具有誘導(dǎo)凹槽薄壁圓管斜向碰撞性能分析

譚麗輝，譚洪武

(1.吉林化工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，吉林 吉林132022;2.中油吉林石化公司有機(jī)合成廠 乙丙橡膠車間，吉林 吉林132022)

薄壁金屬構(gòu)件由于其低成本，高吸能性而在汽車結(jié)構(gòu)中作為一種性能良好的緩沖吸能元件得到廣泛的應(yīng)用［1］.汽車中的大部分結(jié)構(gòu)是由不同截面形狀的薄壁構(gòu)件組成，這些薄壁構(gòu)件通過(guò)自身的塑性變形來(lái)吸收沖擊動(dòng)能.并通常在其上設(shè)置誘導(dǎo)缺陷結(jié)構(gòu)來(lái)提高抗撞性［2-5］.文獻(xiàn)［6］指出目前大部分研究?jī)?nèi)容是關(guān)于薄壁構(gòu)件在軸向沖擊載荷作用下的吸能性.然而在汽車碰撞過(guò)程中，吸能件通常不僅受軸向沖擊載荷作用，還會(huì)受到不同角度傾斜載荷的作用.Nagel［7］比較了在斜載荷作用下方形截面薄壁構(gòu)件和錐管的抗撞性，指出錐管有較好的抗撞性能.Reyes等［8］研究了在傾斜載荷作用下薄壁構(gòu)件幾何參數(shù)、載荷傾角對(duì)吸能性的影響.

目前的研究很少涉及具有誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)的薄壁構(gòu)件在傾斜載荷作用下的抗撞性能.本文從實(shí)際出發(fā)在薄壁圓管上施加圓弧形誘導(dǎo)凹槽結(jié)構(gòu)，并采用非線性有限元軟件LS-DYNA得到不同幾何參數(shù)模型的碰撞響應(yīng).研究其在 7°、14°、21°等不同載荷傾角下的抗撞性.分析載荷傾角、誘導(dǎo)槽數(shù)量對(duì)抗撞性的影響.

1 模擬研究

1.1 計(jì)算模型

如圖1所示，圓管下端固定，上端自由并受質(zhì)量為25 kg，速度為v=15.49 m/s的剛性體沖擊作用，θ為沖擊速度與軸向夾角;圓管厚度t=0.8 mm，長(zhǎng)度L=90 mm，直徑d=31 mm.

1.2 材料定義

薄壁構(gòu)件的材料選為高強(qiáng)度鋼，ρ=7.82×103kg/m3，彈性模量 E=207.2 Gps，泊松比 v=0.3，屈服應(yīng)力 σs=446 MPa.高強(qiáng)度鋼材料的動(dòng)態(tài)變形受材料應(yīng)變率的影響較大，需要在材料模型中考慮應(yīng)變率的影響.一般采用 Cowper–Symonds塑性材料模型［9］

式中:σy為考慮應(yīng)變率之后的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力，σs為靜態(tài)屈服應(yīng)力;ε為應(yīng)變率，c和p為該模型中與應(yīng)變率相關(guān)的參數(shù)，分別為c=40/s，p=5靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變變化曲線如圖2所示.

圖1 薄壁圓管的分析模型

圖2 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

文獻(xiàn)［5］已給出了薄壁構(gòu)件原模型在軸向(載荷傾角為0度)沖擊載荷作用下，由LS-DYNA計(jì)算得到的碰撞響應(yīng)，并與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了比較.通過(guò)對(duì)比可以看出有限元結(jié)果和實(shí)驗(yàn)值之間的相吻合.

對(duì)誤差很小，可見(jiàn)數(shù)值模擬的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值能夠較好地吻合，可進(jìn)一步用于模擬其在傾斜載荷作用下的抗撞性.

1.3 誘導(dǎo)槽模型

誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)是薄壁構(gòu)件應(yīng)力集中的地方，使結(jié)構(gòu)的屈曲變形穩(wěn)定.為了提高原模型在碰撞過(guò)程中的抗撞性能，本文對(duì)原模型結(jié)構(gòu)做了改進(jìn)，如圖3所示，沿光滑表面的薄壁結(jié)構(gòu)(原模型結(jié)構(gòu)尺寸不變)添加均布的圓弧形凹槽.現(xiàn)分別施加1、2、3、4 個(gè)半徑為 0.8 mm 誘導(dǎo)槽，研究其在 7°、14°、21°等不同載荷傾角下的抗撞性.在前文的工況下對(duì)四個(gè)模型進(jìn)行有限元仿真得到其碰撞性能評(píng)價(jià)指標(biāo)響應(yīng)值.

圖3 改進(jìn)結(jié)構(gòu)模型

2 模擬結(jié)果及討論

圖4、圖5分別給出了不同誘導(dǎo)槽結(jié)構(gòu)，在7°、14°、21°斜向載荷角碰撞過(guò)程中壓潰力和吸收能量隨壓潰位移和壓潰時(shí)間變化情況，并將其與相應(yīng)條件的原模型進(jìn)行了比較.由圖4可以看出薄壁構(gòu)件在7°載荷角下的碰撞力曲線在最大和最小局部峰值間平穩(wěn)波動(dòng)，變化趨勢(shì)大體相同，表明這幾種薄壁構(gòu)件在7°載荷角下抗載能力相似;由薄壁構(gòu)件在14°、21°載荷傾角下的碰撞力曲線可以看出，五種薄壁構(gòu)件在兩個(gè)傾角下的碰撞力曲線變化趨勢(shì)大體一致，都是在初始階段穩(wěn)定增大到峰值碰撞力，隨后單調(diào)減小至到?jīng)_擊終了階段撞擊力急劇上升達(dá)到極高的水平.上述不同撞擊角度下的力響應(yīng)與薄壁梁的失效模式有關(guān).

圖4 斜向載荷下力-位移曲線

從能量吸收?qǐng)D5可以看出，在7°載荷角時(shí)薄壁構(gòu)件吸能曲線變化趨勢(shì)相似，總吸能相近.而在能量吸收?qǐng)D5中的(b)、(c)可以看到，在14°和21°載荷角的碰撞初始階段總吸能迅速上升，在碰撞時(shí)間大約為2°ms～6°ms階段，總吸能增加緩慢，因?yàn)樵诖穗A段薄壁構(gòu)件開(kāi)始發(fā)生彎曲變形，吸能能力減弱，之后薄壁構(gòu)件的碰撞力迅速增大，又迅速恢復(fù)了吸能能力并保持至碰撞終了.

圖5 斜向載荷下內(nèi)能—時(shí)間曲線

由圖6給出了五種薄壁構(gòu)件在不同載荷角下的最大峰值碰撞力變化情況，可見(jiàn)具有誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)的薄壁構(gòu)件最大峰值碰撞力均低于原模型，且隨著誘導(dǎo)槽數(shù)量的增加最大峰值碰撞力明顯減小.由圖6可見(jiàn)較大的載荷角時(shí)，誘導(dǎo)槽數(shù)量的增加，對(duì)最大峰值碰撞力影響較小.

由圖7所有薄壁構(gòu)件的總吸能隨載荷角的變化情況可知.當(dāng)載荷角較小時(shí)，所有薄壁構(gòu)件的總吸能近似相等;當(dāng)載荷角較大時(shí)1個(gè)誘導(dǎo)槽結(jié)構(gòu)總吸能更有效，而增加誘導(dǎo)槽數(shù)量時(shí)總吸能并沒(méi)有提高.由圖7可見(jiàn)原模型在載荷角沖擊時(shí)的總吸能要大于其他誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)，而在14°和21°載荷角沖擊時(shí)其總吸能則為所有模型中最小的.可見(jiàn)，設(shè)置誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)在較大載荷角碰撞下可提高能力吸收性能.

圖6 峰值載荷隨載荷角變化

圖7 總吸能隨載荷角變化

由圖6、7可以看出，最大峰值碰撞力和總吸能均隨著載荷角的增大而減小.

3 結(jié) 論

本文主要研究?jī)A斜載荷角碰撞下，具有不同數(shù)量誘導(dǎo)凹槽薄壁構(gòu)件的抗撞性能.設(shè)置誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)可在傾斜碰撞下可降低最大峰值碰撞力，在7°、14°、21°傾斜載荷角下最大峰值碰撞力分別降低16.81%、15.3%、11.58%;.具有誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)的薄壁構(gòu)件，在7°傾斜載荷角下其總吸能比原模型至多降低1.07%，而在 、較大傾斜載荷角下，其總吸能比原模型最多分別可提高44.99%、65.18%.可見(jiàn)在傾斜載荷碰撞下，設(shè)置誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)能顯著提高薄壁構(gòu)件的抗撞性.

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