不同截面形式的薄壁管件吸能效果的仿真分析

1、不同截面形式的薄壁管件吸能效果的仿真分析    摘 要：作為機(jī)械領(lǐng)域最常用的碰撞吸能裝置之一，薄壁結(jié)構(gòu)管件通過自身在碰撞過程中不可逆的塑性變形吸收碰撞能量，減少或消除碰撞對機(jī)械主體的傷害，是提高機(jī)械主體耐撞性的主要部件，在考慮正面碰撞的機(jī)械設(shè)計領(lǐng)域，特別是汽車的正面碰撞領(lǐng)域，大多采用這樣的結(jié)構(gòu)，并取得了良好的效果。本文以薄壁鋼質(zhì)管件為例，利用有限元軟件LS-DYNA 對其正面碰撞過程進(jìn)行初步的仿真分析，對比評價了截面形式對薄壁鋼結(jié)構(gòu)管件耐撞特性的影響，力求找出薄壁管件正面碰撞時的能量吸收規(guī)律并作為今后的學(xué)習(xí)研究的參考。關(guān)鍵詞：薄壁結(jié)構(gòu)管件；截面形式；能量

2、吸收特性；有限元仿真中圖分類號：TP391.9引言由于薄壁管件結(jié)構(gòu)本身質(zhì)量小，卻擁有較高的軸向強(qiáng)度，在碰撞過程中能夠提供較為穩(wěn)定的軸向壓縮力，大幅度吸收碰撞能量，降低碰撞傷害，擁有良好的能量吸收特性，因此在現(xiàn)代機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，特別是考慮碰撞過程的汽車的車身設(shè)計中，用于正面碰撞的設(shè)計大都采用這樣的結(jié)構(gòu)。薄壁管件的變形是一個復(fù)雜的過程，到目前為止，仍然沒有理論方法能夠描述完整的變形過程，尤其是在諸如軸向和側(cè)向的復(fù)合載荷下，變形方式和承載能力的預(yù)測更為復(fù)雜1。但是從能量轉(zhuǎn)化角度分析，薄壁管件結(jié)構(gòu)是通過塑性變形（塑性彎曲、塑性扭曲和塑性屈曲）最大程度地將碰撞過程中的動能不可逆地轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)的變形能，同時吸

3、收、消耗能量，以降低碰撞危害，而不是以彈性變形來存儲碰撞能量2。薄壁管件結(jié)構(gòu)的碰撞吸能特性與材料性能、管件橫截面形式、壁厚以及預(yù)變形等因素密切相關(guān)，本文僅以薄壁鋼結(jié)構(gòu)管件為例，對不同截面形式的薄壁管件的碰撞過程作初步的仿真計算，力求找出其碰撞特性并指導(dǎo)今后的學(xué)習(xí)研究。1、 薄壁管件的碰撞仿真過程本文所研究的薄壁管件是指具有規(guī)則的橫截面形式（特別是中心對稱的截面）、一定的壁厚和一定長度的兩端開口的金屬結(jié)構(gòu),這是薄壁管件吸能變形規(guī)律穩(wěn)定，吸能效果可靠，并能夠進(jìn)行對比評價的前提。本文選用LS-DYNA 軟件對薄壁管件的碰撞過程進(jìn)行仿真，該軟件廣泛應(yīng)用于非線性大變形計算領(lǐng)域。仿真過程中薄壁管件一端受到

4、全約束，另一端受到質(zhì)量為250Kg 的質(zhì)量塊的撞擊，撞擊初始速度為-10m/s；仿真過程主要考察薄壁管件的吸能特性，質(zhì)量塊的變形很小，故將質(zhì)量塊定義為剛體，以節(jié)省求解時間；選取Solid164 單元對質(zhì)量塊劃分網(wǎng)格；管件模型相對簡單，計算量較小，所以采用Shell163 單元劃分網(wǎng)格，使用系統(tǒng)缺省的，基于局部坐標(biāo)變換的Belytschko-Tsay 單元，并進(jìn)行沙漏控制；實常數(shù)定義中設(shè)定剪切因數(shù)為推薦值5/6，通過單元厚度的積分點數(shù)目為5；定義接觸算法為自動單面接觸（ASSC），動、靜摩擦因數(shù)均設(shè)為0.1；考慮到實際的碰撞過程是一個瞬態(tài)的物理過程，故設(shè)定求解時間為20ms；薄壁管件材質(zhì)為普通碳

5、素鋼Q235A；碰撞過程主要以塑性變形為主，所以有限元模型骨架采用雙線性強(qiáng)化彈塑性材料模型3，參數(shù)定義及管件規(guī)格分別如表1、2 所示。表1 雙線性強(qiáng)化彈塑性材料薄壁管件的材料參數(shù)3材料名稱密度r( kg / m3 )彈性模量E(GPa )泊松比u屈服極限ss(MPa )切線模量(GPa )Q235A 7850 206 0.3 235 8表2 薄壁管件規(guī)格截面形狀 正方形 矩形 圓形 正六邊形 正八邊形截面參數(shù)(長×寬)/mm40×40 32×48 半徑r = 25.4648外接圓半徑r = 26.6667外接圓半徑r = 26.131259長度/mm 200壁厚/

6、mm 2截面周長/mm 160圖1 為各個薄壁管件的網(wǎng)格劃分結(jié)果。(a)正方形 (b)矩形 (c) 圓形 (d) 正六邊形 (e) 正八邊形圖1 六種截面薄壁管件有限元模型2、薄壁吸能管件吸能效果對比評價根據(jù)文獻(xiàn)1所述，當(dāng)薄壁梁發(fā)生規(guī)則的“手風(fēng)琴”式的褶皺變形時，能夠起到很好的變形吸能、碰撞緩沖的作用；而發(fā)生不規(guī)則的變形時，可能導(dǎo)致整個部件進(jìn)入歐拉彎曲變形模式，失去原有的能量吸收能力，使得碰撞過程惡化。以下是第10ms 時的薄壁管件碰撞變形圖，可以發(fā)現(xiàn)各薄壁管材均為“手風(fēng)琴”式的對稱褶皺變形模式。(a)正方形 (b)矩形 (c)圓形 (d)正六邊形 (e)正八邊形圖2 10ms 時薄壁吸能管變

7、形結(jié)果通過計算分析碰撞過程中薄壁吸能管件的能量變化、碰撞剛體加速度變化曲線，可以對薄壁吸能管件的吸能效果作出分析判斷，并對薄壁吸能管件的吸能特性有初步理解。表3為不同截面薄壁吸能管件計算統(tǒng)計結(jié)果。不同截面的薄壁吸能管件剛體加速度變化曲線如圖3 所示。由計算機(jī)仿真的動畫結(jié)果可以觀察到，各薄壁吸能管件碰撞初始變形都發(fā)生在與剛體接觸的一端。不同的是，正方形和矩形截面的固定端在很短的時間內(nèi)也參與到了壓潰變形的過程中，即整體變形并吸收碰撞動能；而圓形、正六邊形和正八邊形截面薄壁管件的固定端只出現(xiàn)了輕微的變形，即能量吸收大部分集中在碰撞端，薄壁管件并沒有完全的參與能量吸收。表3 薄壁吸能管件計算統(tǒng)計結(jié)果編

8、號截面形式吸收的內(nèi)能( J )剛體加速度峰值(m s-2i )加速度峰值時間(ms )沙漏能峰值( J )吸能對比12345正方形矩形圓形正六邊形正八邊形1222912339123201223712194906.1752.461244.91106.11147.75.99986.59985.39955.19975.199565.71155.728103.100171.30097.8041.002871.011891.010331.003531.00000(a) 正方形截面 (b) 矩形截面(c) 圓形截面 (d) 正六邊形截面(e) 正八邊形截面圖3 碰撞過程中剛體加速度變化曲線由于參加能量吸收

9、的部位不同，所以不同截面的薄壁管件在碰撞能量的吸收方面表現(xiàn)出不同的特性。從圖4 可以觀察到：正方形和矩形截面的薄壁管件吸能過程平穩(wěn)，剛體加速度波動范圍小，能量吸收持續(xù)時間長，加速度峰值較低且出現(xiàn)時間靠后，即能量吸收基本存在于碰撞的各個時間段，能夠較平穩(wěn)較緩和地吸收碰撞能量；而圓形、正六邊形和正八邊形截面的薄壁管件恰好相反，剛體加速度有較大波動，加速度峰值較大且較早出現(xiàn)，能量吸收主要集中在碰撞的前半段時間，過程較為激烈。初步的仿真過程顯示，與其他截面的薄壁管件相比，矩形管在較大的碰撞能量下更易發(fā)生歐拉彎曲變形，造成吸能效果的明顯惡化。雖然此次仿真計算結(jié)果表明矩形管能夠在碰撞過程中吸收較多的能量，

10、但是，由于仿真過程中存在著較大的沙漏能差別（正六邊形截面管的沙漏能是矩形管的三倍之多），所以這一結(jié)果有待進(jìn)一步驗證。3、結(jié)語本文以薄壁鋼質(zhì)管件為例，通過對不同截面薄壁管件的正面碰撞過程的仿真計算，實現(xiàn)了對其吸能特性的初步分析，對研究薄壁結(jié)構(gòu)的吸能管件具有一定的參考價值。接下來的學(xué)習(xí)中應(yīng)該通過更加精確的仿真計算，結(jié)合實驗分析不同截面管件的比吸能，用于準(zhǔn)確評價截面類型對薄壁管吸能效果和吸能特性的影響。此次仿真只針對正面碰撞進(jìn)行，而實際中更多的是成一定角度的碰撞。由于成角度碰撞過程中薄壁管容易出現(xiàn)歐拉彎曲變形，因此碰撞效果更加難以評價，如何通過良好的仿真計算和實驗得到此狀態(tài)下的薄壁管吸能特性也是一個

11、值得思考的問題。參考文獻(xiàn)1 王大志基于乘員保護(hù)的汽車正面碰撞結(jié)構(gòu)設(shè)計與變形控制研究D北京：清華大學(xué)，20062 賈宇，肖守訥耐碰撞車體吸能裝置的薄壁結(jié)構(gòu)研究J鐵道車輛，2005，43(5)：6-93 鄧景濤大型客車車身結(jié)構(gòu)正面碰撞有限元分析D西安：長安大學(xué)，2009The Simulation and Analysis of the Energy AbsorptionEffects of Thin-walled Tubes with Different SectionsSun Zhihua8# Apartments of Yanta Campus, Changan University, Xi

12、an (710061)AbstractAs one of the most commonly used crash energy absorption devices in mechanical field,thin-walled tubes are the main parts which can improve the crashworthiness of the main mechanical,can absorb crash energy by the irreversible deformation of their own in this process, reduce oreli

13、minate the damage of main machinery in crash. In the Frontal crash field of mechanical design,especially the vehicle head-on crash, this structure is widely used and results in good. Take thin-walledsteel tubes as an example, this paper simulate their head-on crash process with finite element softwareLS-DYNA preliminarily, evaluate the sections influences on crashwo