TRB波纹管结构参数对碰撞吸能的影响

刘尧庆

摘要：通过实体单元建立TRB波纹管碰撞吸能有限元模型，研究TRB波纹管的薄区厚度、过渡区厚度差、波纹管壁半径和过渡区长度对吸能、比吸能和初始峰值力的影响，通过正交试验设计得到试验方案，数值模拟结果发现，增加薄区厚度和过渡区厚度差能够提高波纹管吸能和比吸能，增加过渡区长度能够降低初始峰值力。

Abstract： Establish a finite element model of TRB bellows collision energy absorption through solid elements， and study the influence of TRB bellows thin zone thickness， transition zone thickness difference， bellows wall radius and transition zone length on energy absorption， specific energy absorption and initial peak force. The experimental plan was obtained through orthogonal experimental design. Numerical simulation results found that increasing the thickness of the thin zone and the thickness difference of the transition zone can increase the energy absorption and specific energy absorption of the bellows， and increasing the length of the transition zone can reduce the initial peak force.

关键词：TRB;碰撞吸能;正交试验设计

Key words： TRB;energy absorption;orthogonal experimental design

中图分类号：U46                                         文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）04-0020-04

0  引言

随着汽车不断地发展，汽车安全性和轻量化得到不断得提升，目前汽车进行轻量化的主要途径：一是采用低密度，高强度的材料，如铝合金;二是采用加工技术的轻量化结构用材，如激光拼焊板（Tailor Welded Blanks，TWB）和轧制差厚板（Tailor Rolled Blanks，TRB）等。TWB板和TRB板在满足相同的强度刚度要求的情况下，避免了材料的浪费，而且由于TRB板没有焊缝的影响，有着比TWB板更好的表面质量和可靠性等优点，目前许多学者对TRB开展了相应的研究工作。张渝[1]等人将TRB结构运用到管弯曲成形，对管结构参数弯曲成形的减薄率，增厚率进行优化，得到更好的TRB管成形。张自强[2]等人对TRB结构的前纵梁进行了动态和静态工况的耐撞性进行了试验与数值模拟的分析，试验与模拟结果相对符合，对多种工况进行SEA和初始峰值力的多目标优化，对实际工况分析具有一定的指导意义。徐涛[3]对差厚吸能盒进行轻量化设计，利用差厚部件采用壳单元，对厚度进行材料属性赋值，最终对质量和吸能进行了优化。LU[4]等人研究连续变截面管在40%和100%的碰撞面积下的吸能分析，优化后管的重量减少了12.9%，吸能性能也有所提高。

上诉研究表明在一定程度上，TRB在汽车应用上有很大的前景。波纹管作为一种特殊结构的管，具有很好的吸能特性，在汽车零件上应用广泛。鉴于此，本文通过对TRB波纹管的结构尺寸参数进行正交试验设计，以碰撞初始峰值力Fmax、吸能值E和比吸能SEA为评价指标，通过ANSYS/LS-DYNA进行数值模拟，分析TRB波纹管的不同结构尺寸对碰撞吸能特性的影响。

1  TRB波纹管结构有限元模型

本文采用U型波纹管，其过渡区的厚度变化呈线性变化。TRB波纹管的结构参数主要有：波纹管直径D，波距H1，波高H2，波纹个数n，波纹管壁半径R，薄区厚度t1，薄区长度L1，过渡区长度L0，厚度差△t，厚区厚度t2，厚区长度L2，总长度L。其TRB波纹管的结构参数如图1所示。

通过ANSYS/LS-DYNA进行有限元模型的建立，由于此模型約束和初始条件完全对称，因此建立二分之一模型，加快模型计算速率，为了更加准确的体现管厚度的变化，波纹管采用六面体实体SOLID164单元[6]，实时体现波纹管厚度变化，两端刚性板采用SHELL163壳单元，本文选用铝合金材料，采用MAT3弹塑性材料模型，其材料属性为，密度2.7kg/m3，弹性模量70GPa，泊松比0.3，屈服强度80MPa，切线模量682MPa，由于铝对应变率影响不大，为了简化问题，忽略应变率对材料的影响，两端刚性板采用MAT20刚体材料模型，上端刚性板施加质量500kg，初始速度10m/s，约束上端刚性板只沿Z方向移动，约束波纹管底部和下端刚性板全部自由度，对波纹管进行对称约束。有限元模型如图2。