1、薄壁構(gòu)件作為一種低成本、高吸能的元件，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、汽車等幾乎所有交通工具的碰撞沖擊能量耗 散系統(tǒng)中。薄壁構(gòu)件吸能元件主要通過自身塑性變形來耗散沖擊能量，受到?jīng)_擊載荷作用時結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大 的壓潰行程，從而將沖擊能量均勻地耗散，瞬時沖擊載荷強(qiáng)度因而大大降低。同時，薄壁管結(jié)構(gòu) 軸向變形所吸收的能量大約要比橫向高一個數(shù)量級，因此研究薄壁管件在軸向沖擊載荷作用下的動態(tài)吸能 特性對結(jié)構(gòu)抗撞性研究具有重要的指導(dǎo)意義。隨著汽車安全性研究的逐步深入和計算機(jī)仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，結(jié)構(gòu)抗撞理論和模擬仿真方面的研究引 起了國內(nèi)外學(xué)者的興趣和關(guān)注。從吸能特性和塑性鉸的變形機(jī)理等方面考慮，可將軸向載荷作用下的 薄壁構(gòu)件的

2、變形模式分為三類（1）漸進(jìn)疊縮變形模式，又稱“折疊式變形，塑性鉸從結(jié)構(gòu)一端有序地逐一 形成是吸能結(jié)構(gòu)的最佳變形模式；（2）Euler變形模式，其初始變形受橫向彎曲變形的控制，第一個塑性 鉸一般發(fā)生在構(gòu)件中部，隨后產(chǎn)生很大的橫向位移，是一種吸效率很低的吸能模式，抗撞性設(shè)計 時應(yīng)盡量避免吸能元件發(fā)生這種變形；（3）混變形模式，其主要特點是變形初始階段發(fā)生漸進(jìn)疊 縮變形，形成一個或多個塑性鉸，隨后轉(zhuǎn)變?yōu)镋uler變形，是一種發(fā)生概率較高的變形模式5. 3薄壁梁破壞的模式在汽車正面碰撞過程中，薄壁梁碰撞特性的好壞很大程度上是由其破壞模式?jīng)Q定的，它對于吸收更多的碰 撞動能、降低車身中地板乘員座椅處的加速

3、度峰值以及為乘員提供生存空間都具有重要意義?？v梁的破壞 模式主要有3種：對稱疊縮型、過渡型和非對稱疊縮型【32】【331。5. 3. 1對稱疊縮型這種破壞模式是薄壁梁在碰撞過程中，首先在變形區(qū)的前端產(chǎn)生疊縮，并以這種塑鉸疊縮形式逐次向后移 動，在形成每一個疊縮過程中，薄壁繞著最終形成疊縮凸點凹點）為按點轉(zhuǎn)動并向后移行。另外，前端屈曲 疊縮時，對未屈曲部分產(chǎn)生的影響小，不會使移行鉸運(yùn)動的偏移超過一定的閥值而產(chǎn)生局部失穩(wěn)。廣泛應(yīng) 用于汽車吸能機(jī)構(gòu)的波紋管就是這種破壞模式。對稱疊縮型破壞模式變形量最大，變形模式穩(wěn)定并且能量 吸收便于控制，但由于汽車結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，而且在很多情況下約束條件以及載荷具有不

4、確定性，對 于縱梁來說這種破壞式很難實現(xiàn)，只能作為其吸能特性設(shè)計時的一個設(shè)計目標(biāo)和方向。5. 3. 2過渡型在汽車碰撞過程中，這種破壞模式可分為3個壓縮階段：彈性壓縮階段、對稱變形階段和非軸對 稱變形階段，前面兩個階段與對稱疊縮型是相似的，區(qū)別是過渡型前端屈曲疊縮時，對未屈曲部分 產(chǎn)生影響比對稱疊縮型大，當(dāng)鉸運(yùn)動的偏移超過一定的閥值，薄壁就會產(chǎn)生局部失穩(wěn)，軸對稱變形 就轉(zhuǎn)變成非軸對稱變形。其質(zhì)心加速度時間歷程特性先呈周期變化，在進(jìn)入非軸對稱變形后由于 產(chǎn)生局部失穩(wěn)而彎曲失效，加速度相應(yīng)的呈逐步下降趨勢，這種變形模式在實際應(yīng)用中比較常 見，如果控制好過渡到非對稱變形的時間，構(gòu)件能夠獲得比較滿意的

5、吸能結(jié)果。由于前端屈曲疊縮 時，過渡型對未屈曲部分產(chǎn)生影響比對稱疊縮型大，因此，第一個加速度峰相值應(yīng)要低，這對于保 護(hù)乘員不受傷害有極其重要的意義。5 3 3非對稱疊縮型對于壁很薄塑性較高。強(qiáng)度較低，對速率敏感的薄壁管，雖然在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下縮下發(fā)生對稱疊縮，在碰撞載荷下可能會發(fā)生非對稱疊縮破壞，這是由于在動載下結(jié)構(gòu)局部發(fā)生 了非穩(wěn)態(tài)變形，這種非穩(wěn)態(tài)變形的始點可以是粱的中部也以是薄壁粱的根部。這種破壞模式變形最 最小，受約束條什以及載荷具有不確定性的影響變形模式偶然性人.并且能量吸收小便f控制。限元軟件分析了鋼和鋁合金薄壁圓柱在軸向沖擊力作用下的動力學(xué)響應(yīng)，探討了不同碰撞速度、不 同質(zhì)量和不同邊界

6、條件對平均碰撞力、塑性鉸的形狀和個數(shù)的影響具有圓孔、方孔、v形凹槽和面內(nèi)圓孔的誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)的薄壁桿件受軸向沖擊載荷作用下的抗撞性能進(jìn) 行了數(shù)值模擬對薄壁梁碰撞仿真中的時間步長問題進(jìn)行了研究薄壁吸能構(gòu)件的變形方式和特點進(jìn)行了研究is -SQ-00.Q2 D.O4 O.Dfi O.QBTime據(jù)所得的變形模型、沖擊力和速度等一系列參數(shù)，分析了其吸能規(guī)律，并比較了不同構(gòu)件抗撞性 能的優(yōu)劣、is -SQ-00.Q2 D.O4 O.Dfi O.QBTimeGlobalA Resultant Rigid Body Acceler： fi Resultant Rigid Body Acceler- C Resu

7、ltant Rigid Body Acceler D Resultant |RigH Body Acceler515-3不同截而形狀的薄壁梁碰撞質(zhì)心加速序曲線比較圖A長方形薄壁梁質(zhì)心加速度曲線圖B正方形薄壁梁質(zhì)心加速度超線圖C圓形薄壁梁質(zhì)心加速度曲線闕0正六邊形薄壁梁質(zhì)心加速度曲線圖圖52是不同截面形狀的薄壁梁在碰撞接觸后40ms的變形對比圖，從圖可 以看出，正方形以及長方形薄壁梁變形較為徹底，起到了很好的吸能效果。圖5. 3是不同截面形狀的薄壁梁質(zhì)心加速度曲線比較圖，從圖中可以看出，最大質(zhì) 心加速度的比較是正方形 圓形 正六邊形 長方形，因此長方形薄壁梁對保 護(hù)駕駛員起到的效果最好，正方形薄

8、壁梁最差，并且在達(dá)到最高質(zhì)心加速度之 后，正方形及長方形薄壁梁的質(zhì)心加速度保持比較平穩(wěn)，而圓形及六邊形薄壁 梁的質(zhì)心加速度下降的比較厲害。圖5. 4是不同截面形狀的薄壁梁吸能曲線比較 圖，4個不同截面形狀的薄壁梁最大吸能值基本一致，沒多大差別，只是正方形 及長方形薄壁梁的最大吸能值發(fā)生的時間相比較正六邊形及圓形薄壁梁來說稍 晚，但是正方形及長方形薄壁梁達(dá)到最大吸能值以后，保持了很長的時間，對 吸能穩(wěn)定性來說起到了很好的作用，而正六邊形及圓形薄壁梁達(dá)到最大吸能值 以后曲線有了一定得下斛巧】。綜上所述，從不同截面形狀薄壁梁碰撞變形對比圖、質(zhì)心加速度、吸能曲線對比圖及制造工藝復(fù)雜程度幾個方面綜合考慮

9、，長方形截面形狀較好。這與現(xiàn)實中轎車薄壁梁大量采用長 方形截面形狀致。E+凸 E 布E+凸 E 布_Eqc0LS DYNA user inputGlubalA Internal EnergyB Internal Energy- _G_lnternal Energy-D_ln 拍rnal Energy圖5T不同截面形狀的尊壁梁碰撞吸能曲線比較圖A長方形薄壁梁吸能曲線圖B正方形薄壁梁吸能曲線圖C圓形薄壁梁吸能曲線圖D六邊形薄壁案吸能曲線圖薄壁構(gòu)件的壁厚與碰撞吸能是直接相關(guān)的，研究表明：對于同樣模式的變形， 變形所吸收的能量與壁厚之間是指數(shù)增長的關(guān)系。但是構(gòu)件所吸收的能量是由 碰撞動能轉(zhuǎn)化而來的，采

10、用不同的壁厚的構(gòu)件要達(dá)到同樣模式的變形，是與外 界提供的碰撞質(zhì)量慣性力分不開的，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，壁厚的選擇必須與實際情 況相適應(yīng)，壁厚太小容易變形，但可能不具備足夠的吸能能力，而壁厚過大又 不易變形吸制珀J。E2二種E2二種碰撞力變形曲埃的對比2給出了理想化曲線3與微拽方曲線I和2的對 比。綜合考慮減輕乘員的仞害，我們最想得到的 車體碰描力曲線是曲線3,四次是曲線2,曲線I 是應(yīng)盡量避免的口在前部車體變形過程中，前縱粱是最主要的 吸能件,因此前縱梁的理想化碰掩力曲線應(yīng)與整 車的理想化曲線3具有基本致的趨勢而前縱 梁在正面碰撞中又主要靠其前端的薄壁直梁吸 能,所以薄壁直梁的安全設(shè)計應(yīng)該是在保證吸能

11、 的前提下，產(chǎn)生如圖2所示的理想化曲線匚為了具悻評價結(jié)構(gòu)的撞擊吸能性能,研究人 場提出了許.多評價指標(biāo)，其中最常用的包括吸收 的總能量虬、變形過程中的平均載荷Fw變形 過程中的最大載荷F傾、單位質(zhì)量吸收能量V? 但是這些指標(biāo)還不足以描述碰撞力曲線的形狀和 波動情況,運(yùn)用這些指標(biāo)的時候,還要兼顧曲線的 形狀口應(yīng)變率模型表I是各方案吸能參數(shù)的對比從表中可以 看到，第5和第6方案總吸能和吸能質(zhì)量比較高 實際上逝壁直梁的棱侑越多，吸能相對越.務(wù)，第6 種方案的六邊形方案明顯優(yōu)于其他方案匚不過棱 角越多，制造加工越困唯，而且多棱角薄壁的壓嶄表I各截面方案的吸能參數(shù)對比Id h le I CGmpHrim

12、 nV ener1-a hstorbing p-armelerj： hF euch cIkhi scheme方案碰撞力第一嶂值r/kN平均恥撞A/kN總吸能7 kJ吸鹿質(zhì)量比虬 n/(kJ -kg )1142 2SR34. ft+26 46 ?2138.72334. 392ft 5駒6.洶3140 51134 2766 5124-146 W37. 5619睥7 1-15147 96139.75 29今非7.552153.73S42. Zfi-31U13R.Q7I雖然誘導(dǎo)槽在基本不影響吸能的情況下可以后效 降低開始時的碰撞*峰值,但是對總吸能卻沒有 什么根本性的提高“開槽后的雙模型總吸能為在厚材料的基礎(chǔ)上增如如強(qiáng)板可以有效地提高總吸能和吸能質(zhì)量比:.通過比較.最后選定的載荷都是作為已知條件施加到結(jié)構(gòu)上的，接觸碰