具有诱导凹槽薄壁圆管斜向碰撞性能分析

谭丽辉，谭洪武

(1.吉林化工学院机电工程学院，吉林 吉林132022;2.中油吉林石化公司有机合成厂 乙丙橡胶车间，吉林 吉林132022)

薄壁金属构件由于其低成本，高吸能性而在汽车结构中作为一种性能良好的缓冲吸能元件得到广泛的应用［1］.汽车中的大部分结构是由不同截面形状的薄壁构件组成，这些薄壁构件通过自身的塑性变形来吸收冲击动能.并通常在其上设置诱导缺陷结构来提高抗撞性［2-5］.文献［6］指出目前大部分研究内容是关于薄壁构件在轴向冲击载荷作用下的吸能性.然而在汽车碰撞过程中，吸能件通常不仅受轴向冲击载荷作用，还会受到不同角度倾斜载荷的作用.Nagel［7］比较了在斜载荷作用下方形截面薄壁构件和锥管的抗撞性，指出锥管有较好的抗撞性能.Reyes等［8］研究了在倾斜载荷作用下薄壁构件几何参数、载荷倾角对吸能性的影响.

目前的研究很少涉及具有诱导结构的薄壁构件在倾斜载荷作用下的抗撞性能.本文从实际出发在薄壁圆管上施加圆弧形诱导凹槽结构，并采用非线性有限元软件LS-DYNA得到不同几何参数模型的碰撞响应.研究其在 7°、14°、21°等不同载荷倾角下的抗撞性.分析载荷倾角、诱导槽数量对抗撞性的影响.

1 模拟研究

1.1 计算模型

如图1所示，圆管下端固定，上端自由并受质量为25 kg，速度为v=15.49 m/s的刚性体冲击作用，θ为冲击速度与轴向夹角;圆管厚度t=0.8 mm，长度L=90 mm，直径d=31 mm.

1.2 材料定义

薄壁构件的材料选为高强度钢，ρ=7.82×103kg/m3，弹性模量 E=207.2 Gps，泊松比 v=0.3，屈服应力 σs=446 MPa.高强度钢材料的动态变形受材料应变率的影响较大，需要在材料模型中考虑应变率的影响.一般采用 Cowper–Symonds塑性材料模型［9］

式中:σy为考虑应变率之后的动态屈服应力，σs为静态屈服应力;ε为应变率，c和p为该模型中与应变率相关的参数，分别为c=40/s，p=5静态应力-应变变化曲线如图2所示.

图1 薄壁圆管的分析模型

图2 应力-应变关系曲线

文献［5］已给出了薄壁构件原模型在轴向(载荷倾角为0度)冲击载荷作用下，由LS-DYNA计算得到的碰撞响应，并与实验值进行了比较.通过对比可以看出有限元结果和实验值之间的相吻合.

对误差很小，可见数值模拟的结果与实验值能够较好地吻合，可进一步用于模拟其在倾斜载荷作用下的抗撞性.

1.3 诱导槽模型

诱导结构是薄壁构件应力集中的地方，使结构的屈曲变形稳定.为了提高原模型在碰撞过程中的抗撞性能，本文对原模型结构做了改进，如图3所示，沿光滑表面的薄壁结构(原模型结构尺寸不变)添加均布的圆弧形凹槽.现分别施加1、2、3、4 个半径为 0.8 mm 诱导槽，研究其在 7°、14°、21°等不同载荷倾角下的抗撞性.在前文的工况下对四个模型进行有限元仿真得到其碰撞性能评价指标响应值.

图3 改进结构模型

2 模拟结果及讨论

图4、图5分别给出了不同诱导槽结构，在7°、14°、21°斜向载荷角碰撞过程中压溃力和吸收能量随压溃位移和压溃时间变化情况，并将其与相应条件的原模型进行了比较.由图4可以看出薄壁构件在7°载荷角下的碰撞力曲线在最大和最小局部峰值间平稳波动，变化趋势大体相同，表明这几种薄壁构件在7°载荷角下抗载能力相似;由薄壁构件在14°、21°载荷倾角下的碰撞力曲线可以看出，五种薄壁构件在两个倾角下的碰撞力曲线变化趋势大体一致，都是在初始阶段稳定增大到峰值碰撞力，随后单调减小至到冲击终了阶段撞击力急剧上升达到极高的水平.上述不同撞击角度下的力响应与薄壁梁的失效模式有关.

图4 斜向载荷下力-位移曲线

从能量吸收图5可以看出，在7°载荷角时薄壁构件吸能曲线变化趋势相似，总吸能相近.而在能量吸收图5中的(b)、(c)可以看到，在14°和21°载荷角的碰撞初始阶段总吸能迅速上升，在碰撞时间大约为2°ms～6°ms阶段，总吸能增加缓慢，因为在此阶段薄壁构件开始发生弯曲变形，吸能能力减弱，之后薄壁构件的碰撞力迅速增大，又迅速恢复了吸能能力并保持至碰撞终了.

图5 斜向载荷下内能—时间曲线

由图6给出了五种薄壁构件在不同载荷角下的最大峰值碰撞力变化情况，可见具有诱导结构的薄壁构件最大峰值碰撞力均低于原模型，且随着诱导槽数量的增加最大峰值碰撞力明显减小.由图6可见较大的载荷角时，诱导槽数量的增加，对最大峰值碰撞力影响较小.

由图7所有薄壁构件的总吸能随载荷角的变化情况可知.当载荷角较小时，所有薄壁构件的总吸能近似相等;当载荷角较大时1个诱导槽结构总吸能更有效，而增加诱导槽数量时总吸能并没有提高.由图7可见原模型在载荷角冲击时的总吸能要大于其他诱导结构，而在14°和21°载荷角冲击时其总吸能则为所有模型中最小的.可见，设置诱导结构在较大载荷角碰撞下可提高能力吸收性能.

图6 峰值载荷随载荷角变化

图7 总吸能随载荷角变化

由图6、7可以看出，最大峰值碰撞力和总吸能均随着载荷角的增大而减小.

3 结 论

本文主要研究倾斜载荷角碰撞下，具有不同数量诱导凹槽薄壁构件的抗撞性能.设置诱导结构可在倾斜碰撞下可降低最大峰值碰撞力，在7°、14°、21°倾斜载荷角下最大峰值碰撞力分别降低16.81%、15.3%、11.58%;.具有诱导结构的薄壁构件，在7°倾斜载荷角下其总吸能比原模型至多降低1.07%，而在 、较大倾斜载荷角下，其总吸能比原模型最多分别可提高44.99%、65.18%.可见在倾斜载荷碰撞下，设置诱导结构能显著提高薄壁构件的抗撞性.

［1］ 亓昌，董方亮，杨姝，等.锥形多胞薄壁管斜向冲击吸能特性仿真研究［J］.振动与冲击，2012，31(24):102-107.

［2］ Massimiliano Avalle，Giorgio Chiandussi.Optimization of a vehicle energy absorbing steel component with experimental［J］.Engineering，2007，34:843-858.

［3］ Cho Y B，Bae C H，Suh M W，et al.A vehicle front frame crash design optimization using hole-type and dent-type crush initiator［J］.Thin-Walled Structures，2006，44:415-428.

［4］ 张涛，刘土光，肖汉林，等.高速冲击下薄壁组合结构吸能特性研究［J］.爆炸与冲击，2006，26(5):395-403.

［5］ 谭丽辉，徐涛，张炜，等.带有圆弧形凸槽金属薄壁圆管抗撞性优化设计［J］振动与冲击，2013，32(21):80-84.

［6］ Olabi AG，Morris Edmund，Hashmi MSJ.Metallic tube type energy absorbers:a synopsis［J］.Thin Walled Structures 2007，45;707-26.

［7］ Nagel Gregory.Impact and energy absorption of straight and tapered rectangular tubes［J］.Australia :Queensland University of Technology:2005 FhD thesis.

［8］ Reyes A，Langseth M，Hopperstad OS.Crashworthiness of aluminum subjected to oblique loading:experiments and numerical analyses［J］.International Journal of Mechanical Sciences 2002，44:1965-84.

［9］ Y.S.Tai，M.Y.Huang，H.T.Hu.Axial compression and energy absorption characteristics of high-strength thin-walled cylinders under impact load ［J］.Theoretical and Appied Fracture Mechanics，2010，53:1-8.