不同诱导结构轴向抗撞性分析

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)

不同诱导结构轴向抗撞性分析

谭丽辉1， 谭洪武2

(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)

研究了圆截面薄壁构件的变形方式和吸能特点，针对其在碰撞过程中力-变形特性曲线的不足，根据预变形理论，对薄壁圆管结构进行了改进，在其上设置圆弧形诱导凹槽、凸槽和凸凹交替诱导槽，并采用有限元软件Ls-dyna验证了改进方案的合理性。

薄壁构件； 诱导槽； 抗撞性

0 引 言

薄壁金属构件是汽车碰撞过程中最为重要的吸能件，汽车碰撞过程实质上就是薄壁构件的大变形过程，很多学者对薄壁构件碰撞仿真进行了研究。汽车正碰时50%以上的冲击动能是由薄壁构件吸收的，因此薄壁构件的吸能能力尤为关键[1-2]，而碰撞过程中的承载能力是衡量其抗撞性能的另一个重要指标，通常为了降低最大峰值碰撞力，常在薄壁构件上设置诱导结构控制其变形模式，降低冲击载荷，从而减小对乘员的伤害，也降低了其它部件所承受的冲击载荷[3-7]。

根据预变形理论提出了在薄壁圆管上设置圆弧形诱导凹槽、凸槽和凸凹交替的诱导槽，并采用非线性有限元软件Ls-dyna进行仿真模拟，得到不同几何参数模型的碰撞响应，研究不同诱导槽结构对薄壁构件抗撞性的影响。

1 普通圆截面薄壁梁仿真模拟

1.1计算模型

薄壁圆管的分析模型如图1所示。

图1 薄壁圆管的分析模型

圆管下端固定，上端自由,并受质量为25 g,速度为v=15.49 m/s的刚性体冲击作用；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，密度ρ=7.82×103kg/m3，弹性模量E=207.2 GPa，泊松比ν=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[8]

(1)

式中：σy----考虑应变率之后的动态屈服应力;

σs----静态屈服应力；

ε----应变率;

c,p----该模型中与应变率相关的参数，c=40/s，p=5。

静态应力-应变变化曲线如图2所示。

1.3仿真模拟结果

薄壁构件原模型在轴向冲击载荷作用下，由Ls-dyna计算得到的最大峰值碰撞力、总吸能值、最大压溃位移并与文献[8]中的实验值进行比较，见表1。

可见数值模拟的结果与实验值能够较好地吻合。

图2 应力-应变关系曲线

表1 原模型有限元分析结果与实验[8]对比

经过有限元模拟计算，在Ls-prepost中对模拟结果进行后处理，并对有限元模型的碰撞动态仿真过程进行观察。得到了在碰撞过程中各时刻薄壁构件的变形图,如图3所示。

图3 圆截面薄壁构件在不同时刻变形

碰撞过程中冲击载荷随压溃位移变化关系曲线如图4所示。

在图4圆截面薄壁构件碰撞力-位移曲线中，力-变形特性曲线不平稳，在碰撞的初始阶段存在一个变形范围很小而力的波动幅度较大的区域，这样会产生较大的加速度，对人体造成严重的伤害，故不能满足碰撞问题中直接作为控制结构使用。

为了消除力-变形特性曲线中波动幅度较大的部分，实现曲线平稳的目的，德国科学家霍尔斯特·皮佩特等[9]创建了预变形理论，即在薄壁构件上合适位置处削弱横截面，使其在碰撞过程初期首先在截面削弱处发生变形，由于变形部分截面已被削弱,该处的刚度减小，则发生变形所需要力也随之减少，从而实现了力-变形特性曲线平稳的目的。

图4中碰撞初期出现的最大峰值碰撞力是文中要讨论和处理的问题。

图4 圆截面薄壁管碰撞力-位移曲线

2 改进结构的薄壁圆管仿真模拟

预变形理论是用诱导结构来实现的，合理的变形诱导结构能够有效引导薄壁构件进入特定的变形模式，使结构的屈曲变形稳定，有效降低最大峰值碰撞力。

文中对原模型结构做了改进，沿光滑表面的薄壁结构(原模型结构尺寸不变)分别添加圆弧形诱导凹槽、凸槽及凸凹交替的圆弧形诱导槽。对于凸凹交替的诱导槽为了获得对称变形模式，诱导槽个数应为奇数个，且第一个为凸槽。根据原模型几何长度，在每种结构上分别设置了均匀分布的3个诱导槽,如图5所示。

图5 改进结构模型

改进结构变形过程如图6所示。

(a) 凹槽

(b) 凸槽

(c) 凸凹交替槽

在前文的普通圆截面薄壁构件碰撞试验工况下，对3种诱导结构模型进行有限元仿真计算得到其碰撞响应，并与原模型进行比较,参数对比见表2。

表2 原模型与改进结构碰撞性能参数对比

从表2可以看到，3种诱导结构对于吸能而言并没有太大区别，但是，对于降低平均碰撞力，特别是降低最大峰值碰撞力都有非常明显的优势。而凸槽和凸凹交错的诱导槽要优于诱导凹槽模型。因此，设置诱导槽确实可以降低碰撞过程中的最大峰值碰撞力。

由图6得到3种诱导结构变形图，可以看出变形都是在诱导槽处开始的，诱导结构在控制薄壁构件的碰撞变形中起到了非常显著的作用。改进薄壁构件后，冲击载荷的变化情况如图7所示。

图7 冲击载荷随压溃位移变化对比曲线

从图7可以看出，诱导结构减小了初始阶段冲击载荷的剧烈变化，使力-变形特性曲线趋于平稳，从而有利于乘员的保护。

各模型总吸能对比如图8所示。

图8 吸收能量随冲击时间变化对比曲线

在碰撞时间为10 ms时，各改进结构模型所吸收的能量与同时间原模型吸收的能量比较相近。可见3种诱导结构在没有影响原模型吸能的情况下，显著降低了初始峰值载荷，使力-变形特性曲线趋于平稳，显著提高了薄壁构件的抗撞性。

3 结 语

根据预变形理论，针对碰撞过程中圆截面薄壁构件在初始阶段最大峰值碰撞力过高的情况下，提出了3种改进结构方案,即分别在其上设置圆弧形诱导凹槽、凸槽和凸凹交错诱导槽，研究其抗撞性。数值分析结果表明：3种诱导结构模型在不减少薄壁构件吸能能力的情况下，对降低平均碰撞力，特别是最大峰值碰撞力都有非常显著的效果，实现了力-变形特性曲线平稳的目的，从而提高了薄壁构件的抗撞性。

[1] 刘中华.薄壁直梁动态撞击的变形和吸能特性的研究[A].汽车安全技术论文集[C]//北京：人民交通出版社，2004:50-56.

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[7] 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.

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[9] 雷正保.汽车纵向碰撞控制结构设计的理论与方法[M].长沙:湖南大学出版社,2000.

Analysis of axial crashworthiness under different inducing structure

TAN Li-hui1, TAN Hong-wu2

(1.Department of Mechatronics, Jilin Institute of Chemical Technology, Jilin 132022, China;2.Petrochina Jilin Petrochemical Company Organic Synthesis Factory EPDM Plant, Jilin 132022， China)

Deformation model and energy absorption characteristics of a thin-walled component with circular cross section are studied. To improve the relationship between axial force-crushing and displacement during the collision process, the thin-walled structure is modified based on the pre-distortion theory. Induced convex grooves, concave grooves and alternate convex-concave grooves are set on the structure, and finite element software Ls-dyna is used to verity the feasibility of the method.

thin-walled components; induced grooves； crashworthiness.

2014-07-16

谭丽辉(1977-)，女，汉族，吉林长春人，吉林化工学院讲师，吉林大学博士研究生，主要从事数值模拟、力学计算、结构优化方向研究,E-mail:452404820@qq.com.

TH 123.1

A

1674-1374(2014)06-0731-04