圆管的褶皱数为5，薄壁管A3的褶皱数为6，薄壁管A5的褶皱数为7，薄壁管A7的褶皱数为8，薄壁管A11的褶皱数为9。仿荷薄壁管较普通圆管具有更好的吸能特性。在碰撞过程中，仿荷薄壁管在压溃截面上会有较多的塑性变形，从而提高了仿荷薄壁管抵抗冲击变形的能力，这种能力在一定范围内将随着薄壁管胞数的增加而得到提高。

2）同一系列的薄壁管，B组和C组的变形模式较A组更好，产生的褶皱更多，B组在3组模型中变形最规律。联系薄壁管在轴向冲击时吸能特性和变形模式的关系，在同一系列中，B组仿荷薄壁管的吸能特性最好，C组仿荷薄壁管的吸能特性次之，A组仿荷薄壁管的吸能特性为3组最差，验证了3组薄壁管在比吸能上的差异。

3结束语

本文主要研究了3组不同截面的仿荷薄壁管在轴向碰撞时的耐撞性。以仿生学为基础提出仿荷薄壁管的不同截面，比较了不同仿荷薄壁管之间的比吸能和峰值力上的差异，并对模型的变形模式进行研究。研究结果表明，在比吸能指标方面，3组仿荷薄壁管较普通圆管的比吸能大幅提升，说明仿荷薄壁管可以提高薄壁管的吸能特性，对比同一组别的薄壁管，3条比吸能曲线均呈正增长趋势，说明在一定范围内，随着薄壁管胞数的增加，比吸能也随之增加。对比同一系列的仿荷薄壁管，比吸能为B组>C组>A组，因此B组结构可以更好的提高薄壁管吸能特性，吸能特性最好的是B11仿荷薄壁管；在峰值力指标方面，同一组别的薄壁管，随着薄壁管胞数的增加，其峰值力也随之增加。同一系列的B组仿荷薄壁管较A组仿荷薄壁管的峰值力也有所提升，C组仿荷薄壁管的峰值力受胞数增加的影响最大，当胞数增加到7以上时，C组峰值力大于B组，在不影响吸能的情况下，减小碰撞过程中产生的峰值力，可以保护车内乘员的安全，显然B组仿荷薄壁管是一种更合理的吸能结构。该研究可以有效提高薄壁管的耐撞性，为汽车的数值结构分析与优化设计提供了理论基础。

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