局部表面纳米化六边形薄壁结构的吸能特性

2022-03-28廉增博仝真真周震寰徐新生

辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2022年1期

王伟，赵祯，廉增博，仝真真，周震寰，徐新生

（1.大连理工大学工程力学系，辽宁大连 116024；2. 大连交通大学机车车辆工程学院，辽宁大连 116028）

0 引言

随着中国经济和科学技术的飞速发展，全国机动车保有量逐年攀升.机动车数量的增加不仅造成了交通拥堵、环境污染等问题，也频频引发交通事故，严重威胁人们的生命安全.为降低交通事故造成的伤害和损失，提高汽车的被动安全性能，对车体缓冲吸能结构进行研究非常重要.薄壁结构作为一种性能良好的缓冲吸能元件，在受到碰撞时易发生屈曲变形，通过塑性变形能够吸收大量的能量，因此被广泛应用于各种运载工具的吸能装置.

圆形薄壁管、正方形薄壁管、六边形薄壁管等薄壁结构是工程中最为常见的基本结构. BAROUTAJI A[1]等概述了多种截面形状的薄壁结构的能量吸收性能，包括正方形管、正六边形管、正八边形管等，并对不同载荷下的耐撞性能进行了研究.NIA A A[2]等研究了不同截面薄壁管在静态压缩试验下的屈曲变形和能量吸收能力，结果表明正六边形管的能量效果优于三角形、矩形管、方管等.HOU S J等设计不同的正六边形截面多胞管，其能量吸收性能相比于单胞管得到显著提升[3-5].很多学者对正六边形为基础的蜂窝结构进行能量吸收的研究，表明该结构具有很好的能量吸收能力[6-11].

现有吸能装置设计主要通过预制缺陷、设计多胞结构、增加填充物等方法实现.这种方法在提高吸能效果的同时，也改变了结构的外形和整体质量，因此在不改变吸能结构外部几何形状的条件下，开发一种新型吸能装置是非常必要的.表面纳米化技术是通过特定的加工和处理对固体表面进行强化，改性和精细加工的先进方法.实验结果表明，表面纳米化后，材料的硬度、屈服极限、疲劳、磨损、耐腐蚀等力学性能得到显著改善.该技术由LU K[12]等提出，通过表面机械研磨和超声喷丸实现[13]，此后又发展形成了旋转辊压塑性变形、超音速微粒轰击以及超声冲击等表面纳米化技术[12,14].KONG D J[15]利用激光脉冲产生冲击波使材料的晶粒细化，也制备出纳米结构表层.曲绍兴[16]等对纳米化结构金属材料的力学性能进行了研究.

因此，针对现有吸能结构的特点和问题，提出一种新型的局部表面纳米化六边形薄壁吸能结构，在不改变结构形状的情况下研究其吸能性能.

1 有限元模型

1.1 304不锈钢经表面纳米化后的力学性能

304不锈钢经表面纳米化处理（通过超声冲击处理技术来实现）后力学性能得到显著提升，尤其是屈服强度和抗拉、压强度的提升.依据国家标准《金属材料拉伸试验方法》（GB/T228.1-2010），对经过超声冲击处理的304不锈钢标准试件进行静态拉伸试验，数据处理后得到弹性模量、屈服强度、延伸率等力学参数，实验数据如下：①未处理部分材料的弹性模量为180 GPa，屈服强度为283 MPa，延伸率为48%；②经表面纳米化后材料的弹性模量为190 GPa，屈服强度为600 MPa，延伸率为34%.处理前后的工程应变应力见图1.由图1和实验数据，可见304不锈钢材料经超声冲击表面纳米化处理后，弹性模量的变化很小.

图1 304不锈钢表面纳米化前后拉伸 Fig.1 304 stainless steel surface before and after nanometer tensile

通过对上述数据的归纳总结，将表面纳米化技术引入到六边形管的吸能设计中，为下一步的数值模拟计算奠定基础.

1.2 基本模型的建立与验证

将正六边形管一端的六条边设置为固定约束，另一端施加一运动速度为10 m/s的刚性质量块对其进行匀速的轴向压缩，见图2.

图2 模型示意 Fig.2 sketch of model

通过1.1中的实验数据，得到进行数值模拟所需的相关参数.局部纳米化六边形薄壁管高200 mm，厚2 mm，截面为正六边形，边长50 mm.采用Ansys中的ls-dyna模块进行模拟计算，壳体结构为SHELL163壳单元，网格划分采用四边形单元，共划分单元1.5×104个.纳米化六边形管的弹性模量取180 GPa，泊松比均取0.3，304不锈钢的屈服强度取283 MPa，经纳米化后的304不锈钢屈服强度为600 MPa.

1.3 局部纳米化方案设计

薄壁结构的设计当中，提升能量吸收能力是首要目标，如何使薄壁结构实现稳定的屈曲变形也是非常重要的.局部表面纳米化可在控制六边形管屈曲模态基础上提升吸能效果.在局部纳米化方案中，以横向条纹为基础，设置环向对称条纹和环向反对称条纹方案，每种方案又分别设置了奇数条纹方式和偶数条纹方式，具体见图3.图3中，浅灰色部分为304不锈钢原始表面区域，深灰色部分为经表面纳米化处理区域.

图3 不同局部表面纳米化方案 Fig.3 different local surface nanocrystallization case

局部纳米化方案设计中，所有条纹均为等分条纹.表面纳米化六边形管件中偶数条纹的表面纳米化区域与原始区域的总面积是相同的，条纹宽度、数量也相同.然而在奇数条纹方案中表面纳米化区域的总面积大于原始区域.在奇数n等分条纹方案中，表面纳米化区域有(n+1)/2个条纹，原始区域有(n-1)/2个条纹，两个区域单个条纹的宽度和面积相同.

2 吸能特性

2.1 评价指标

薄壁结构在冲击过程中主要依靠屈曲变形吸收能量.本文中涉及的管件尺寸和材料均相同，因此以总的能量EA吸收来评价其吸能能力.另外，选取峰值载荷Pmax，平均压缩力Pm和压缩力效率CFE作为管件吸能特性的评价指标.其中，吸能通过载荷对有效位移积分求得，峰值载荷为位移-压缩力曲线中第一个波峰的最大压缩力，平均压缩力是整个过程中载荷的均值，压缩力效率是平均压缩力与峰值载荷的比值.

2.2 条纹局部纳米化六边形管变形模式

由图4中六边形管的变形模式可知，六边形管呈现出稳定的渐进层叠的变形模式，随时间变化不断形成新的褶皱.由图4（a）可知，原始六边形管在变形过程中渐进地形成4个褶皱，对应了图5中其压缩力的4个波峰；从图4（b）可知，环向对称表面纳米化3条纹管上原始材料区域先发生屈曲形成褶皱，纳米化区域后发生变形，六边形管的6条棱边承担的压力要大于侧面；由图4（c）可知，环向反对称表面纳米化7条纹管在屈曲变形过程中所形成的褶皱不同于原始管和环向对称管，表现为纳米化区域凹陷，原始区域发生外凸，沿截面交互形成褶皱.以上分析表明，通过设计纳米化区域的分布可以调控六边形管的屈曲模态，实现稳定的、规律的变形模式.

图4 局部纳米化前后六边形管的变形模式对比 Fig.4 comparison of deformation modes of hexagonal tubes before and after local nanocrystallization

2.3 局部纳米化六边形管吸能特性分析

对1.3中不同纳米化方案的六边形管件进行压缩过程模拟，得到位移-压缩力数据，见图5～图8.根据2.1中所述计算各项吸能指标，见表1、表2.在吸能特性分析中，吸能为主要评价指标，但初始峰值载荷、平均压缩力及压缩力效率也是非常重要的评价标准.因此，需要结合所有的指标对管件的吸能特性进行综合评价.

图5 环向对称奇数条纹管位移-压缩力 Fig.5 comparison force-displacement of symmetrical odd-numbered hexagonal tube

图8 环向反对称偶数条纹管位移-压缩力 Fig.8 comparison force-displacement of antisymmetrical even-numbered hexagonal tube

表1 环向对称条纹管件吸能特性的计算结果 Tab.1 simulation results of energy absorption indexes of symmetrical hexagonal tube

表2 环向反对称条纹管件吸能特性的计算结果 Tab.2 simulation results of energy absorption indexes of antisymmetrical hexagonal tube

由表1中可知，局部纳米化六边形管的能量吸收EA较原始六边形管得到显著提升，最高达73%.由于奇数条纹管纳米化面积大于偶数条纹管，奇数条纹管吸收能量整体上高于偶数条纹管.由图5、图6可知，对称条纹管全程最大峰值载荷出现在压缩过程的后半段，远大于初始峰值载荷，且平均压缩力较大，导致其压缩力效率极高.

图6 环向对称偶数条纹管位移-压缩力 Fig.6 comparison force-displacement of symmetrical even-numbered hexagonal tube

从吸能特性的各项评价指标综合分析可知，环向反对称条纹管整体吸能特性优于环向对称条纹管.由图7、图8中不同环向反对称条纹六边形管的位移-压缩力曲线和表2中数据可知，2条纹管的初始峰值载荷最高.随着条纹数量的增多，其吸能整体呈现出先增加后降低的趋势，在6条纹时吸能达到最大，为18.21 kJ，其压缩力效率也达到最大，为70%.此外，初始峰值载荷也逐渐降低，最高降低24.8 kN.考虑吸能特性的各项指标，7条纹纳米化六边形管在吸能、初始峰值载荷、压缩力效率等方面均表现优异.从表2中可以看出，随着条纹数量的增多，能量吸收、初始峰值载荷均趋于稳定.