（光学工程专业论文）冲压筋薄壁管轴向吸能特性研究.pdf

中文摘要 中文摘要 安全、环保和节能足二十一世纪汽车设计研发所面临的三大热点问题，而如何 提高车辆在碰撞事故中的耐撞性( c r a s h w o r t h i n e s s ) 又成为汽车被动安全性设计中的 一项重要内容，车身结构抗撞性主要是研究车身吸能装置对碰撞能量的吸收特性。 薄壁帽型截面管是一种常用的冲击吸能结构，在车身结构的抗撞性设计中具有重要 应用价值。本文采用试验、理论分析和有限元模拟计算的方法，研究了空心冲压筋 薄壁管件的轴向吸能特性。 首先，本文介绍了汽车安全性研究的重要性，综述了耐撞性问题的国内外研究 现状，总结了国内外对薄壁吸能结构耐撞性的研究成果，基于传统的薄壁吸能元件， 讲述了冲压筋薄壁管的研究意义。 随后，本文通过轴向准静态压缩试验，研究了空心单、双帽冲压筋薄壁管的轴 向吸能特性。试验研究发现：冲压筋是帽型结构平均压溃力和吸能特性提高的主要 影响因素；添加冲压筋后，帽型薄壁管的压溃力有所增加，单位质量结构的吸能效 果得到提高，从而揭示了冲压筋薄壁管的吸能机理和规律。同时本文进行了引导槽 和焊点焊点御局对冲压筋薄壁管变形模式和吸能特性影响的试验研究，研究发现： 添加导引槽后，冲压筋薄壁管的初始变形得到改善，其压溃力变化不大，稳定性有 一定的改善；焊点布局改变后，冲压筋薄壁管的变形更加规则，褶皱更明显。 然后，对空心单、双帽冲压筋薄壁管件进行了轴向准静态压缩工况下的有限元 数值模拟计算，计算结果与实验结果比较吻合。通过模拟计算，分析了不同冲压筋 薄壁管的变形模式和吸能效果，针对试验和模拟中出现的空心冲压筋薄壁管失稳现 象，本章进行了冲压筋薄壁管引导槽和焊点布局对薄壁结构吸能特性影响的有限元 模拟，模拟结果与试验结果吻合较好。 最后，在分析试验结果与模拟计算的基础上，采用超叠缩单元理论，建立了预 报冲压筋薄壁管件轴向吸能特性的理论模型。该模型能够较准确地预测冲压筋薄壁 吸能管在轴向准静态压缩工况下的平均压溃力和变形模式。 本文的设计思想和理论分析对车身耐撞性设计和其他领域的冲击吸能结构设 计有着重要的指导意义。 关键词：冲压筋；薄壁管；显式有限元；轴向压缩；吸能特性 a b s t r a c t a b s t r a c t s a f e t y ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n de n e r g ys a v i n ga r et h et h r e ek e yp r o b l e m so f t h e2 1 s tc e n t u r y m e a n w h i l e ，h o wt oi m p r o v et h ec r a s h w o r t h i n e s so fv e h i c l e sh a sb e e na n a s s i g n a b l ei s s u ed u r i n gt h ea n a l y s i so fp a s s i v es a f e t yo ft h ea u t o m o t i v e r e s e a r c h e so n t h ea u t o m o t i v ec r a s h w o r t h i n e s sa r e m a i n l yc o n c e n t r a t e do nt h ee n e r g ya b s o r p t i o n p r o p e r f i e so fc o m p o n e n t so ft h ec a rb o d yd u r i n gi m p a c te v e n t s i ti sa l s ov e r yi m p o r t a n t i nt h ec r a s h i n g w o r t h i n e s sd e s i g no fv e h i c l eb o d ys t r u c t u r e q u a s i s t a t i cc o m p r e s s i o n s ， i m p a c tt e s t s ，t h e o r e t i c a la n a l y s e sa n dn u m e r i c a ls t u d i e sw e r ea l w a y su s e dt os t u d yt h e a x i a le n e r g y a b s o r p t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h i n - w a l l e dt u b e s f i r s t l y , t h ei m p o a a n c eo ft h ea u t o m o t i v es a f t yw a sb r i e f l yi n t r o d u c e d ，r e c e n t d e v e l o p m e n t so fc r a s h w o r t h i n e s sd e s i g n ，e s p e c i a l l yt h i n w a l l e dc o m p o n e n t sd e s i g nw e r e b r i e f l ys u m m a r i z e d t h e n ，b a s e do nt h et r a d i t i o n a lt h i n w a l l e dc o m p o n e n t sw i t hs q u a r e ， t h es i g n i f i c a n c eo ft h ec r a s h w o r t h i n e s so ft h i n - w a l l e dt u b e ss t u d yi se x p l a i n e d s e c o n d l y , q u a s i a s i a lc o m p r e s s i o n sw e r ec a r r i e do u t t os t u d yt h ea x i a le n e r g y - a b s o r p t i o nb e h a v i o ro ft h et h i n w a l l e dt u b e s t e s tr e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h es t f f e nw e r e t h ek e yi nt h e i m p r o v e m e n to ft h em e a nc r u s h i n gl o a d sa n dt h ee n e r g y - a b s o r p t i o n p r o p e r t i e s ，t h i n w a l l e dt u b e sw i t hs t i f f e nh a l f s ；t h em a s ss p e c i f i ce n e r g ya b s o r b i n ga b i l i t y o ft h es t r u c t u r ew a si n c r e a s e d ，a n dt h e nt h ee n e r g y a b s o r p t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h e t h i n - w a l l e dt u b e sw a se x a m i n e d ；m e a n w h i l e ，t h ed e f o r m a t i o na n de n e r g y a b s o r p t i o n s u b je c t e dt oi n d u c t i o na n ds p o t sw e l dw e r es t u d i e d ，t e s tr e s u l t ss h o w e dt h a t ：a f t e r i n d u c t i o na d d i n g ，t h ed e f o r m a t i o no ft h et h i n w a l l e db e c a m er e g u l a r , t h em e a nc r u s h i n g l o a d sw e r ea l m o s tt h es a m e ，t h ee n e r g y a b s o r p t i o nc a p a c i t yc o u l db ei m p r o v e d ；a f t e rt h e s p o t sa g g r e m e n tc h a n g e d ，t h ed e f o r m a t i o no ft h et h i n w a l l e dt u b e sb e c o m em o r er e g u l a r t h i r d l y , f i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls t u d i e sw e r ep e r f o r m e do nt h eq u a s i - s t a t i ca x i a l c r u s h i n gc a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dg o o da g r e e m e n t sw i t ht h et e s tr e s u l t s d e f o r m a t i o n s a n dt h ee n e r g y - a b s o r p t i o nm e t h o do fd i f f e r e n tk i n d so ft h et h i n - w a l l e dt u b e sw e r e s t u d i e db yf i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a l ，i no r d e rt od e a lw i t ht h eg l o b a li n s t a b i l i t y , t h ee f f e c t s o fi n d u c a t i o na n ds o p tw e l da r r a n g e m e n to ne n e r g y a b s o r p t i o nw e r ea l s os t u d i e db y f i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a lm e t h o d ，t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sa l s os h o w e dg o o da g r e e m e n t s w i t ht h et e s tr e s u l t s f i n a l l y , b a s e do nt h et e s tr e s u l t s ，t h e o r e t i c a lm o d e l sw e r ec r e a t e dt op r e d i tt h e t t a b s t r a c t e n e r g y - a b s o r p t i o nb e h a v i o ro ft h et h i n - - w a l l e dt u b e sa c c o r d i n gt os u p e r f o l d i n ge l e m e n t t h e o r y t h em e a nc r u s h i n gl o a d sa n dt h ed e f o r m a t i o nm o d e so ft h i n - w a l l e dt u b e su n d e r a x i a lq u a s i s t a t i cc r u s h i n ga n di n p a c tw e r ep r e d i c t e dr e a s o n a b l yc o m p a r e dw i t ht e s t r e s u l t s t h ed e s i g nm e t h o d sa n dt h et h e o r e t i c a la n a l y s e sp r e s e n t e di n t h i sa r t i c l ea r e s i g n i f i c a n ti nt h ed e s i g no ft h ev e h i c l eb o d ya n do t h e re n e r g y a b s o r b i n gs t r u c t u r e s k e yw o r d s ：s t i f f e nh a l lt h i n w a l l e dt u b e s ，e x p l i c i tf i n i t ee l e m e n t ，a x i a lc o m p r e s s i o n ， e n e r g y a b s o r b i n gb e h a v i o r n l 学位论文版权使用授权书 本入完全了解北京信息科技大学关于收集、保存、使用学位论文的 规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子 版本；学校有权保存学位论文的e i j 届l j 本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本 学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向中国科学技 术信息研究所等国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在 不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用 于学术活动。 学位论文作者签名：留戳 2 嗣年1 2 月7 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用本 授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文题目为冲压筋薄壁管轴向吸能特性 研究学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。 尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包 含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 作者签字：留儇寰 2 0 0 8 年1 2 月8 日i - - - - 4_l _ ，jv 第l 章0 i 高 第1 章引言 1 1 汽车的安全性概述 安全、节能、环保已经成为汽车工业的三大焦点，并且得到了有关政府部门的 高度重视。 近年来，由于各种交通运输工具的碰撞事件呈逐年上升趋势，如汽车碰撞、载 人航天飞船的撞击问题、轮船的撞击等均要求结构具有良好的碰撞吸能特性，因此 各行业对其运输工具结构的耐撞性提出了更高的要求。由于汽车数量庞大，其安全 性的研究更有着重要的现实意义。下面简要介绍一下汽车的安全性。 汽车的安全性研究有两大分支：一是汽车的主动安全性研究，另一个是被动安 全性研究。其中，主动安全性是指汽车避免发生意外事故的能力，通过汽车自身的 电控及结构特性主动逃避危险，或在驾驶员采取相应的避险措施时车辆能够保持最 佳的行驶状态，完全逃避碰撞危险或将危险程度降为最低i h 】；被动安全性是指汽车 发生交通事故后，车体及约束系统能够对车内乘员或车外行人进行保护，避免发生 严重伤害或使伤害程度尽可能降低。由于汽车被动安全总是与广义的汽车碰撞事故 联系在一起，故又称为“汽车碰撞安全性”。 汽车碰撞安全性问题是伴随汽车的诞生而产生的。早期由于车速较低，车辆相 对较少，汽车碰撞安全性问题未引起人们的重视，但随着汽车保有量的增加，加之 车速的大大提高，汽车道路交通事故逐年上升，汽车安全问题己成为全球范围内的 一大公害。据不完全统计，自有汽车以来全世界死于道路交通事故的人数约3 6 0 0 多万人，比第二次世界大战死亡的人数还多，造成的经济损失也十分的巨大1 5 】。以 美国为例，2 0 0 3 年因汽车交通事故死亡的人数达4 2 6 4 3 入，约占各种事故造成的死 亡人数总数的一半1 6 j 。 近年来，我国的交通事故随着汽车保有量的增加而逐年递增，基本呈现了震荡 上升趋势，尤其是上世纪9 0 年代增长速度明显加快【7 1 ，图1 1 和表1 1 【8 】【9 】为 1 9 9 5 2 0 0 5 年全国道路交通事故、道路交通死亡人数、道路交通受伤人数及直接经 济损失情况，从图1 1 中可以看出，十年的时间，我国道路交通伤亡人数为数百万 之多，造成的损失十分惨痛。 第l 章r j i 吉 8 0 7 0 6 0 2 0 0 0 年份 图1 1 我国道路交通情况 表1 1 我国道路交通情况 虽然我国的汽车保有量分别只占美国、日本的1 6 和1 2 0 ，但交通事故的死亡 率却是它们的数倍，如表1 2 所示，这说明我国的道路安全亟待提高。 表1 2 死亡人数与事故数之比 由于各国所处道路环境和自身技术条件不同，交通事故呈现出的事故形态特点 2 o 0 o 0 0 帅 加 仲 r一曙籍五舔 第1 章引言 也不同，但与话方发达国家相比，我国的交通事故发生率、单位公阜死亡人数等数 据均比他们高出了一个数量级，汽车安全水平甚至落后于许多发展中国家。由此可 见，汽车交通事故己成为当今威胁、危害我国人民生命的一大公害，它已经成为阻 碍我困交通运输业和汽车工业健康发展的因素之一，因此对汽车的安全性研究迫在 眉睫。 1 2 汽车耐撞性的研究现状和进展 无论是交通运输业还是航空航天，对其运载体的耐撞性设计都有一定要求。在 结构耐撞性研究的早期阶段，一般是通过模型试验来研究结构的动、静力学特性。 随着汽车被动安全性研究的逐步深入和车身轻量化要求的不断提高，车身碰撞吸能 件的大变形力学行为愈来愈受到重视，结构耐撞性方面的研究也逐步开展起来。 早期较著名的有a l e x a n d e r 对圆管轴向碰撞性能的研究1 1 0 , i ij 及p u g s l e y 和 m a c a u l a y 对列车车厢耐撞性研究；1 9 6 0 年，a l e x a n d e r 首先建立了预报金属圆管发 生轴向渐进叠缩变形吸能的理论模型，在薄壁结构力学模型简化方面作出了突出的 贡献，为结构抗撞性领域的研究奠定了理论基础；之后，a i h a s s a n i 和j o h n s o n 等【1 2 j 4 】 众多学者针对这一问题进行了深入研究，w i e r z b i c k i 和a b r 锄o w i c z 【1 5 r 7 j 在a l e x a n d e r 研究的基础上建立了超叠缩单元模型，分析了折叠凸角的变形机制，并推导了求解 平均压溃力等耐撞性参数的简单表达式；随后，a y a t l8 1 ，m a g e e l l 9 l 以及m a h m o o d l 2 0 】 等人在设计中对车体结构发生压溃变形时的能量吸收特性进行了分析；这期间， 勋m a l l 2 1 1 ，h e r r i d g e 2 2 1 ，m e l o s h 冽以及n i 【2 4 】等人也相继将计算机模拟技术引入到耐 撞性问题的设计中来。 计算机软硬件设备和有限元技术的不断发展和完善使结构的耐撞性设计翻丌 了崭新的一页。1 9 7 5 年，b e l y t s c h k o i 2 5 j 首次采用壳单元和非线性显式有限元积分技 术对车体碰撞特性进行了模拟分析；1 9 8 4 1 9 8 6 年期间，b e n s o n 和h a l l q u i s t l 2 6 】首次 完成了整车碰撞的显式有限元分析。从上世纪9 0 年代中后期开始，显式有限元模 拟技术的广泛应用，尤其是大量商业有限元软件的不断开发，例如：l s d y n a ， p a m c r a s h ，r a d i o s s ，a b a q u s 等，促进了人们对结构耐撞性的研究1 2 7 - 3 0 j 。 目前，汽车抗撞性研究的试验方法主要有台架试验、模拟碰撞试验和实车碰撞 试验三种，前二种试验方法基本上都是以实车试验的结果为基础确定其实验条件， 适合于评价零部件组成的安全系统，试验费用较低，试验稳定性好。台架试验包括 台架冲击试验及静强度试验。台架冲击试验用于评价零部件冲击能量吸收性能；静 强度试验主要用于评价对速度不敏感部件的安全性能，可作为动态试验的补充。模 拟碰撞试验是指模拟实车碰撞的试验，主要是模拟实车碰撞的减速度波形，以进行 3 第l 章引夸 乘员保护装置的性能评价和零部件的耐撞性试验。相比前面二种方法，实车碰撞试 验费用非常昂贵，但它与事故的情况最接近，是综合评价车辆安全性能的最基本方 法，其试验结果说服力最强。本文对冲压筋薄壁管的研究采用台架试验和模拟碰撞 试验相结合的方法，这样不仅可以缩短试验周期，大幅降低试验费用，同时还保证 了试验的稳定性。 1 3当前国内耐撞性研究的现状 汽车发生碰撞事故时，其碰撞形式多种多样，归纳起来大致可分为3 种形式： 正面碰撞、侧面碰撞及后面碰撞，另外还有车撞行人与翻车等。根据资料( 见图1 2 ) 可知，在所有碰撞事故中，汽车发生正面碰撞( 包括斜碰) 的概率在4 0 左右1 3 1 1 。 l1 。 1 2 蹶 7 7 帆 6 帆 置l y e , , ，。 1，l b 瞒 ijl 广日、 l 。、吣簪【年vl fff 7 o 7 眠t i 眠 一1 2 隔 气 6 。慨 图1 2 所有事故的分布概率 随着科学技术的发展，汽车主动安全技术虽然在交通安全中起着越来越重要的 作用，但尽管如此，仍然不可避免地会发生意外情况，此时，汽车的耐撞性技术将 是避免乘员受伤或死亡的唯一保障。因此，对汽车的耐撞性研究具有重要的社会和 现实意义。 由于耐撞性技术在被动安全中所占有的重要地位，国内外对此都投入了大量的 人力和财力来进行研究，但国外要远早于国内，他们对正面碰撞的研究已经相当深 入，并在此方面进行了大量的试验和模拟，积累了大量的参数化模型，在产品丌发 阶段就可以直接进行指导安全设计。但是外国文献大多都是仅限于方法和成果的简 略介绍，很少提供量化的具体的参数。目f j 在国内，基于显式有限元程序如 l s d y n a ，p a m c r a s h 等，许多高校和科研机构已经开始对车辆被动安全性进 行研究，许多学者研究了车身主要吸能结构的吸能特性和碰撞作用力1 3 2 舢】；其中， 湖南大学的钟志华等人较早地丌始了碰撞仿真和优化设计方面的研究，并且获得了 一定的成果【4 2 4 7 1 。他们分析了汽车碰撞过程中的摩擦力【4 8 】；对碰撞过程中的车身前 纵梁的力学特性进行了优化设计1 4 9 j ；对吸能部件和缓冲吸能装置进行了改进等 4 第1 苹弓i 苦 5 0 5 。清华大学的王青春等【5 2 j 进行了泡沫铝填充帽型结构( 由钢材制成) 的准静态轴 向压缩试验，研究了其在轴向准静态压缩下的吸能特性；随后，王青春等1 53 l 对泡沫 锚填充的帽型薄壁梁进行了轴向冲击试验，研究了其在轴向冲击工况下的吸能特 性。虽然幽内许多学者已经取得很大进展，但由于国内碰撞研究起步较晚，不论试 验还是模拟相对国外都还不是很成熟，尤其是对试验、模拟计算和理论分析进行系 统研究方面的工作很少，所以本文的研究是对这一方面的补充。 1 4 薄壁吸能结构的研究现状和进展 薄壁金属管作为一种低成本、高吸能的构件，广泛应用于汽车、轮船和飞机等 几乎所有交通工具的碰撞动能耗散系统中。金属薄壁管主要是通过塑性变形来耗散 车辆碰撞中的冲击动能；而且，薄壁金属管轴向变形所储存的能量大约要比横向高 一个数量级1 5 4 】，因此研究薄壁管在轴向载荷作用下的动态吸能特性是结构耐撞性领 域的重要课题。从上世纪6 0 年代以来，国外学者通过试验研究、数值模拟和理论 分析等技术手段，对轴向载荷作用下的典型薄壁构件的动、静力学特性进行了广泛 研列1 1 - 1 5 , 1 7 】；随着车身抗撞性研究的不断深入，从2 0 世纪9 0 年代木起，金属薄壁 构件轴向压缩吸能这一典型问题再次引起了国内外学者的兴趣和关注1 2 9 , 3 0 , 5 5 j 6 ，5 5 9 1 。 从塑性铰的变形机理和吸能特性等方面考虑，可将轴向载荷作用下的薄壁金属 管构件的变形模式分为三类：( 1 ) 渐进叠缩变形模式，又称“折叠式”变形，塑性 铰从结构一端有序地逐一形成，是吸能结构的最佳变形模式；( 2 ) e u l e r 变形模式， 其初始变形受横向弯曲变形的控制，第一个塑性铰一般发生在构件中部，随后产生 大的横向位移，是一种吸能效率很低的变形模式，进行耐撞性设计时应尽量避免吸 能件发生这种变形；( 3 ) 混合变形模式，其主要特点是变形初始阶段发生渐进叠缩 变形，形成一个或多个塑性铰，随后转变为e u l e r 变形，是一种发生概率较高的变 形模式1 5 4 j 。控制叠缩和非叠缩变形模式的结构设计参数的差别很小，除了截面形式 和尺寸参数对薄壁金属件的变形模式有影响外，碰撞速度、冲击质量、材料特性等 也是主要的影响因素。l j 和r e i d l 6 0 j 以及a b r a m o w i c z l 6 1j 的研究表明材料特性对薄壁 件轴向变形的影响不可忽视；k a r a g i o z o v a 和j o n e s l 6 2 j 基于应力波的扩散原理，研究 了薄壁管在轴向冲击载荷作用下的变形模式，发现方管发生动态渐进叠缩变形的概 率比圆管高，并认为主要是因为应力波在不同形状结构中的扩散方式不同所引起 的。由于影响薄壁吸能结构轴向变形模式的因素复杂，大多数研究者采用试验或数 值模拟的手段进行研究，目前，将试验、数值模拟和理论分析融为一体的还比较少。 在薄壁构件的耐撞性试验研究和数值模拟方面，文献中研究最多的是传统的圆形、 矩形和正方形截面的薄壁构件。a n g h i l e r i 和c h i r w a 等人1 6 3 j 对圆形截面复合材料薄 5 第1 章引言 壁构件进行了耐撞性研究；h a n 和y a m a z a k i 等人畔j 对圆形截面薄壁铝罐进行了数 值模拟，并采用了三角形壳单元进行网格划分，来研究铝罐的叠缩变形和耐撞性； y a m a z a k i 和h a n 2 9 , 5 6 】对一系列的圆形截面薄壁铝管进行了耐撞性数值模拟，同时还 进行了轴向冲击载荷作用下的铝管的试验分析，以验证数值结果的可靠性； y a m a z a k i 和h a n l l 9j 较早地将结构优化技术用于f 方形截面吸能管的耐撞性优化，并 与圆形截面薄壁构件的吸能特性进行了对比研究；k i m 和m i j a r 等人1 6 5 】也曾对正方 形截面薄壁构件进行了耐撞性研究；y a m a s h i t a 和g o t o h i 删对蜂窝结构的撞击性能进 行了数值模拟和试验研究；c h o 和b a e 等人1 67 l 对矩形截面凹槽型和孔洞型的前梁装 置进行了耐撞性研究，并分析了该装詈的厚度与宽度的比值对其耐撞性的影响； n a g e l 和t h a m b i r a t n a m l 6 8 一o 】对矩形截面的锥形薄壁管进行了静力学和动力学方面的 数值模拟和吸能特性的研究。 在国内，近年来关于传统的矩形和圆形截面薄壁构件耐撞性的研究也很多。吴 阳年和姜平等人【3 6 l 对典型截面铝和a 3 钢薄壁杆件受轴向冲击载荷作用下的耐撞性 能进行了数值模拟和试验研究；钱立军和杨士钦等人【7 1j 对具有方孔、圆孔诱导结构 的薄壁杆件受轴向冲击载荷作用下的耐撞性能进行了数值模拟，并进行了以上结构 的轴向碰撞试验研究；雷雨成和严斌等人【_ 7 2 j 对车辆典型薄壁梁碰撞仿真中的接触摩 擦问题进行了研究，并给出了如何选取接触摩擦系数的建议；与此同时，刘金朝和 王成国等人【7 3 】利用有限元软件分析了钢和铝合金薄壁圆柱在轴向冲击力作用下的 动力学响应，讨论了不同质量、不同碰撞速度和不同边界条件对平均作用力、塑性 铰的形状和个数的影响；范兵和严斌等人1 7 4 j 对薄壁梁碰撞仿真中的时间步长问题进 行了研究；贾宇和肖守讷【7 5 】对矩形、正方形、圆形和六边形截面的薄壁构件进行了 有限元模拟；周宇和雷正保等人l _ 陋l 研究了汽车普通直梁的变形方式和吸能特点，针 对其在碰撞过程中的加速度曲线，依据预变形理论，对薄壁直梁进行了改进；刘中 华和程秀生等人【7 7 】针对汽车碰撞中的乘员安全性，对碰撞的主要薄壁吸能构件的变 形方式和特点进行了研究；郝琪和吴胜军1 7 8 j 利用a n s y s l s d y n a 的非线性显式 有限元技术对帽形、矩形、圆形和槽框形车用薄壁构件进行了正面碰撞仿真，根据 所得的变形模式、冲击力和速度等一系列特性参数，分析了其吸能规律，并比较了 不同构件耐撞性能的优劣。 综上所述，国内外学者对薄壁构件耐撞性能的研究，主要集中于传统的方形、 矩形和圆形截面的构件，而很少对特殊截面的薄壁吸能元件进行耐撞性设计和研 究。 6 第1 章引言 1 5冲压筋薄壁管吸能特性研究的意义 汽车外形的设计以及材料的选用其中最重要的一个目的就是为了保护乘员的 人身安全，在分析汽车j 下而碰撞下车身自订部撞压变形特性和吸能特性对乘员伤害评 价指标的影响时，首先要对车体前部各个吸能部件撞压变形和吸能特性进行系统的 研究。汽车车身前部的变形不是单一某个部件变形的结果，而是各个吸能部件在压 缩变形中相互联结，相互作用的一个结果。在研究的初始阶段，可以先对关键部件 的变形和吸能特性进行基础性研究，分析它们在整车碰撞中的作用和对乘员损伤指 标的影响，总结出关键件的变形吸能参数化设计经验。在此基础上再研究车身前部 其他部件的吸能和变形特性及其对整车吸能和变形特性的影响，分析各部件的相互 联结方式、吸能和变形的分配方式，然后就可以建立起整个车身前部变形和吸能与 乘员响应间的参数化相关模型，通过控制车身前部各个关键吸能件的参数，就可以 达到控制整个车身变形和吸能特性的目的，最后再结合约束系统，设计出对乘员各 伤害部位伤害程度最低的安全车身。 良好的吸能装置要求碰撞动能应尽可能不可逆地转换为变形能，因此，在设 计吸能装置时，选材上应主要考虑薄壁的金属构件，因为金属薄壁构件在受到撞击 载荷的作用时，其破坏模式稳定，且能以可控制的方式通过本身的塑性变形( 塑性 弯曲、塑性扭曲、塑性屈曲等) 来吸收和消耗能量1 7 引，并产生一定的压溃行程，从 而达到吸收车辆的动能，降低车辆减速度的目的；同时，金属薄壁构件作为最传统、 最有效的缓冲吸能装置，已经在车身吸能体系的设计中得到了最广泛的应用。薄壁 金属构件的吸能特性除与结构的材料特性有关外，还与横截面形状、壁厚等几何参 数密切相关，因此，对金属薄壁构件的抗撞性设计己成为车身抗撞性研究的重要环 节。 车辆在受到撞击时，主要靠端部底架结构的大变形来缓和冲击并吸收撞击过程 中产生的冲击动能，因此端部底架结构上的薄壁构件的吸能特性和变形模式将决定 着车体在撞击时的响应。薄壁构件既是吸收汽车前部纵向碰撞能量的主要结构，又 是控制碰撞能量在汽车中的分布情况的主要装置。据研究，在正碰时良好的汽车自 纵梁设计使吸收的能量占总吸收能量的5 0 以上1 8 ，是最重要的吸能元件，而薄壁 金属构件又是前纵梁中主要的吸能元件，所以加强对薄壁吸能管的变形和吸能特性 的研究是建立整个车身变形和吸能特性与乘员保护之间的相关性模型的基础。 对于车辆来说，薄壁帽型结构的变形及其失效状态与汽车前纵梁的极其相似， 因此可以首先对薄壁帽型结构进行研究，随后对冲压筋薄壁管进行研究，从而推算 前纵梁的变形与吸能特性，其结果可用于前纵梁的安全设计，同时这也是建立整个 车身变形和吸能特性参数化模型首要的一步。 对于薄壁帽型结构的研究，在国外同类研究报道很多，他们通过各种典型结构 7 第l 章0 i 苦 件的计算和试验研究，积累了大量的碰撞计算模式和相应的计算参数。研究的材料 也是多种多样，从一般的碳钢材料到高强度钢、铝合金、金属泡沫材料、复合材料 等等，但对于本文中所研究的冲压筋薄壁吸能管的报道及相关的具体数据和适用参 数相对比较少，个别研究也仅限于介绍性质的，在国内对冲压筋的研究也仅限于单 一建模或个别吸能参数的研究，这方面还没有积累起相关的具体数据和参数经验， 与整车的碰撞、乘员的响应综合起来进行的研究也还处于探讨阶段。所以本文对冲 压筋薄壁管的变形和吸能特性进行研究是非常有意义的。 1 6 本论文研究的主要研究工作 本文采用试验研究、有限元模拟和理论分析相结合的方法对冲压筋薄壁管件轴 向压缩吸能特性进行系统的研究。首先，对空心单、双帽冲压筋薄壁管件进行轴向 准静态压缩试验；然后进行有限元模拟计算，并将模拟计算的结果与试验结果进行 比较；最后，在试验结果和有限元模拟计算的基础上，建立相应的理论分析模型， 来预报冲压筋薄壁管在轴向准静态压缩工况下的平均压溃力。本文共五章，具体安 排如下： 论文第1 章介绍了汽车安全性研究的重要性，综述了汽车耐撞性问题的国内外 研究现状，总结了国内外对薄壁吸能结构耐撞性的研究成果，基于传统的薄壁吸能 元件，讲述了冲压筋薄壁管的研究意义。 在论文的第2 章，首先分别对单、双帽冲压筋薄壁管进行轴向准静态压缩试验， 研究了该类型管件的轴向吸能机理和规律。随后将部分试件添加引导槽，进行轴向 压缩工况下冲压筋薄壁管有无引导槽的对比试验，同时对改变焊点布局的冲压筋薄 壁管试件进行轴向压缩试验，分析引导槽和焊点布局对冲压筋薄壁管吸能特性的影 响。 论文的第3 章，对空心帽型冲压筋薄壁管件进行有限元建模和模拟计算，通过 模拟，得到较为详细的变形和吸能过程，通过模拟和试验结果的对比，发现冲压筋 薄壁管( 尤其是双帽) 在轴向压缩时稳定性较差，为此本章进行了冲压筋薄壁管引 导槽和焊点布局轴向压缩工况下的有限元模拟计算，并对模拟结果进行分析。 论文的第4 章，在第2 章试验结果和第3 章模拟计算的基础上，根据w h i t e 等 【8 1 】【8 2 】对空心单、双帽截面管在准静态压缩下吸能特性的理论研究成果，建立了空心 单、双帽冲压筋薄壁管件的理论分析模型。该模型能较准确的预报空心冲压筋薄壁 管件轴向压缩工况下的平均压溃力和变形模式的改变。 论文第5 章对本文的工作进行了总结，并对以后的工作进行了展望。 8 第2 章冲k 筋薄壁管轴阳吸能特性的试验研究 第2 章冲压筋薄壁管轴向吸能特性的试验 研究 对帽型薄壁结构轴向吸能特性的试验研究主要有二种方法：一种是准静态压缩 试验；第二种是冲击试验。 目前，国内外对冲压筋薄壁管吸能特性的研究相对较少，对冲压筋薄壁管轴向 压缩的试验结果还无法预测，因此，为使试验过程可控，减少试件的损失，本章采 用第一种试验方法来研究冲压筋薄壁管件的轴向吸能特性。首先，对试验试件进行 准备：记录试验前所有试件的实际尺寸和实际重量，对同种类型试件进行焊接( 本 文采用二种焊点布局进行焊接) ；随后，将所有试件进行编号，选择部分试件加工 引导槽；最后，通过空心冲压筋薄壁管件的轴向准静态压缩试验，分析空心冲压筋 薄壁管的变形、压溃方式和吸能特性。 2 1 试件的准备 如图2 1 所示为普通薄壁帽型截面管，它们的横截面形状如图2 2 所示，其截 面边长a = b = 5 0 m m ，壁厚t = 1 o m m ，法兰边宽度f = 1 5 m m ，过渡圆角r l = 6 r a m ，r 2 = 4 m m ， 试件长度z = 2 0 0m m 。制造试件的材料为低碳钢，其屈服应力通过第3 章的拉伸试 验来确定。 图2 1 单帽截面管( 左) 和双帽截面管( 右) 示意图 9 第2 章冲骶筋薄壁管轴向吸能特件的试验研究 6 t 口 卜叫 人 r ： 厂1 焊点 一j i 、1- t ( a ) 单帽截面管( b ) 舣帽截面管 图2 2 帽型截面管横截面示意图 冲压筋薄壁管件是对普通帽型截面管的改进，它和普通帽型结构的长度都为 2 0 0 m m ，但其截面形状与普通帽型截面形状有一定的差异，如图2 - 3 所示为单帽冲 压筋薄壁截面管示意图，图2 3 a 中的筋在帽上沿，图2 3 b 中的筋在盖板上；图2 4 为双帽冲压筋薄壁截面管示意图。 r 、 广1 k 。 jit ( a ) 单帽1 条筋( 上)( b ) 单帽1 条筋( 下) 图2 3 单帽冲压筋薄壁截面管示意图 ( a ) 双帽1 条筋( b ) 双帽2 条筋 图2 4 双帽冲压筋薄壁截面管示意图 图2 3 图2 4 中所有冲压筋具有同样尺寸的深度和宽度，其深度为d = 5 m m ， 1 0 址2 十：十k 躺斗壁苷# 向能特性的试畦宄 宽度为l = 1 0 m m ，其它尺寸同图2 2 中。 研究表明i s - q l “】，山十焊点的布局和是沓丌裂对结构的变形以及吸能特性有 着根大的影响，冈此为减少焊山的影响，扯制造加工冲压筋薄壁管件刚所有试件 焊 “j 采用的距离均为2 m m ，焊 的中心都分自1 1 ：法兰边中线i ：，焊点的直径为 7 m m 左右，如图2 5 所不。 2 0 0 r a m 幽25 薄壁啵能管埠点布局 在对试什进行点焊时选用试验设备为上海凯尔达有限公司的脚踏式d n 1 6 点埠帆，试验电流9 档可调( 1 - 9 a ) ，进行焊接时整个过程选用6 a ，时控时i f o , y , j6 s ， 幽2 6 为试验设蔷图，图2 7 为试验焊接图。 纠26 卟一1 6 脚踏式点焊机幽2 7b 骏焊接幽 l i 十本文巾研究的 蟑壁吸能符的类型较多，所以为便于区分不同管什的吸能效 果，将管件进 f 编号，规则如图2 8 所示，其中： ( 1 ) 第0 位表示薄壁管舶横截而形状，“d ”表示双帽，“s ”表示单帽： ( 2 ) 第0 忸代表有尤冲压筋，0 、“i j ”和“2 ”分别表示没有、有1 条 冲压筋( 在帽上) 、有l 条冲压筋( 在盏板上) 和2 条冲压筋： ( 3 ) 第0 位表示薄壁粱的厚度，1 0 表示薄壁粱的厚度为1 0 r a m ； ( 4 ) 第固位为相同配置试件的序号； d11 0l 1111 幽28 薄肇吸能截面管试引编号规则 轴向准静态压缩试验前韵部分薄壁管试件如图2 9 所示。其巾29 a 为末焊接l j i 的单般帽薄壁试件，图2 9 b 为焊接后的试件。表2 1 为本文中所有试件的类型以及 各类试件的平均长度、厚度和质量。由于本文中具有1 条冲压筋的单帽薄壁管有2 种，因此为区分它们用s 1 、s 2 分别代替单帽冲压筋薄壁管( 筋在帽上) 和单帽 冲压筋薄壁管( 筋在盖板上) 。 ( a ) 未点焊前的试件 ( b ) 点焊后的试什 圈29 轴向准静态压缩前的部分薄懿管试什 袅2 1 试件类型 试件型号 名称 平均长度( r a m ) 平均厚度( 衄) 平均质量( 驴 s o l s单帽无筋 2 0 0 2 81 0 23 4 15 s 1 地s s 12 0 0 1 41 _ 0 33 5 9 4 s l l 尘s s 22 0 0 1 410 1 3 6 26 d 0 l 尘d 双帽无筋 1 9 9 9 81 0 43 3 09 d 1 地d双帽i 筋 2 0 0 5 11 0 2 3 4 8 1 d2 地d双帽2 筋 2 0 0 8 41 0 5 3 6 37 1 2 讹2 筋薄管轴向能柑件的试验究 2 2 轴向准静态压缩试验 冲压筋薄壁管什轴向准静态潮试骗所使用的设备为 。每h u a l o n g 测试仪 器有限公司的a u t o c t s 5 0 0 个数字多通道闭环测控系统的w d w 试验机，如图2 1 0 所不。试验时，冲压筋薄壁管件白l 【地破霄在压头和一。作台之n 三头沿轴向加载 的速度为3 r a m r a i n 试验数据的采样频率为1 h z 。 战 i 茎i21 0a u t o c y s - 5 0 0 全数字多通道口】环测控系统 对图21 0 中的压缩机进行调试，同时把试验叶 所需的器材准备好，随后将各种 类型试什逐一进行轴向准静态压缩试验，试验得到单、双帽薄壁管的压缩变形如图 2 1 1 和2 1 2 所示。从图中可以看出，单、双帽溥壁管在出现蒴一个皱裙时变形都是 往鹏凹陷，法些边同时“h 着弯曲，第一个裙皱被压实后卅出现第一个凹陷，下图中 显示都为临近第个褶皱的 f 【f 分出现变形，但实际上裙皱的形成是随机的，因为褶 皱出现的地方是薄壁管强度屉弱的部分；试验观察还发现单帽薄壁管变形过程中末 出现失稳现象而双帽薄壁管很快出现了失稳晰且单帽薄壁管出现的捃皱更加明 显而且褶皱数明显多于双帽薄壁管的。 i j l l 辩2 t 冲i t 彻 * 壁* 轴向特件试n w “ 基 翻 耳弱 弱s o l o 爿繇 闸嗣 d圆甲1 q 吐l i 埘21 1 单帽薄壁管压缩变形过捌幽 幽21 2 烈帽薄壁管压缩变形过程幽 第2 # 冲i 筋博壁管轴f 4 m e 特性的试研究 试验完成后得到所有试件的压缩变形如图21 3 所示 幽21 3 试什轴向压缩变形 r i 于试件种类较多，实验后将试件按照单、双帽分成二组，如图2 1 4 所示。图 2 1 4 a 为单帽薄壁管，摆放顺序从占：到右依次是单帽无筋薄壁管、s 2 、s 1 ；图21 4 b 为取帽薄壁管从左到右依次是完全失稳的普通双帽薄壁管和部分失稳的普通双帽 薄壁管、具有1 条冲压筋的双帽薄壁管、具有2 条冲压筋的双帽薄壁管。