对汽车吸能盒的设计与研究

2022-11-01任梦董万鹏李佳意张吉超

农业装备与车辆工程 2022年10期

任梦，董万鹏，李佳意，张吉超

（201620 上海市上海工程技术大学材料工程学院）

0 引言

随着人们生活质量的不断提高，汽车的使用量以及拥有量在不断增加，安全、节能和环保是汽车发展的三大主题，而安全显得尤为重要[1]。为了提高汽车的安全性能，研究者们通过多种努力来提高汽车的耐撞性，从而减小对人体的伤害。在国外许多学者很早就对金属材料部件等进行研究，从而来提高汽车部件碰撞性能[2-4]。良好的耐撞性需要具有足够小的质量、较低的碰撞峰值力以及能够吸收大部分的能量[5]，所以对薄壁管的研究就极具价值。Minoru[6]等研究发现，截面边数不同，吸能性能便存在一定的差距。边数增加，吸能提升。但是，边界值为6 和11，当大于11 时，会有很大的初始峰值，小于6 时，结构的失效模式就会变得更难控[7]；谭丽辉[8]对不同截面的结构进行冲击模拟仿真，结论相似，发现相对而言六边形具有较好的性能。在此基础上，有不少研究者对传统结构引进不同的折纸图案进行压溃研究。随着汽车轻量化的研究，近年来用碳纤维复合材料（CFRP）代替金属材料以及CFRP 与金属混合结构的研究也越来越多，且轻量化效果显著[9]。但是对于引入折纸图案的吸能盒，大多都是针对金属材料的研究，很少有人对复合材料下的该结构进行研究。

本文对引入折纸图案的六边形折纸结构进行仿真模拟，分析不同因素对吸能盒碰撞性能的影响，从而得到具有优异性能的吸能盒，为汽车被动安全研究提供参考。

1 几何结构

本文中对六边形薄壁结构以及引进折纸图案的结构进行研究，折纸图案是全钻石图案[10]，如图1 所示。图1（a）是一个基本单元展开后的具体形状。在上下2 条平行线之间由三角形和菱形构成，虚线部分表示谷底的折痕，实线部分代表山脉折痕。对平板结构折叠便可得到一个基本单元，如图1（b）所示。

图1 中：h——基本单元的高度；l——一个基本单元展开后的高度；b——2 个相邻顶点之间的距离；θ——二面角。当b，h 为确定值时，θ也是固定不变的，并可以得到该数值与其他参数之间的关系为：

对于总高度一定的吸能盒，不同边长、不同数量基本单元、不同单元高度h 都会对应不同的θ值，这些变量可能会对性能有不同程度的影响。根据吸能盒在实际生活中的应用，总长L 取值120 mm，b取值为25 mm。为方便后期的实验验证，采用厚度为0.6 mm 的六边形折纸结构。选用折纸结构的本单元数量为4 进行研究，用h-40 表示该结构，其中h 代表每个基本单元的高度，h-40 表示为每个基本单元的高度为40 mm，具体结构如图2 所示。

2 有限元模拟设置

运用SolidWorks 进行吸能盒折纸结构建模。将SolidWorks 中的模型文件以IGS 文件格式导入ABAQUS 软件中，并用ABAQUS 建立2 块刚性板模型，一块作为底部支撑板，一块作为冲击板对吸能盒进行压溃，并对模型进行材料属性设置。金属基体采用铝合金7075，具体参数如表1 所示，碳纤维复合材料（CFRP）的材料参数如表2 所示。CFRP 结构采用的是多层壳建模，每层壳代表真实的一层纤维层，每层纤维厚度为0.1 mm，且每层纤维之间通过厚度为0.01 mm 的粘接域单元进行连接，并通过粘结层将金属基体与CFRP 结构连接在一起。金属基体与CFRP 结构网格大小均为2 mm×2 mm，上下板的网格大小为5 mm×5 mm，均为六面体单元网格划分。

表1 7075 铝合金材料参数[11]Tab.1 Material parameters of 7075 aluminum alloy[11]

表2 碳纤维复合材料（CFRP）的材料参数Tab.2 Material parameters of carbon fiber composites (CFRP)

模拟主要通过控制压缩位移和时间步长来实现，压缩位移取值为60 mm，时间步长设置为0.02 s。将吸能盒置于上下两块板之间，对底部支撑板进行完全约束设置，保证固定不变，对冲压板进行位移约束，除z 轴方向外都进行自由度的约束。对于接触采用通用约束，不同材料之间的摩擦系数设置为0.15，法向设置为硬接触。

3 复合材料吸能盒的仿真分析

对结构h-40 引入碳纤维复合材料（CFRP）材料进行模拟分析，对比研究铝制结构、CFRP 结构以及 CFRP/AL 混合结构的耐撞性，并对CFRP/AL混合结构进行不同的铺层角度设计，研究不同铺层角度对结构耐撞性的影响，从而寻求最佳的铺层角度设计。

3.1 不同成分组合下的吸能盒的仿真分析

分别对铝制结构、CFRP 结构、CFRP/AL 混合结构的3 种结构进行准静态轴压模拟，具体纤维铺层角度以及结构参数如表3 所示。

表3 不同组成成分吸能盒的具体参数Tab.3 Specific parameters of energy absorption boxes with different components

3 种结构的压缩过程分别如图3、图4、图5所示。在准静态的加载下，3 种结构的压溃模式并不相同。铝制结构会触发折纸结构中的折痕模式，沿着折痕引导的方向进行折叠，会在顶端发生规则的 “手风琴”模式，进行逐级压溃，在中间部位有形成 “金刚石”模式的趋势；CFRP/AL 混合结构由于受外部纤维结构的影响，首先在每个基本单元中部会出现纤维的破裂，但并未掉落，随着距离的增加，纤维发生断裂、脱层。同时，内部金属基体的变形在外部纤维的影响下，会从底部进行不规则的变形，导致外部一侧形成成片的断裂层脱离金属基体形成开裂，其余部分的纤维仍附着在金属基体上；CFRP 结构与CFRP/AL 混合结构的压溃状态，在压缩距离为15 mm 时有些相似，都会在底部出现纤维断裂，随着距离的增加，从底部开始进行逐层压溃，过程中会有花瓣大小的纤维断裂并脱落，而且由于内部没有金属基体的支撑，在后期会发生轻微的偏塌。

根据模拟得到的位移-力曲线（图6）可知，在初始阶段，3 种结构都会在很短的时间达到最大峰值，随后铝制结构、CFRP 结构会迅速降低，铝制结构会在后面产生较大的起伏，不利于能量的吸收，而CFRP 结构在初始峰值迅速降低后便保持较低的数值。相对的，CFRP/AL 混合结构会比较缓慢地降低，并在后期不会出现过大的起伏，有利于能量的吸收。

根据位移-能量曲线（图7）也可以看出，CFRP 结构的吸能量最低，几乎起不到保护作用，而CFRP/AL 混合结构的吸能量最大，甚至远大于铝制结构、CFRP 结构两者吸收能量之和。尤其是在压缩位移为30 mm 时，CFRP/AL 混合结构与铝制结构相比，总吸收量提高了98.4%，可以很明显地看出吸能量的增加。根据表3 中的评价参数可知，CFRP/AL 混合结构的总吸收能、比吸能、平均峰值、压缩效率都是最大值，与其它两种情况相比都得到了提升，因此，在准静态压缩下，3 种结构的吸能性能最佳的是CFRP/AL 混合结构，其次是铝制结构，最差的是CFRP 结构。

3.2 不同铺层角度下吸能盒的仿真分析

根据Feraboli[12]等人的研究结果可知，对于复合材料薄壁管，在准静态的轴向压缩下，铺层角度对其吸能性能有一定程度的影响，所以这里以15°为间隔值进行的铺层角度的设计。具体铺层方案如表4 所示，研究不同铺层角度对CFRP/AL 混合结构耐撞性能的影响。

表4 不同铺层角度下吸能盒结构的具体参数Tab.4 Specific parameters of energy absorption box structure at different layering angles

在准静态压缩下，铺层角度为0°以及15°的结构，压缩过程基本相同，如图5 所示，随着位移的增加从下端开始发生纤维断裂，堆积在下方。由于受外部纤维影响金属基体会发生不规则的压溃，甚至纤维一侧发生开裂，完全暴露出金属基体。角度为30°的结构压缩过程如图8 所示。首先在底部进行纤维的断裂，随着距离的增加从底部进行逐级压溃，且不会有纤维的脱落，在压缩至60 mm时顶部出现了小部分的开裂，但是面积不大，不太明显。角度为45°，60°，75°，90°的结构压缩模式基本相同，这里以75°的压缩为例。如图9所示，先在接触端进行压溃，随着距离的增加，内部的金属向内折叠，外部的纤维发生花瓣式的脱落，在45 mm 后会对下端结构造成伤害，底端部分开始发生不规则的变形。

在轴向的准静态压缩下，不同铺层角度下的混合材料吸能盒的位移-力曲线有所不同。如图10 所示，角度为0°，15°2 种情况下的吸能盒的位移-力曲线较为相似，都是会在出现初始峰值后迅速降低，但之后有一段时间角度为0°，15°的结构基本稳定在一定数值，不会有明显起伏。对于角度为 30°的结构，曲线在初始峰值降低后会有比较均匀且稳定的起伏，其承载力比较大。对于角度为45°，60°，75°，90°下，吸能盒的位移-力曲线较为相似，都有比较大的起伏，且初始峰值都有大幅度增加，不利于结构的吸能。并且，根据位移-吸能曲线可以看出，不管铺层角度为何值，混合结构的吸能量相比铝制吸能盒都得到了提升。如图11 所示，不同角度下的吸能量不同，其中最终吸能量达到最大的是铺层设计为30°时的混合结构。

由表4 的评价参数可知，随着角度的增加，初始峰值在不断增加，压缩效率先增加；当角度增加大于30°之后，随着角度的增加压缩效率在不断减小，并且混合结构与铝制结构相比，总吸能量、比吸能、平均峰值都有所提升，其中AL-1-COM-30 吸能量提升91.48%，比吸能提升24.03%，压缩效率提升43.41%。综合来看是性能最优异的铺层设计。