前言1.1研究背景和意義安全性與輕量化是當代汽車設(shè)計的發(fā)展趨勢，在保證碰撞安全性能的同時提高輕量化設(shè)計水平是汽車設(shè)計的重要課題，其中一個解決途徑就是采用比吸能高的材料和結(jié)構(gòu)作為碰撞動能的耗散裝置。鋁合金作為一種輕量化材料，已經(jīng)開始應(yīng)用于車身設(shè)計中，近年來已經(jīng)有一定數(shù)量的滿足車輛安全法規(guī)的鋁制轎車投放市場。鋁合金與低碳鋼在性能上有很大的差別，因此研究鋁合金薄壁擠壓型材的軸向力學(xué)特性，對于空間框架車身的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有實際意義。不同材料制成的方形、圓形六邊形等截面形狀的薄壁直梁件的軸向力學(xué)特性一直受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[8]，但對于鋁合金擠壓成形的六邊形結(jié)構(gòu)進行研究的還不多見。截面形狀設(shè)計是鋁合金空間框架車身耐撞性設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，量化對比多種截面形狀在能量吸收方而的性能，對于緩沖吸能結(jié)構(gòu)的設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。薄壁梁結(jié)構(gòu)的種類繁多，根據(jù)外形可分為圓形、三角形、矩形、六邊形、八邊形等多邊形截面結(jié)構(gòu)，同時還有最近發(fā)展起來的多胞結(jié)構(gòu)和蜂窩結(jié)構(gòu)。但多胞截面結(jié)構(gòu)的研究相對復(fù)雜，因此研究學(xué)者多針對圓形及矩形、多邊形結(jié)構(gòu)進行研究，并提出了一系列的理論模型。1.2鋁合金薄壁梁結(jié)構(gòu)的軸向壓縮變形鋁合金薄壁梁結(jié)構(gòu)在承受軸向載荷時，其變形模式主要受到載荷形式、約束及邊界條件的影響，同時薄壁梁的形狀、尺寸、材料特性等對其變形都有較大的影響。鋁合金薄壁梁的軸向壓縮變形過程復(fù)雜，目前已經(jīng)有很多學(xué)者開展了廣泛的研究，但仍沒有理論能夠描述完整的變形過程。有關(guān)薄壁梁結(jié)構(gòu)軸向壓縮性能的研究主要集中在圓形和方形截面，經(jīng)過數(shù)十年的試驗及理論研究，已經(jīng)能夠較準確的預(yù)測簡單截面形狀薄壁梁的軸向壓縮性能，并能夠通過計算機數(shù)值仿真分析技術(shù)進行較準確的預(yù)測。鋁合金薄壁梁結(jié)構(gòu)在軸向壓縮過程中，需要經(jīng)歷失穩(wěn)-失穩(wěn)破壞-褶皺變形這三個階段的循環(huán)過程。圖1-1理想薄壁梁結(jié)構(gòu)軸向壓縮變形時典型壓縮性能曲線-由圖1-1可知，A點為載荷起始位置，B點為失穩(wěn)載荷；C點峰值載荷FP；D點為首個褶皺形成；E點為第二個峰值載荷；F點為第二個褶皺形成，此后依次類推?；诒”诹涸诟鞣N變形機制下的承載能力不同，Abramowicz[1]將薄壁梁橫截面的褶皺變形模式進一步細分為4種類型:對稱變形模式、A型不對稱變形模式、B型不對稱變形模式、外延變形模式。薄壁梁結(jié)構(gòu)典型的軸向壓縮變形模式包含以下幾種:手風琴模式(Concertinamode，下文中簡稱C)，薄壁梁結(jié)構(gòu)從一端開始逐級發(fā)生順序外延變形。鉆石模式(Diamondmode，下文中簡稱D)，薄壁梁結(jié)構(gòu)從一端開始逐級發(fā)生非對稱變形，在變形過程中，薄壁梁的截面形狀發(fā)生較大的變化。歐拉模式(Eidermode，下文中簡稱E)，薄壁梁結(jié)構(gòu)在中部首先發(fā)生失穩(wěn)彎曲變形?；旌夏Ｊ?Mixedmode下文中簡稱C+D)，薄壁梁結(jié)構(gòu)首先以手風琴模式發(fā)生順序變形，在形成若干個褶皺后，變形模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殂@石模式，截面變形失去規(guī)律性。1.3薄壁梁結(jié)構(gòu)軸向壓縮性能評價指標為了準確的描述薄壁梁結(jié)構(gòu)的軸向壓縮性能，可以使用以下幾種評價指標。(1)峰值載荷FP一般來說，薄壁梁結(jié)構(gòu)的最大強度和失效模式由形狀尺寸和材料特性決定。峰值載荷反映了薄壁梁結(jié)構(gòu)承載能力的極限值，常出現(xiàn)在梁結(jié)構(gòu)壓縮過程中的塑性屈曲階段，如圖1.1所示。由于汽車設(shè)計過程中，需要遵循載荷的梯度變化，以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的順序變形，因此對每個薄壁梁結(jié)構(gòu)的承載極限都有一定的限制。其峰值載荷應(yīng)小于設(shè)計的許可值，以避免汽車碰撞過程中因結(jié)構(gòu)強度過高引起車身其它部件的破壞。(1.1)公式中為最大軸向峰值載荷，載荷臨界值，為載荷設(shè)計值，、為系數(shù)。(2)平均載荷Fm對于汽車安全結(jié)構(gòu)件的耐撞性來說，最重要的評價參數(shù)為結(jié)構(gòu)在軸向壓縮過程中的平均載荷水平，即名義載荷Fm見圖1.1。名義載荷對于汽車碰撞加速度的設(shè)計和預(yù)測具有重要的意義，因此大多數(shù)學(xué)者的研究都主要集中在薄壁梁軸向壓縮時名義載荷的推導(dǎo)和預(yù)測。名義載荷反映了薄壁梁結(jié)構(gòu)在壓縮變形過程中的平均載荷水平，由下式計算:(3)吸能性能U薄壁梁結(jié)構(gòu)在壓縮變形過程中吸收的總能量(圖1.3)可以通過下式計算:式中：F為載荷，S為位移總能量U反映在載荷-位移曲線上為曲線與坐標橫軸圍成的面積。.(4)比吸能性能通過增加薄壁梁結(jié)構(gòu)的型腔數(shù)量，能夠在有效增加碰撞吸能性能的同時提高變形的穩(wěn)定性。公式(1.4)為比吸能的計算方法，式中M為結(jié)構(gòu)重量。研究表明，通過將薄壁梁結(jié)構(gòu)變?yōu)槎喟”诮Y(jié)構(gòu)，材料的比吸能提高50%以上[3]。(5)平均-峰值載荷比γ薄壁梁結(jié)構(gòu)的峰值載荷越接近平均載荷，越有利于充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)的吸能性能。在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計中，往往通過設(shè)計誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)的方式，降低第一峰值載荷。試樣的平均-峰值載荷比可以通過下式計算:(6)最大壓縮量δe薄壁梁結(jié)構(gòu)在壓縮變形過程中從承載時刻起到薄壁梁被完全壓縮的變形量。(7)平均吸能性能 薄壁梁在壓縮過程中，單位壓縮變形量下的平均吸能，可以通過下式計算1.4薄壁梁結(jié)構(gòu)軸向壓縮變形研究進展近年來，Abramowiczss根據(jù)試樣的外延及內(nèi)凹交替變形模式，提出一種適用于多邊形薄壁梁截面的通用折疊壓潰理論。Kecman[4]結(jié)合試驗觀察提出了適用于矩形梁截面的彎曲壓潰模型，并建立了塑性變形的能量方程。Kotelko和Krolak[5]在Kecman的基礎(chǔ)上提出了三角形截面梁彎曲變形模型。對比試驗結(jié)果可知，該模型可以較準確的描述薄壁梁的變形載荷。Magee和Thornton[6]提出了用于計算薄壁梁結(jié)構(gòu)變形名義載荷的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，能夠幫助指?dǎo)梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計。Mahmood[7]等提出了用于計算簡單截面薄壁梁壓縮名義載荷的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停⒃摾碚摮晒?yīng)用于復(fù)雜截面的汽車梁結(jié)構(gòu)。通過動力學(xué)模型和試驗直接得到薄壁梁結(jié)構(gòu)力-位移的關(guān)系和扭矩-角度的關(guān)系，并將其作為有限元模型的輸入數(shù)據(jù)，利用彈簧單元求解薄壁梁結(jié)構(gòu)的變形行為，該方法可以為汽車薄壁梁結(jié)構(gòu)在彎曲變形條件下的設(shè)計提供指導(dǎo)。另外，一些研究學(xué)者利用數(shù)值仿真手段，對薄壁梁結(jié)構(gòu)件開展了廣泛的研究工作。Yamazaki[8]等人使用LS-DYNA對矩形管的耐撞性進行優(yōu)化設(shè)計，結(jié)果表明，增加矩形管壁厚或減小寬度有利于提高試樣的吸能；Nagel[9]等采用數(shù)值仿真方法，研究了準靜態(tài)與沖擊載荷條件下，等截面薄壁梁和矩形錐管的吸能性能，結(jié)果表明，影響錐管性能的最大因素為沖擊速率、壁厚以及錐角。同時，錐形管試樣在壓縮變形初期，峰值載荷低于等截面的薄壁梁試樣，且隨著錐角的增加峰值載荷迅速降低。本文采用利用有限元仿真分析采用LS-DYNA軟件對薄壁梁進行模擬，通過對比吸能、載荷等參數(shù)來評價圓形、三角形、方形、六邊形、八邊形不同截面形狀薄壁梁鋁合金之間的差異。

2有限元模型的建立本課題研究所用的是LS-DYNA軟件。LS-DYNA是一個以顯式為主，隱式為輔的通用非線性動力分析有限元程序，可以求解各種二維，三維非線性的高速碰撞、爆炸和金屬成型等非線性問題。2.1LS-DYNA軟件概述LS-DYNA是世界上最著名的通用顯式動力分析程序，能夠模擬真實世界的各種復(fù)雜問題，特別適合求解各種二維、三維非線性結(jié)構(gòu)的高速碰撞、爆炸和金屬成型等非線性動力沖擊問題，同時可以求解傳熱、流體及流固禍合問題。在工程應(yīng)用領(lǐng)域被廣泛認可為最佳的分析軟件包。與實驗的無數(shù)次對比證實了其計算的可靠性。LS-DYNA程序是功能齊全的幾何非線性(大位移、大轉(zhuǎn)動和大應(yīng)變)、材料非線性(140多種材料動態(tài)模型)和接觸非線性(50多種)程序。它以Lagrange算法為主，兼有ALE和Euler算法;以顯式求解為主，兼有隱式求解功能;以結(jié)構(gòu)分析為主，兼有熱分析、流體-結(jié)構(gòu)禍合功能;以非線性動力分析為主，兼有靜力分析功能(如動力分析前的預(yù)應(yīng)力計算和薄板沖壓成型后的回彈計算)。LS-DYNA的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，包括汽車工業(yè)、航空航天、制造業(yè)、建筑業(yè)、國防、電子、石油工業(yè)等等。在汽車工業(yè)的應(yīng)用方向主要有汽車碰撞分析、氣囊設(shè)計、乘客被動安全和部件加工等[10]。2.2有限元模型的建立2.2.1幾何模型的建立基于solidworks軟件建立幾何模型，并約束試樣的質(zhì)量保持恒定，0.5kg。圖2-1為研究所采用的5種試樣截面形狀圖。由圖可知，所有截面外接圓尺寸相同，均為120mm，鋁合金薄壁梁軸向長度為200mm。表2-1為不同形狀試樣的詳細尺寸參數(shù)。表2-1薄壁梁試樣參數(shù)編號試樣1試樣1試樣1試樣1試樣1壁厚2.512.972.732.572.52a.試樣1b.試樣2c.試樣3d.試樣4e.試樣5圖2-1薄壁梁截面圖2.2.2有限元網(wǎng)格的劃分有限元的核心思想是分塊近似，所以網(wǎng)格密度或結(jié)構(gòu)離散化程度對于計算誤差的影響是很大的。整體上講，增加網(wǎng)格密度確實可以減少誤差，但所需的計算成本(計算成本、計算時間)也會相應(yīng)上升。網(wǎng)格密度的選擇是一個效率與精度的權(quán)衡問題[11]。本文中為了能夠得到更精確的數(shù)據(jù)，綜合考慮網(wǎng)格單元長度應(yīng)取2mm。所以在碰撞模擬時，要對模型的單元尺寸和疏密分度進行細致的安排。如圖2-5是薄壁梁劃分后的有限元網(wǎng)格。圖2-5薄壁梁有限元網(wǎng)格2.2.3材料參數(shù)的定義模型的材料定義，以及各種邊界約束條件和計算初參數(shù)都是在LS-DYNA的前處理程序Preprocessor中完成的，下面將在Preprocessor定義模型的材料、接觸、剛墻、約束等條件。薄壁梁的材料為鋁合金材料，參數(shù)如表2-2所示。表2-2薄壁梁材料參數(shù)材料密度彈性模量屈服極限泊松比60612.71×10-668.9Mpa300Mpa邊界條件的定義使用LS-DYNA的隱式計算模塊，求解試樣在準靜態(tài)拉伸過程中的變形行為。使用hypermesh軟件劃分有限元網(wǎng)格，單元平均尺寸為2mm，并盡可能避免產(chǎn)生三角形單元，使生成的四邊形單元與傳力方向平行或垂直。仿真模型設(shè)置厚度為采用表2-1中的數(shù)據(jù)。殼單元采用16號全積分算法，厚度方向上采用5個積分點以保證求解的精度。對應(yīng)單元算法沙漏使用8號控制模式，系數(shù)為0.1。在變形過程中考慮試樣厚度的改變。材料使用MAT24號材料模型，忽略應(yīng)變速率，變形溫升對材料性能的影響。剛性墻質(zhì)量為70000kg，薄壁梁另一端節(jié)點的六個自由度被約束，5m/s的初始速度撞向薄壁直梁，剛性墻與薄壁梁之間的距離為202mm。用LS-DYNA的接觸類型中的面-面接觸定義薄壁直梁與剛性墻之間的接觸，性墻與薄壁直梁的靜態(tài)及動態(tài)摩擦系數(shù)均設(shè)為0.3，如圖2-6所示。

圖2-6所示壓縮示意圖2.3本章小結(jié)本章建立了薄壁梁的有限元模型，并就有限元分析碰撞中模型的合理簡化、網(wǎng)格的劃分和材料參數(shù)設(shè)置等關(guān)鍵問題進行了探討，并確定了邊界條件的定義與接觸模型的設(shè)置。

3截面形狀對薄壁梁軸向壓縮變形行為的影響薄壁梁金屬管作為結(jié)構(gòu)部件被廣泛使用。他們不僅制作工藝簡便、成本低廉，而且具有高剛度和高強度、很輕的質(zhì)量、優(yōu)良的承載效率。在汽車工業(yè)中,薄壁梁是組成汽車車身結(jié)構(gòu)的重要零部件,在車身安全結(jié)構(gòu)中有著廣泛的應(yīng)用,因此薄壁梁結(jié)構(gòu)的壓潰變形行為是車身設(shè)計中的關(guān)鍵。在過去的幾十年中，很多學(xué)者對各種截面形狀梁結(jié)構(gòu)的變形模式進行了深入的研究。然而，在汽車結(jié)構(gòu)安全設(shè)計中，薄壁梁結(jié)構(gòu)的載荷峰值通常會有上限約束，不能超過后端結(jié)構(gòu)的承載極限，否則會引起其它部件的破壞。在薄壁梁合理開設(shè)誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)，有助于降低峰值載荷，改善薄壁梁壓縮性能，提高變形的穩(wěn)定性。Zhang與Cheng[12]研究了預(yù)變形對多胞截面薄壁梁以及單胞方管填充結(jié)構(gòu)壓縮性能的影響，發(fā)現(xiàn)預(yù)變形凹槽不僅能有效降低吸能盒在壓縮過程中的峰值載荷，而且還能有效提高材料的利用率。Kormi[13]通過數(shù)值仿真，研究了三種不同工況下開設(shè)誘導(dǎo)孔時鋼管的變形行為，并對每一種工況做了細致的分析。Sahu[14],[15]研究了誘導(dǎo)孔對復(fù)合材料變形行為的影響，指出誘導(dǎo)孔直徑，邊界條件等對試樣的變形模式有較大的影響。Arnold和Altenhof[16],[17]借助試驗與仿真手段針對6061T4及T6態(tài)鋁合金薄壁梁，研究了誘導(dǎo)孔直徑對其壓縮性能的影響。結(jié)果表明鋁合金薄壁梁的吸能性能主要取決于材料的力學(xué)性能，引入誘導(dǎo)孔能提高薄壁梁的吸能性能和名義載荷水平，但是影響較小。Krauss和Laananen[18]研究了多種不同形狀誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)對薄壁梁動態(tài)沖擊載荷的影響，結(jié)果表明增加誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)能夠使試樣的峰值載荷降低44%。Abah[19]等發(fā)現(xiàn)，隨著誘導(dǎo)孔直徑的增大，試樣壓縮載荷峰值不斷降低，而名義載荷并沒有發(fā)生明顯變化。Lee[20]等發(fā)現(xiàn)，誘導(dǎo)孔不僅會對試樣局部產(chǎn)生弱化效果，而且會影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使試樣以完美的對稱模式壓縮變形。綜上所述，前人對薄壁梁結(jié)構(gòu)上開設(shè)誘導(dǎo)孔的研究多以對比分析為主，沒有系統(tǒng)研究不同形狀的薄壁梁軸向壓縮變形行為影響的研究，及不同形狀的誘導(dǎo)孔對薄壁梁結(jié)構(gòu)變形行為影響的研究。本文是利用有限元仿真分析,仿真采用LS-DYNA軟件。3.1不同截面形狀鋁合金薄壁梁壓縮變形行為的影響3.1.1不同截面形狀鋁合金薄壁梁的典型壓縮載荷曲線本文所采用的式樣是使用Solidworks軟件建立的三維模型，如圖3-1所示。所用薄壁梁參數(shù)見表2-1，表2-3。利用有限元仿真軟件LS-DYNA，得到薄壁梁結(jié)構(gòu)在典型載荷狀態(tài)(載荷曲線的峰值、谷值等)的變化情況。試樣1試樣2試樣3試樣4試樣5圖3-1不同截面形狀鋁合金薄壁梁試樣的三維圖3.2不同截面形狀鋁合金的典型壓縮載荷曲線3.2.1試樣1的典型壓縮載荷曲線試樣載荷-位移曲線如圖3.4所示，屬于典型的手風琴模式，由圖可知，O為坐標原點，在O-A階段，壓縮載荷增加速度較快，此時試樣處于彈性屈曲狀態(tài)。隨著壓縮位移量的增加，載荷超過A點(63.31kN)，試樣出現(xiàn)局部失穩(wěn)，載荷上升的速度減慢，試樣從彈性屈曲進入塑性屈曲階段。薄壁梁內(nèi)外兩層八邊形外凸變形，形成塑性鉸，此時載荷達到峰值B點(75.25kN)。塑性鉸上下兩側(cè)的材料發(fā)生彎曲變形，鉸鏈處材料沿試樣周向發(fā)生拉伸變形。峰值后，試樣的載荷水平迅速降低至C點(40.65kN)，一個完整的褶皺形成。隨后的變形重復(fù)上述過程，直到壓縮至D點，試樣共形成兩個完整的褶皺，就這樣形成6個完整的褶皺，當薄壁梁試樣壓縮至E點，試樣進入致密化階段，載荷水平再次迅速增大。圖3-4試樣1的典型壓縮載荷曲線3.2.2試樣2的典型壓縮載荷曲線試樣2載荷-位移曲線如圖3-5所示，當準靜態(tài)壓縮試樣時,由圖可知試樣2變形模式屬于鉆石模式，試樣2沒有試樣1太多的波峰，波谷，載荷曲線比較平緩，第二個峰值后，試樣形成第一個完整的褶皺，越過第二個峰值之后，載荷迅速下降，到達波谷，載荷平緩上升，在位移為110mm的位置，載荷迅速增大，到達最后一個波峰之后為致密化過程。圖3-5試樣2的典型壓縮載荷曲線3.2.3試樣3的典型壓縮載荷曲線試樣3的典型壓縮載荷曲線如圖3-6所示，當準靜態(tài)壓縮試樣時，在材料彈性屈曲階段，第一個峰值載荷最大為166.56KN，峰值過后，載荷迅速降低，第一個峰值，波谷之差最大，在位移大概32mm時試樣出現(xiàn)第一個褶皺，位移為50mm左右時，試樣中部發(fā)生失穩(wěn)彎曲變形，左右相對區(qū)域向外凸出，這時載荷緩慢下降，形成第二個褶皺之后載荷又迅速上升，由圖可知試樣3變形模式為歐拉模式。圖3-6試樣3的典型壓縮載荷曲線3.2.4試樣4的典型壓縮載荷曲線試樣4的典型壓縮載荷曲線如圖3-7所示，在試樣被壓縮形成第一個褶皺時，峰值和波谷的落差最大，差值為58KN左右，在位移40mm到70mm這段位移中，載荷的變化不大，最大載荷在最后試樣基本壓縮完全時出現(xiàn)，隨后載荷又迅速下降，載荷再次緩慢上升為致密化過程。從圖中我們不難看出試樣變形是均勻的，所以它的變形模式為手風琴模式。圖3-7試樣4的典型壓縮載荷曲線3.2.5試樣5的典型壓縮載荷曲線試樣5的典型壓縮載荷曲線如圖3-8所示，當準靜態(tài)壓縮試樣時，試樣載荷快速上升再快速下降平凡，褶皺的形成和試樣4一樣是很均勻的，其變形模式也屬于手風琴模式。圖3-8試樣5的典型壓縮載荷曲線圖3-2、3-3為不同截面鋁合金試樣載荷及吸能的對比。由表3-1可知，試樣1的最大載荷比其他試樣都要低，吸能性能卻是最好的，比試樣2吸能高出18.9％。其原因主要是試樣1為手風琴模式，使載荷曲線波動減小，變化更規(guī)律，更穩(wěn)定，因此平均載荷最高的，試樣的最大壓縮距離增大，吸能性能顯著。因此選擇試樣1開設(shè)誘導(dǎo)孔，研究不同誘導(dǎo)孔形狀對薄壁梁軸向壓縮變形行為的影響。圖3-2不同截面形狀鋁合金試樣載荷對比圖3-3不同截面形狀鋁合金試樣吸能對比表3-1不同截面形狀鋁合金試樣LS-DYNA軟件模擬結(jié)果編號(KN)(KN)U(J)變形模式試樣178.1258.478655.65C試樣283.0360.307022.20D試樣3166.5653.547867.34D試樣489.7560.277568.33C試樣582.8051.307961.62C本章研究對比了多種不同截面形狀的薄壁直梁在軸向勻速沖擊下的變形行為。采用顯式有限元軟件LS-DYNA對結(jié)構(gòu)的碰撞過程進行仿真，不同截面形狀的試樣，吸能、變形方式不一樣。通過仿真，試樣1的平均載荷較試樣5平均載荷的提高12.78％，吸能較試樣5的提高0.8％，試樣1變形平緩、整齊，綜合性能高于其他形狀的薄壁梁，為了方便研究不同誘導(dǎo)孔形狀對薄壁梁軸向壓縮變形行為的影響，選擇試樣1開設(shè)誘導(dǎo)孔。

4誘導(dǎo)孔對薄壁梁軸向壓縮變形行為的影響4.1不同形狀誘導(dǎo)對薄壁梁軸向壓縮變形行為的影響4.1.1誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)及試件尺寸的描述本文采用的誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)為圓孔、三角形孔，如圖4-1所示。圖4-1誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)為圓孔、三角形孔4.1.2數(shù)值結(jié)果與分析通過有限元仿真得到2種不同形狀誘導(dǎo)孔的薄壁梁的變形過程，由試樣6的載荷-位移曲線知，準靜態(tài)軸向壓縮試樣時試樣首先在誘導(dǎo)孔處失穩(wěn)，再逐層褶皺，最終變形模式為手風琴模試，。由圖4.2可知，原點到第一個波峰階段，試樣在壓縮過程中的載荷迅速增長，整個試樣處于均勻的彈性屈曲階段；由表4-1可知最大載荷為111.66N，試樣發(fā)生塑性變形，中間失穩(wěn)形成褶皺。越過峰值后，試樣的承載能力迅速下降。此時，中間繼續(xù)外凸變形，之后的載荷-位移重復(fù)上述過程，直至最后峰值點試樣形成4個完整的褶皺，手風琴變形模式結(jié)束。在最后峰值點試樣被完全壓縮，以后進入致密化過程。圖4-2試樣6典型壓縮載荷曲線如圖4-3試樣7開設(shè)三角形誘導(dǎo)孔，試樣7軸向壓縮變形和試樣6相似。誘導(dǎo)孔中間最先開始失穩(wěn)變形，隨著壓縮量增加薄壁梁逐漸褶皺，之后的載荷-位移重復(fù)上述過程，直至最后到最后一個波峰，試樣形成4個完整的褶皺，隨著軸向壓縮位移繼續(xù)進行，載荷波動幅度增大。在最后峰值點試樣被完全壓縮，形成鉆石模式，以后為致密化過程。圖4-3開設(shè)誘導(dǎo)孔-三角形的典型壓縮載荷曲線表4-1不同形狀誘導(dǎo)孔鋁合金試樣LS-DYNA軟件模擬結(jié)果編號Fp(KN)Fm(KN)U(J)變形模式M(kg)試樣6111.6659.948834.64E0.49試樣788.3360.278850.14D0.494.2開設(shè)誘導(dǎo)孔前，后對薄壁梁軸向壓縮變形行為的影響4.2.1數(shù)值結(jié)果與分析圖4.4為薄壁梁試樣開設(shè)誘導(dǎo)孔前、后壓縮載荷與吸能性能的對比。由表4-2可以看出，沒有開設(shè)誘導(dǎo)孔時薄壁梁試樣以E模式變形，而開設(shè)誘導(dǎo)孔后，變形轉(zhuǎn)變?yōu)镃模式，其載荷-位移曲線波動幅度減小，呈現(xiàn)規(guī)律的周期性波動，而隨著壓縮變形量的增加，載荷變化逐漸出現(xiàn)平緩。由于誘導(dǎo)孔改變了薄壁梁結(jié)構(gòu)的變形模式，因此開設(shè)誘導(dǎo)孔后試樣的平均載荷Fm高于開孔前試樣，其吸能性能隨之提高，見圖4-5。表4-2開設(shè)誘導(dǎo)孔前，后對薄壁梁試樣LS-DYNA軟件模擬結(jié)果編號Fp(KN)Fm(KN)U(J)變形模式M(kg)試樣6111.6659.948834.64E0.49試樣178.1258.478655.65C0.5圖4-4開設(shè)誘導(dǎo)孔前，后對薄壁梁試樣載荷-位移曲線圖4-5開設(shè)誘導(dǎo)孔前，后對薄壁梁試樣吸能曲線4.3小結(jié)本節(jié)研究對比了2種不同形狀誘導(dǎo)孔薄壁梁在軸向勻速沖擊下的變形行為，誘導(dǎo)孔的形狀對薄壁梁軸向壓縮變形行為有影響。誘導(dǎo)孔的形狀改善載荷峰值，三角形誘導(dǎo)孔薄壁梁的載荷-位移曲線峰值小于圓形誘導(dǎo)孔薄壁梁；誘導(dǎo)孔形狀也影響薄壁梁的變形模式，而薄壁梁的吸能性能無明顯差異。對比相同狀態(tài)下的薄壁梁試樣，開設(shè)誘導(dǎo)孔前后薄壁梁質(zhì)量減輕，平均載荷分別增加了2.5％，吸能分別增加了2.1％，由于誘導(dǎo)孔的引入使試樣的變形模式發(fā)生改變，褶皺數(shù)增加，導(dǎo)致載荷的升高，這利于充分發(fā)揮試樣的吸能性能。

結(jié)論本文針對汽車車身中鋁合金薄壁梁結(jié)構(gòu)，通過對5種不同截面形狀的薄壁梁采用顯式有限元軟件LS-DYNA進行碰撞過程的仿真，得到如下結(jié)論：對不同截面形狀薄壁梁進行研究，通過對比不同截面形狀薄壁梁載荷-位移曲線，吸能曲線得到，不同截面形狀薄壁梁變形模式、吸能、載荷不同。通過仿真，試樣1的平均載荷較試樣5平均載荷的提高12.78％，吸能較試樣5的提高0.8％，試樣1變形平緩、整齊，綜合性能高于其他形狀的薄壁梁，為了方便研究不同誘導(dǎo)孔形狀對薄壁梁軸向壓縮變形行為的影響，選擇試樣1開設(shè)誘導(dǎo)孔。研究對比了2種不同形狀誘導(dǎo)孔薄壁梁在軸向勻速沖擊下的變形行為，誘導(dǎo)孔的形狀對薄壁梁軸向壓縮變形行為有影響。對比相同狀態(tài)下的薄壁梁試樣，開設(shè)誘導(dǎo)孔前后薄壁梁質(zhì)量減輕，平均載荷分別增加了2.5％，吸能分別增加了2.1％，由于誘導(dǎo)孔的引入使試樣的變形模式發(fā)生改變，褶皺數(shù)增加，導(dǎo)致載荷的升高，這利于充分發(fā)揮試樣的吸能性能。

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