蜂窝夹芯薄壁梁碰撞性能仿真

金万增，陈宗明

（广州汽车集团股份有限公司 汽车工程研究院，广东 广州 511434）

薄壁梁压溃吸能是目前汽车吸能设计的主要手段，如何进一步提升薄壁梁结构的碰撞性能是碰撞安全领域的研究热点。

夹芯结构作为轻质多胞复合结构，具有较高的压缩空间、比刚度、比强度，可以有效改善薄壁梁的碰撞性能。ZAREI针对蜂窝夹芯方形薄壁梁面外压缩工况，研究了比吸能和载荷效率。SAEED开展蜂窝夹芯圆柱薄壁梁轴向压缩性能多目标优化和敏感度分析研究。ZAREI发现蜂窝夹芯圆柱薄壁梁吸能特性优于方形薄壁梁。林青霄开展蜂窝夹芯薄壁梁结构耐撞性优化设计研究，通过梯度填充方法提升碰撞性能。张勇研究了不同胞元拓扑结构的蜂窝夹芯薄壁梁的吸能特性，其中交错排布三角形蜂窝夹芯薄壁结构的动态力学性能最优。罗昌杰基于TRESCA 屈服准则建立了蜂窝材料在异面压缩载荷下的平均压缩应力理论模型。目前，针对蜂窝夹芯薄壁梁碰撞性能的参数研究较少。

本论文建立了渐进损伤模型模拟蜂窝夹芯薄壁梁的碰撞性能。基于该模型，研究薄壁梁壁厚、截面宽度、碰撞角度对蜂窝夹芯薄壁梁吸能特性的影响规律，为蜂窝夹芯薄壁梁结构设计和工程应用提供参考。

1 蜂窝夹芯薄壁梁损伤模型

1.1 蜂窝芯材损伤

1.1.1 材料本构关系

蜂窝芯材具有明显的各向异性特性，其含损伤的本构关系为

式中，σ为正应力；σ为剪切应力；ε为正应变；ε为剪切应变；C为刚度系数，其表达式为

式中，E为弹性模量；G为剪切模量；v为泊松比；d为刚度退化因子。

1.1.2 损伤起始准则

采用BESANT准则作为蜂窝芯材的失效准则：

式中，为正应力；、为剪切应力；、分别为蜂窝芯材剪切强度；为蜂窝芯材面外强度。

1.1.3 刚度退化模型

本文采用参考文献[11]提出的刚度退化模型描述蜂窝芯材损伤后刚度折减规律，退化因子如表1所示。

表1 蜂窝芯材刚度退化因子

1.2 胶层渐进损伤

1.2.1 本构关系

胶层采用ABAQUS基于表面的粘性接触方法模拟，其本构关系为

式中，σ为正应力；σ和σ为剪切应力；K为法向黏性刚度；K和K为切向黏性刚度；ε为正应变；ε和ε为剪切应变。

1.2.2 损伤起始准则

胶层损伤起始采用二次名义应力失效准则：

1.2.3 损伤演化

采用基于能量的B-K准则作为胶层损伤演化准则：

2 有限元模型

2.1 模型描述

如图 1所示，模型由薄壁梁、固定刚性板、活动刚性板组成。薄壁梁一侧与活动刚性板固定连接，活动刚性板附加460 kg 的质量，并以50 km/h的初速度带动薄壁梁撞击完全固定的固定刚性板。基准薄壁梁截面宽度=80 mm，薄壁梁壁厚=2.5 mm，总长度=240 mm，碰撞角度=0°。

图1 有限元模型

本文采用ABAQUS/Explicit 求解器求解。固定刚性板与活动刚性板采用离散刚体单元 R3D4模拟；蜂窝芯材采用等效方法建模，并采用三维八节点实体单元C3D8R模拟；薄壁梁采用三维八节点实体单元C3D8R模拟；胶层采用基于表面的粘性接触方法模拟。胶层失效后，薄壁梁、蜂窝芯材的自接触以及两者之间的互相接触采用通用接触算法定义。

薄壁梁材料为EN AW-7108 T6铝合金，力学性能参数详见参考文献[12]，蜂窝力学性能参数与胶层力学性能参数详见参考文献[13]。

3 碰撞性能参数

3.1 基准薄壁梁碰撞性能

无夹芯薄壁梁与蜂窝夹芯薄壁梁的变形模式分别如图2—图3所示。由于蜂窝芯材与薄壁梁之间的耦合作用，蜂窝夹芯薄壁梁的折叠数量增加，变形模式更加稳定。

图2 无夹芯薄壁梁变形模式

图3 蜂窝夹芯薄壁梁变形模式

图4对比了蜂窝夹芯薄壁梁与无夹芯薄壁梁的碰撞力-位移响应曲线，在经历碰撞力峰值后的平台段，由于蜂窝芯材的支撑作用，蜂窝夹芯薄壁梁的碰撞力明显高于无夹芯薄壁梁，吸能效率更高。

图4 薄壁梁碰撞力-位移曲线

表2对比了无夹芯薄壁梁与蜂窝夹芯薄壁梁的碰撞力峰值、比吸能。蜂窝夹芯薄壁梁的碰撞力峰值增加9.5%，比吸能增加29.7%。

表2 无夹芯薄壁梁与夹芯薄壁梁碰撞性能

3.2 薄壁梁壁厚的影响

在基准模型的基础上，保持其他参数不变，研究薄壁梁壁厚对碰撞性能的影响。如图5—图6所示，蜂窝夹芯薄壁梁的碰撞力峰值、比吸能均高于无夹芯薄壁梁，且随薄壁梁壁厚增加单调增加；但蜂窝夹芯薄壁梁相对于无夹芯薄壁梁的碰撞力峰值增幅总体上随薄壁梁壁厚增加而减小，比吸能增幅随薄壁梁壁厚增加大幅减小。

图5 薄壁梁壁厚对碰撞峰值的影响

图6 薄壁梁壁厚对比吸能的影响

3.3 截面宽度的影响

在基准模型的基础上，保持其他参数不变，研究截面宽度对碰撞性能的影响。如图 7所示，蜂窝夹芯薄壁梁的碰撞力峰值随截面宽度增加单调增加，蜂窝夹芯薄壁梁相对于无夹芯薄壁梁的碰撞力峰值增幅随截面宽度增加而增加，但变化并不明显。如图 8所示，蜂窝夹芯薄壁梁的比吸能均高于无夹芯薄壁梁，且随截面宽度增加单调减小；蜂窝夹芯薄壁梁相对于无夹芯薄壁梁的比吸能增幅随截面宽度增加大幅增加。

图7 截面宽度对碰撞峰值的影响

图8 截面宽度对比吸能的影响

3.4 碰撞角度的影响

在基准模型的基础上，保持其他参数不变，研究碰撞角度对碰撞性能的影响。当碰撞角度增加时，薄壁梁的变形会从溃缩变形向弯曲变形过渡，首次发生弯曲变形的碰撞角度称为临界碰撞角度。蜂窝夹芯薄壁梁的临界碰撞角度为12°，小于无夹芯薄壁梁的临界碰撞角度（17°）。如图9所示，蜂窝夹芯薄壁梁的碰撞力峰值均高于无夹芯薄壁梁，且随碰撞角度增加单调减小。如图10所示，蜂窝夹芯薄壁梁的比吸能随碰撞角度增加单调减小；当碰撞角度小于临界碰撞角度时，蜂窝夹芯薄壁梁比吸能高于无夹芯薄壁梁；当碰撞角度大于临界碰撞角度时，蜂窝夹芯薄壁梁比吸能与无夹芯薄壁梁相当。主要原因是，蜂窝芯材的面外压缩刚度与面外压缩强度远高于面内方向，其吸能特性主要由面外刚度、面外强度决定，当碰撞角度大于临界碰撞角度时，蜂窝芯材随薄壁发生弯曲变形，蜂窝无法通过面内压缩吸能，导致蜂窝夹芯薄壁梁比吸能大幅降低。

图9 碰撞角度对碰撞峰值的影响

图10 碰撞角度对比吸能的影响

4 结论

本文研究了薄壁梁壁厚、截面宽度、碰撞角度对蜂窝夹芯薄壁梁碰撞性能的影响。仿真结果表明：

（1）蜂窝夹芯可以有效提升薄壁梁的碰撞性能。

（2）随着薄壁梁壁厚的增加，蜂窝夹芯薄壁梁的碰撞力峰值、比吸能均增加，但蜂窝夹芯薄壁梁相对于无夹芯薄壁梁的碰撞力峰值增幅、比吸能增幅均减小。

（3）随截面宽度的增加，蜂窝夹芯薄壁梁碰撞力峰值单调增加，其相对于无夹芯薄壁梁碰撞力峰值的增幅也单调增加，但变化并不明显；蜂窝夹芯薄壁梁比吸能单调减小，但其相对于无夹芯薄壁梁比吸能的增幅大幅增加。

（4）蜂窝夹芯薄壁梁弯折临界角小于无夹芯薄壁梁；当碰撞角度小于临界碰撞角度时，蜂窝夹芯薄壁梁比吸能高于无夹芯薄壁梁；当碰撞角度大于临界碰撞角度时，蜂窝夹芯薄壁梁比吸能与无夹芯薄壁梁相当。