車輛薄壁管結(jié)構(gòu)優(yōu)化的耐撞性應(yīng)用研究

鄭偉，趙治軍，李迎弟

（長安大學(xué)，陜西 西安 710064）

前言

國家統(tǒng)計局發(fā)布的《2016年國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》顯示，截止到2016年末，全國民用汽車保有量為19440萬輛，比上年末增長 12.8%。隨著全國汽車保有量的快速增長，道路交通事故也頻繁發(fā)生?；趪医y(tǒng)計局發(fā)布 2006-2015年數(shù)據(jù)分析，得到全國交通事故發(fā)生數(shù)和民用汽車保有量總計的折線圖，以及全國交通事故和汽車交通事故死亡人數(shù)總計的折線圖。

據(jù)國家統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2015年全國交通事故總計發(fā)生有187781起，共造成58022人死亡，直接財產(chǎn)損失總計達(dá)103692萬元。而其中汽車交通事故有 129155起，導(dǎo)致共有 42388人死亡，直接財產(chǎn)損失達(dá)89518萬元。造成交通事故人員死亡的原因有多種，包括醉酒駕駛、車輛超速、駕駛員行為、道路環(huán)境和車輛類型。為了減少對駕駛員和乘員的傷害，目前采取措施有：改善車輛設(shè)計提高耐撞性，提高交通控制能力和改善道路。這些措施在一定程度上減少了傷害，并且最近的研究表明，汽車設(shè)計的改進(jìn)在死亡率下降中發(fā)揮了重要作用。因此有必要改善車輛的耐撞性，因?yàn)樵诮煌ㄊ鹿拾l(fā)生時它對于保護(hù)人員起主要作用。

圖1 全國交通事故發(fā)生數(shù)和民用汽車保有量總計

車輛耐撞性研究是國內(nèi)外車輛被動安全研究領(lǐng)域一個重要的方面，而通過薄壁管結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法來增強(qiáng)車輛耐撞性，則是安全領(lǐng)域中的一個研究熱點(diǎn)。本文通過系統(tǒng)地對國內(nèi)外車輛薄壁管優(yōu)化耐撞性研究方面的理論、方法以及研究的成果進(jìn)行綜述，旨在為更加全面科學(xué)地評估車輛安全性以及改善車輛設(shè)計提供理論借鑒。

圖2 全國交通事故和汽車交通事故死亡人數(shù)總計

1 車輛耐撞性涵義及薄壁管結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論

1.1 薄壁管結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法理論

當(dāng)前很多基于梯度和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)啟發(fā)式的方法大多數(shù)是設(shè)計成剛性結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)雖然可以一定程度地提高能量吸收能力，減少外物侵入，但對于車輛耐撞性而言，車輛結(jié)構(gòu)應(yīng)該兼顧剛度和柔度特性。受沖擊載荷的薄壁管結(jié)構(gòu)會有三種變形模式：漸進(jìn)屈曲，動態(tài)塑性屈曲和歐拉型屈曲（整體彎曲）。其中漸進(jìn)屈曲因其有理想的變形特性：低峰值反力和較高的能量吸收率，所以是最可取的模式。但漸進(jìn)屈曲只有在純軸向載荷下才能發(fā)生，而在實(shí)際的碰撞過程中，薄壁管結(jié)構(gòu)很少只受純軸向載荷，通常情況是在斜碰撞中同時受到軸向力和彎矩。如果加載角度高于臨界值，薄壁管在斜沖擊下會發(fā)生歐拉型屈曲。這種變形模式嚴(yán)重降低了薄壁管結(jié)構(gòu)的能量吸收能力。

1.2 可控能量吸收理論

能量吸收是車輛耐撞性結(jié)構(gòu)最重要的特征，而控制能量吸收則是結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵，這就要求對結(jié)構(gòu)優(yōu)化時必須考慮適應(yīng)相互矛盾的標(biāo)準(zhǔn)，如：最大加速度和最大接觸力約束，避免司機(jī)和乘客由于太大的作用力而受傷；最大變形約束，避免由于侵入乘客艙而使乘客和司機(jī)受傷。在碰撞過程中，薄壁管結(jié)構(gòu)需要按照預(yù)定設(shè)計的力-位移的進(jìn)行屈曲。除了控制最大接觸力和最大入侵程度，其他因素如載荷路徑和屈曲模式也是應(yīng)該考慮的重要因素。在碰撞過程中，剛性結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為承受高峰值力，而擠壓變形??；柔性結(jié)構(gòu)則是低峰值力，擠壓變形大。但兩種情況結(jié)構(gòu)可以吸收相同的能量。耐撞性設(shè)計需要考慮如何控制能量吸收以及變形特性。

2 薄壁管結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究進(jìn)展

2.1 復(fù)合材料與泡沫填充結(jié)構(gòu)研究

復(fù)合材料和泡沫填充結(jié)構(gòu)是針對薄壁管優(yōu)化的兩個重要領(lǐng)域。復(fù)合材料方面主要有基于復(fù)合材料的能量吸收性能研究，以及結(jié)構(gòu)和材料特性對失效機(jī)理的影響。復(fù)合材料的比強(qiáng)度高，吸能特性優(yōu)異，同時又易于設(shè)計，所以此項(xiàng)研究開展較早而同時也被用作吸能材料。Mamalis等人對影響復(fù)合材料能量吸收性能的因素，包括幾何結(jié)構(gòu)，基體與纖維材料，以及試驗(yàn)的加載方式進(jìn)行了研究，由于大多數(shù)復(fù)合材料是脆性材料，對沖擊損傷很敏感，所以需要進(jìn)行合理的引導(dǎo)控制破壞設(shè)計。

泡沫填充結(jié)構(gòu)方面主要有基于實(shí)驗(yàn)分析與數(shù)值模擬對破壞機(jī)理研究，以及基于準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)沖擊實(shí)驗(yàn)對密度和壁厚研究。在軸向載荷作用下，非緊湊的擠壓變形和整體屈曲行為被消除在泡沫填充管中。此外，與相同大小的空管比較，負(fù)載參數(shù)（即方向性和均勻性）對泡沫填充管影響較小，并且泡沫填充管在折疊破壞過程更穩(wěn)定。

2.2 結(jié)構(gòu)屈曲行為與吸能特性研究

結(jié)構(gòu)屈曲行為與吸能特性研究主要有基于準(zhǔn)靜態(tài)與動態(tài)測試的屈曲與吸能特性研究，分析軸向載荷作用下結(jié)構(gòu)對吸能特性影響[1]，分析斜沖擊載荷作用下結(jié)構(gòu)對吸能特性影響，基于碰撞試驗(yàn)、仿真的薄壁管優(yōu)化研究[2,3]，分析焊點(diǎn)對吸能特性和變形模式影響。Petsios研究了薄壁管的屈曲行為，對薄壁管進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)與動態(tài)測試。在國內(nèi)，黃金陵等人等對薄壁管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真的研究。裘新等通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了有限元模型的有效性，并提出了提高車輛安全性的改進(jìn)方案。李志斌等人通過對薄壁管結(jié)構(gòu)進(jìn)行軸向壓縮實(shí)驗(yàn)，來研究屈曲模式及能量吸收特性。解躍青等人則基于焊點(diǎn)質(zhì)量、間距以及分布方式，對薄壁管吸能特性的影響進(jìn)行了分析研究。

2.3 誘導(dǎo)槽、錐形和多細(xì)胞結(jié)構(gòu)研究

誘導(dǎo)槽、錐形和多細(xì)胞結(jié)構(gòu)研究主要集中在幾何參數(shù)與結(jié)構(gòu)分析，以及實(shí)驗(yàn)和仿真分析方面。誘導(dǎo)槽是利用其應(yīng)力集中效應(yīng)，引導(dǎo)發(fā)生特定的軸向屈曲模式，在結(jié)構(gòu)中的擠壓變形區(qū)用以執(zhí)行漸進(jìn)屈曲以提高能量吸收率。Eren等人描述了可以降低峰值力的各種誘導(dǎo)槽的使用，以及它們對屈曲模式的影響。在錐形和多細(xì)胞結(jié)構(gòu)的研究方面，Nagel和Tham-biratnam比較了在準(zhǔn)靜態(tài)、軸向動態(tài)以及離軸動態(tài)沖擊載荷下，直薄壁矩形管和圓錐薄壁矩形管的能量吸收情況。結(jié)果表明在斜沖擊載荷作用的情況下，采用錐形管進(jìn)行能量吸收更優(yōu)。此外還研究了幾種細(xì)胞結(jié)構(gòu)模型在軸向壓縮下的能量吸收情況和承載能力。Chai則研究了矩形元胞拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多層、多胞和多薄壁管三種方式的能量吸收特性。Zhang等人采用理論分析與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對于兩細(xì)胞管結(jié)構(gòu)、三細(xì)胞管結(jié)構(gòu)以及四細(xì)胞管結(jié)構(gòu)的變形方式以及吸能特性進(jìn)行了研究。

3 薄壁管結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究方法

研究人員嘗試用不同的方法對耐撞性薄壁管結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。Salehghaffari等人提出，從厚壁管外表面的特定區(qū)間加工寬圓周槽，環(huán)（較厚部分）作為封閉薄壁管段的外部加強(qiáng)筋。當(dāng)加筋薄壁管承受軸向壓縮時，相鄰兩個環(huán)狀加強(qiáng)筋之間的薄壁部分折疊，從而提高了能量吸收率。研究人員也對錐形薄壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。為了解決均勻密度泡沫填料的缺點(diǎn)，研究人員引入功能梯度泡沫填料，其中包含以預(yù)定義的方式連續(xù)變化的單元。 隨著計算機(jī)軟硬件和信息技術(shù)的快速發(fā)展，車輛分析人員逐漸采用非線性有限元分析來進(jìn)行薄壁管結(jié)構(gòu)優(yōu)化耐撞性研究?；跀?shù)值模擬和耐撞性優(yōu)化分析也是近年來國內(nèi)外相對流行的分析方法，對撞壓變形和吸能特性進(jìn)行研究，并建立結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)與其吸能特性的關(guān)系式，為不同的全局近似函數(shù)編制相應(yīng)的程序，從而實(shí)現(xiàn)對于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的自動分析。

與傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法相比，有限元分析仿真及基于數(shù)值模擬和耐撞性優(yōu)化分析有如下優(yōu)點(diǎn)：1）條件要求低，分析難度小；2）所需成本低，設(shè)計周期短；3）過程更容易監(jiān)控，設(shè)計數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確合理。

4 結(jié)論

薄壁管結(jié)構(gòu)因具有質(zhì)量輕、軸向強(qiáng)度高、良好的吸能特性等特點(diǎn)，受到許多學(xué)者的廣泛關(guān)注。作為車輛正面碰撞時最主要吸能部件，研究考慮結(jié)構(gòu)質(zhì)量較輕，而碰撞吸能效率高的薄壁管結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題，對于車輛的碰撞安全也就具有非常重要的意義。因此，薄壁管結(jié)構(gòu)優(yōu)化耐撞性研究有其重要的應(yīng)用前景。有利于提高車輛碰撞和道路交通的安全水平，同時為車輛的安全設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

5 展望

薄壁管結(jié)構(gòu)優(yōu)化耐撞性研究依然是車輛被動安全領(lǐng)域的重要問題，下一步的研究應(yīng)該主要集中在：1）深入分析復(fù)合材料薄壁管耐撞性，對其進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化研究及實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域問題還有廣闊前景；2）繼續(xù)開展對厚度呈梯度變化的泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)以及多細(xì)胞結(jié)構(gòu)的耐撞性優(yōu)化研究；3）對變形機(jī)理更深入的理論研究，更加準(zhǔn)確地得到不同變形模式的臨界值，從而優(yōu)化薄壁管結(jié)構(gòu)來預(yù)測控制結(jié)構(gòu)發(fā)生穩(wěn)定變形模式，將會是耐撞性領(lǐng)域的關(guān)鍵課題。