1、引言

現(xiàn)代汽車的前縱梁大都采用矩形截面的直梁的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在碰撞過程中能產(chǎn)生較為理想的變形。不同形狀的直梁件可以有如圖1所示的5種截面，這些截面都具有相同的周邊長(zhǎng)，但是碰撞特性卻大不相同。

2、同段同截面反轉(zhuǎn)螺旋形結(jié)構(gòu)碰撞分析

在本文中，我們?nèi)≈荛L(zhǎng)相同、長(zhǎng)度相同但截面形狀不同的薄壁直梁進(jìn)行分析。材料選擇45號(hào)鋼，厚度為1mm，網(wǎng)格邊長(zhǎng)取5mm，旋轉(zhuǎn)角度取15度，薄壁直梁長(zhǎng)度取400mm，所選擇的材料都相同，本文通過分析不同截面形狀的吸能情況，進(jìn)而得出哪個(gè)截面形狀吸能特性更好。

下圖2為上面五種截面反轉(zhuǎn)螺旋型薄壁管件的網(wǎng)格劃分結(jié)果。

以下是第7.3ms時(shí)的薄壁管件碰撞變形圖，可以發(fā)現(xiàn)正方形、正五邊形截面薄壁管材已經(jīng)有不規(guī)則變形的趨勢(shì)，而其他的截面形狀均為“手風(fēng)琴”式的對(duì)稱褶皺變形模式。

通過計(jì)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(duì)薄壁吸能管件的吸能效果作出分析判斷，并對(duì)薄壁吸能管件的吸能特性有初步理解。圖4為不同截面薄壁吸能管件計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

初步的仿真過程顯示，與其他截面的薄壁管件相比，正方形、正五邊形截面薄壁管件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(jì)算結(jié)果表明正六邊形截面薄壁管件能夠在碰撞過程中吸收較多的能量，但是，由于仿真過程中存在著較大的沙漏能差別（正六邊形截面薄壁管件的沙漏能是正方形截面薄壁管件的三倍之多），所以這一結(jié)果有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

3、同段不同截面反轉(zhuǎn)螺旋形結(jié)構(gòu)碰撞分析

以上的都是對(duì)于同段同截面的薄壁管件的碰撞分析，我們下面分析的是同段不同截面的比較。

（1）截面邊數(shù)都為偶數(shù)

正方形對(duì)正六邊形組合、正方形對(duì)正八邊形組合和正六邊形對(duì)正八邊形組合的六種模型。材料參數(shù)與前文一致，網(wǎng)格邊長(zhǎng)5mm，剛性墻以15m/s的初始速度對(duì)薄壁直梁進(jìn)行碰撞。

下圖是各個(gè)螺旋型管件模型在8ms時(shí)的變形對(duì)比圖，從圖5中可以看出正方形對(duì)正六邊形六邊形在外的薄壁梁發(fā)生了明顯的變形，沒有起到較大吸能的作用，而其他模型都發(fā)生了規(guī)則的“手風(fēng)琴”式的褶皺變形，吸收了碰撞時(shí)較大的能量。

下圖6為不同模型薄壁管件吸能統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

分析仿真結(jié)果，與其他薄壁管件相比，只有正方形對(duì)正六邊形六邊形在外的薄壁管件在較大的碰撞能量下發(fā)生了歐拉彎曲變形，造成吸能效果的明顯惡化。分析圖6的吸能柱形圖，其他的模型吸能效果相當(dāng)，但總體來(lái)看吸能效果都不及同段同截面的理想。

（b）截面邊數(shù)為奇偶數(shù)組合

為了證實(shí)上面的結(jié)論：同段不同截面形狀吸能效果不及同段同截面。我們又針對(duì)奇偶組合的同段不同截面的正方形對(duì)正五邊形組合和正五邊形對(duì)正六邊形組合的四種情況作了一次分析比較。

下圖是各個(gè)螺旋型管件模型在8ms時(shí)的變形對(duì)比圖，明顯可以看出，四種模型都很容易的發(fā)生了歐拉彎曲變形，吸能效果都不是很理想。表8的吸能柱形圖也說明，此類模型的吸能效果都不理想。

4、不同旋角反轉(zhuǎn)螺旋形結(jié)構(gòu)碰撞分析

為了能夠更好的研究旋轉(zhuǎn)角度與碰撞吸能的關(guān)系，本文對(duì)正方形截面的反轉(zhuǎn)螺旋形薄壁梁結(jié)構(gòu)分別設(shè)置2°、5°、8°、15°和45°五種旋角，網(wǎng)格邊長(zhǎng)為5mm，剛性墻仍以15m/S的初始速度對(duì)薄壁直梁進(jìn)行碰撞。下圖是各個(gè)不同旋角的螺旋型管件模型在9.2ms時(shí)的變形對(duì)比圖，從圖中可以看出旋角為15°和45°的薄壁梁發(fā)生了明顯的變形，沒有起到較大吸能的作用，而旋角較小的如2°、5°和8°都發(fā)生了規(guī)則“手風(fēng)琴”式的褶皺變形，吸收了碰撞時(shí)較大的能量。

分析仿真結(jié)果，與其他旋角的薄壁管件相比，15°和45°旋角的薄壁管件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。分析圖10的吸能柱形圖，較小的角度吸收的能量較大，而至于最佳的角度，還得根據(jù)不同的截面作進(jìn)一步的仿真分析。

5、結(jié)論

本文主要通過對(duì)同段不同截面、同段同截面、不同旋角的薄壁梁碰撞性能的比較，得出了不同條件下的吸能特性，為研究碰撞吸能設(shè)計(jì)人員提供了參考依據(jù)。

（作者單位：聊城大學(xué)東昌學(xué)院機(jī)電工程系）

作者簡(jiǎn)介

吳廣發(fā)（1983—），男，山東聊城人，助教，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械優(yōu)化、有限元分析.