基于点阵填充薄壁结构的客车车身骨架耐撞性能分析

石添华

基于点阵填充薄壁结构的客车车身骨架耐撞性能分析

石添华

（厦门金龙旅行车有限公司 福建省新能源汽车企业重点实验室，福建 厦门 361022）

点阵材料由于其优异的力学性能、轻质化以及较强的能量吸收性能，在提升汽车碰撞安全性能等方面具有显著的效果。文章采用试验与仿真的方法对BCC点阵材料在压缩及弯曲工况下力学特性进行深入研究，揭示了其变形机制及能量吸收特性；随后将其应用于客车纵梁与立柱中，揭示了BCC点阵填充薄壁结构在提升整车碰撞安全性能中的优势。

客车车身；点阵填充结构；耐撞性能；有限元分析

在道路交通安全事故中，碰撞是造成人员伤亡的主要事故类型[1]。在公路客运中，客车是目前主要交通工具之一，一旦发生交通事故，极易造成乘员伤亡和经济损失[2]。因此，提高碰撞安全性具有重要意义。

近年来，点阵材料因其高比强度、高比刚度、卓越的能量吸收性能等优势被广泛应用于工程应用领域[3-6]。随着增材制造技术的发展，大量的点阵材料被提出和研究，可以分为以下三种类别：桁架基点阵材料[7]、三周期最小曲面（Triply Periodic Minimal Surface, TPMS）点阵材料[8]和壳基点阵材料[9]。大量的研究工作集中于点阵材料的力学性能，广泛研究了多种点阵材料，如：八面体桁架材料[10]、BCC点阵材料[11]、FCC和OCT点阵材料[12]等，ZHANG等[13]建立了基于刚塑性假设和能量法的理论模型来预测自支撑点阵材料的平台应力；ZHU等[14]研究了余弦函数胞元基点阵材料的压缩性能；SMITH等[15]利用有限元模型成功预测了BCC和BCC- z点阵材料的压缩响应；LI等[16]研究了BCC点阵材料的变形模式和应力-应变演化。随着制备技术的发展，逐渐也有学者开展了点阵材料在车身上的应用研究，SIMPSON等[17]研究了填充点阵和蜂窝吸能盒的耐撞性能；朱普强[18]将点阵材料应用于电动汽车电池箱底部防护结构，提高了电池箱对地面异物的碰撞安全性。

目前文献关于点阵材料的研究集中于力学性能以及新型的拓扑构型，关于点阵材料车身应用的研究不够深入，对于点阵填充车身结构的耐撞性研究也极少。但点阵材料是提高碰撞安全性的重要材料，由此可见，研究点阵材料的车身应用是可行的也是必要的。以传统BCC点阵材料为例，揭示其变形机理与吸能机制，将其填充至客车纵梁及支柱中，仿真分析整车碰撞安全性，是本文的主要研究工作。

1 BCC点阵材料力学特性分析与验证

1.1 BCC点阵材料性能试验

本文所用试样为选择性激光熔融技术制成，根据设计的几何结构参数，利用三维建模软件完成所需试样的三维模型，并将模型导入打印控制软件中，根据打印成型的工艺要求进行切片、加支撑等数据处理，得到模型的各截面数据。将数字化处理后的模型参数导入到打印机中，此时控制系统会根据模型的数据信息和控制指令驱使打印机制备试样。BCC压缩和弯曲试样如图1所示，试样使用316L材料，工艺参数：光斑直径为 0.08 mm、激光功率为200 W、扫描速度为6 m/s。试样详细几何参数如表1所示。

图1 BCC压缩和弯曲试样

表1 试样几何参数

试样直径/mm周期长/mm总长/mm总宽/mm总高/mm质量/g 压缩1.12945454551.14 弯曲0.99198454551.14

1.1.1准静态压缩试验

在室温条件下，利用200 kN标准电子万能试验机（SANS-CMT5205）对BCC压缩试样进行准静态压缩试验，其中所有试样均位于下压盘上表面中心位置，而上压盘以恒定速度2 mm/min进行压缩，直至试样完全密实化。在试验过程中，试验机自动采取载荷-位移数据，数码相机以相同的时间间隔记录每个试样的压缩过程和变形细节。试样变形过程如图2所示。

图2 BCC压缩过程

在压缩过程的初始阶段，BCC点阵材料没有出现明显的变形。随着压缩应变的增大，BCC点阵材料的杆件绕节点产生旋转和弯曲变形，形成一对剪切带。此外，节点区域较高的应力分布导致了材料中心的局部致密化，最终，随着压缩应变的进一步增大，这种局部致密化逐渐转变为整体致密化。

BCC点阵材料准静态压缩试验的应力-应变曲线如图3所示。在线弹性阶段，曲线迅速上升，然后达到相应的初始峰值。随后，曲线进入一段平缓的阶段，说明BCC材料可以提供稳定的承载力，这一阶段对应变形过程中的局部密实化从中心向四周扩展的过程。最终，密实化扩展至整体，应力迅速上升。表2为BCC材料的力学性能指标，从整个压缩过程以及数据来看，BCC材料具有一定的能量吸收能力。

图3 BCC准静态压缩应力-应变曲线

表2 BCC材料力学性能指标

试样EA/(J·cm-3)SEA/(J·g-1)平台应力/MPa密实应变 BCC1.372.692.170.65

1.1.2三点弯曲试验

在室温条件下，利用200 kN标准电子万能试验机（SANS-CMT5205）对BCC弯曲试样进行了三点弯曲试验，其中，加载速度为2 mm/min，跨距为120 mm。在试验过程中，试验机自动采取载荷-位移数据，数码相机以相同的时间间隔记录每个试样的弯曲过程和变形细节。试样变形过程如图4所示。

图4 BCC弯曲过程

由图4可知，在弯曲初始阶段，BCC胞元并无明显变形，如图4中②所示。随着位移的增大，试样上下端开始发生两种不同的变形，如图4中④所示，上端为压缩变形，下端为弯曲变形。随后，当下端胞元拉伸至极致，试样在压头与模具下支撑点的压迫下，于下支撑点处又发生了压缩变形，如图4中⑦所示。最终，达到预定加载位移60 mm，弯曲部位产生不同程度的密实化，如图4中⑨所示。

图5为BCC点阵材料三点弯曲试验的载荷-位移曲线。在弹性阶段，曲线迅速上升，并达到峰值载荷。此时，BCC胞元突破屈服极限，但未达到局部密实化，载荷在此后一段时间稍有下降。随后，试样上下两端分别发生压缩与拉伸变形，试样局部密实化，载荷逐渐上升。最终，密实化扩散至整个弯曲部分，由于密实化并不均匀，所以载荷曲线多有波动。表3为BCC材料的抗弯性能指标，从弯曲过程与数据来看，BCC材料具有一定的抗弯能力。

图5 BCC三点弯曲载荷-位移曲线

表3 BCC材料抗弯性能指标

试样弯曲刚度/(N·mm)比弯曲刚度/(N·mm)弯曲强度/MPa比弯曲强度/MPa BCC239 422.0835 209.135.730.84

1.2 有限元建模与验证

1.2.1有限元模型

为了系统地揭示BCC点阵材料的力学性能和变形机制，通过在商用计算机辅助设计（Computer Aided Design, CAD）软件中设计点阵材料几何模型，然后将其导入ABAQUS软件中，并建立有限元模型，如图6所示。模型材料为刚性材料，其杨氏模量为210 GPa，密度为7 800 kg/m3，泊松比为0.3。采用四面体单元（C3D4）进行网格划分，采用线弹塑性模型和Von Mises各向同性塑性算法模拟了基体材料的本构行为。

1.2.2模型验证

将BCC材料准静态压缩数值模拟的应力-应变曲线和三点弯曲数值模拟的载荷-位移曲线与试验结果进行对比，如图7所示。采用选择性激光熔融（Selective Laser Melting, SLM）工艺制备的BCC试样可能存在一定程度上的几何尺寸误差，以及制造缺陷，所以可能导致数值模拟结果与试验结果有误差。表4为数值模拟结果与试验结果性能指标的对比。根据曲线与指标对比，所建模型具有足够高的模拟精度，可以用于后续的碰撞模拟。

图7 BCC试验与模拟曲线对比

表4 BCC压缩试验与模拟结果性能指标对比

EA/(J·cm-3)SEA/(J·g-1)平台应力/MPa密实应变 试验1.372.692.170.65 仿真1.392.732.150.63 弯曲刚度/(N·mm)比弯曲刚度/(N·mm)弯曲强度/MPa比弯曲强度/MPa 试验239 422.0835 209.135.730.84 仿真274 679.840 394.085.510.81

2 BCC填充结构整车碰撞模拟

2.1 整车有限元模型

本文以某品牌12 m长的客车为研究对象，其车身骨架采用全承载设计结构形式。首先使用CATIA软件完成整车三维模型的构建，并将在CATIA中建立的三维模型导入到前处理软件HyperMesh中。由于三维建模时可能存在尺寸误差等问题，导入到HyperMesh中可能会导致重复面、缺失面及相邻面不连续的情况，所以需对其进行网格划分前的几何清理和模型简化。对客车进行网格划分时，采用20 mm×20 mm的壳单元网格为基准，运用单元共节点的形式进行连接。客车各部分载荷配置以质量点的形式加载。

材料属性的设置直接从HyperWorks自带的LS-DYNA 模块进行设置。此客车整车骨架主要采用方钢材料，其应力-应变关系具有各向同性和弹塑性的特点。车身底架材料为Q345钢，其他车身骨架部分和外蒙皮为Q235A，弹性模量为207 GPa，密度为7 800 kg/m3。

2.1.1正面碰撞

根据已建立的客车有限元模型，对客车进行正面碰撞分析。针对客车100%正面碰撞，分别建立正面碰撞刚性墙、定义接触、初始边界条件设置、控制卡片及输出设置等。根据我国《乘用车正面碰撞的乘员保护》规定，采用100%重叠率的刚性固定壁障。基于HyperMesh-LS-DYNA建立客车100%重叠率的刚性墙。

如图8所示，将上节所述的BCC点阵材料填充至车头关键纵梁中，以提高正面碰撞时客车的耐撞性能，并利用HyperMesh-LS-DYNA进行碰撞模拟。

图8 BCC填充关键纵梁

完成客车正面碰撞建模后，对模型控制卡片进行设置，主要包括仿真时间、步长、能量输出控制、相关参数输出控制、接触卡片设置及动画输出控制。实际车辆碰撞的过程持续时间大约为90～120 ms。由于模型初始位置和碰撞墙存在一定距离，且碰撞结束后存在回弹和振动反复的情况，为更好地观察车辆碰撞后的变形情况，所以设定本次模拟碰撞的计算时间为200 ms。

在HyperMesh中完成碰撞有限元模型建立后，对模型进行错误检查，正确无误后导出K文件。将K文件导入LS-DYNA求解器进行求解计算，计算完成后将计算结果导入HyperView中进行后处理，并查看模型的计算结果。通过仿真计算，分别取0 ms、50 ms、100 ms、115 ms、150 ms、200 ms这6个时刻的整车碰撞变形结果，并对整车碰撞过程进行详细分析。整车正面碰撞车体变形时序如图9所示。

为减少计算时间，客车前端距离刚性壁不宜过长，故设定为100 mm。客车以50 km/h速度进行正面碰撞，在仿真分析开始后的10 ms时刻客车开始碰撞刚性壁障，前端车身骨架首先产生塑性变形。因该客车为满载状态下进行正面碰撞，整车动能较大，客车骨架变形严重，在115 ms时刻变形量达到最大，然后开始反弹。

刚性墙碰撞反力是衡量整车耐撞性的一个重要指标。图10(a)为碰撞过程中刚性墙反力的曲线图，客车在10 ms后撞上刚性墙，其反力迅速达到一个峰值，此时会对车头结构与车内乘客造成极大冲击，威胁车辆与乘员安全。在填充BCC材料后可以发现，刚性墙反力的峰值得到有效降低，显著地改善了正面碰撞时的瞬时伤害。

碰撞加速度是衡量客车整车结构强度的另一个重要指标。最大碰撞加速度越大，说明客车碰撞时受到的最大载荷越大，“一次碰撞”后传递到乘员身上的加速度就越大。

图10 各耐撞性指标曲线图

图10(b)为整车质心加速度曲线的对比结果，在车头关键纵梁填充BCC材料后，整车模型在碰撞过程中的加速度明显降低。由此可以看出，点阵材料填充纵梁显著地降低了碰撞加速度，有效地改善了正面碰撞时对于乘员及车辆的瞬时伤害。

2.1.2侧翻碰撞

在上述建立的客车有限元网格模型的基础上，通过LS-DYNA软件建立并完善客车整车侧翻有限元模型，如图11所示。然后，参照欧洲标准委员会汽车法规R66标准建立整车侧翻试验台，最后，按照试验流程简化并模拟客车侧翻碰撞过程。

将上述的BCC点阵材料填充至车侧关键立柱中，如图12所示，以提高侧翻碰撞时客车的耐撞性能。利用HyperMesh-LS-DYNA进行侧翻模拟。

图12 BCC填充关键立柱

碰撞试验中，通常在接触刚性壁后80～120 ms内结束。本文研究对象客车的动力系统采用发动机后置状态，整车前部刚度较低，平台对大客车还有一定力的作用，因此，侧翻碰撞结束时间相对较长。整个求解过程时间设定为200 ms。

通过仿真计算，分别取0 ms、50 ms、100 ms、115 ms、150 ms、200 ms这6个时刻的整车侧翻变形结构，并对整车侧翻过程进行详细的分析。整车侧翻碰撞车体变形时序如图13所示。

图13 整车侧翻碰撞车体变形时序

整个碰撞仿真过程时间为200 ms。通过对仿真过程及仿真结果分析可知，侧翻过程分两个碰撞阶段：第一阶段顶盖侧边梁与地面碰撞，此阶段参与变形的区域较小，只有顶盖、前后风窗、侧围参与变形，车架部分变形较小；第二阶段为车辆脱离翻转平台，直接与地面碰撞，此时整车骨架都存在变形。

客车侧翻触地瞬间，巨大的冲击力导致整车开始发生变形。随着冲击载荷的增大，客车右侧围逐渐发生变形，变形主要集中在接触点临近区域。客车侧翻开始到115 ms时刻，车体变形量达到最大。当侧翻碰撞持续到150 ms时，客车底架与地面接触，此时底架因地面冲击出现变形。 150 ms以后整车骨架变形迅速回弹，200 ms碰撞基本结束，车体沿着刚性地面滑动。

图14(a)为未填充点阵材料时，客车侧翻局部变形图，客车右侧第二、第三立柱在侧翻时侵入客车安全空间，最大侵入量分别为25.86 mm和59.117 mm。在关键立柱内填充BCC后的侧翻局部变形图如图14(b)所示，可以看出，客车右侧第二、第三立柱在侧翻时最大入侵量显著降低，分别为20.076 mm和42.25 mm，由此看出，BCC填充关键立柱具有不错的抗弯能力。

图14 填充前后客车侧翻局部变形图

为了更为全面地评价客车侧翻安全性能，分别取客车右侧立柱、质心位置的侧翻加速度对客车安全性能进行评价。客车侧翻时右侧立柱加速度曲线、质心加速度曲线如图15所示。由侧围立柱加速度曲线可知，10 ms触地瞬间产生一个28.7的峰值加速度，然后加速度逐渐平稳，在120 ms左右时再次出现一个48的峰值加速度，此时立柱出现迅速的大变形。由质心、前后轴加速度曲线可得，约在60～200 ms出现加速度峰值。在填充BCC点阵材料之后，由两曲线图的对比可以看出，右侧立柱加速度与质心加速度有明显减小，由此可以看出，点阵填充立柱显著地降低了侧翻加速度，有效地改善了侧翻碰撞时对于乘员及车辆的瞬时伤害。

图15 客车加速度曲线

3 结论

本文针对BCC点阵材料开展了准静态压缩及弯曲试验与仿真研究，揭示了BCC点阵材料在压缩及弯曲工况下的力学特性；并将BCC点阵材料填充至客车关键纵梁以及立柱中，对其整车碰撞及侧翻性能开展仿真分析。最终分析得出：1）在正面碰撞中，点阵填充纵梁对刚性墙反力的削减达到了42.9%，并且降低了28.5%的碰撞加速度；2）在侧翻碰撞中，点阵填充立柱有效地提升了乘员生存空间，客车右侧第二、第三立柱最大侵入量分别减小了22.4%和28.3%，显著地提高了客车侧面立柱的抗弯能力，对右侧立柱加速度和质心加速度分别降低了28.5%和26.6%。综上所述，点阵填充结构可以显著地提高整车的碰撞安全性。

[1] 宋健,王伟玮,李亮,等.汽车安全技术的研究现状和展望[J].汽车安全与节能学报,2010,1(2):98-106.

[2] 郑海洋,田国富,杨砾,等.客车正面碰撞事故仿真分析研究[J].交通节能与环保,2020,16(5):29-34.

[3] 方岱宁.轻质点阵材料力学与多功能设计[M].北京:科学出版社,2009.

[4] KIM T,ZHAO C Y,LU T J,et al.Convective Heat Dissipation with Lattice-frame Materials[J].Mechanics of Materials,2004,36(8):767-780.

[5] 陈继伟.超轻点阵材料的研究进展[J].装备制造技术, 2014(9):229-230.

[6] 卢天健.兼具承载、吸能、吸声等多功能特性的超轻多孔材料创新构型设计[J].噪声与振动控制,2018, 38(S1):13.

[7] XIAO Z,YANG Y,XIAO R,et al.Evaluation of Topology- optimized Lattice Structures Manufactured via Selec- tive Laser Melting[J].Materials & Design,2018,143(4): 27-37.

[8] YAN C,HAO L,HUSSEIN A,et al.Advanced Lightwe- ight 316L Stainless Steel Cellular Lattice Structures Fabricated via Selective Laser Melting[J].Materials & Design,2014,55(3):533-541.

[9] BONATTI C,MOHR D.Mechanical Performance of Additively-manufactured Anisotropic and Isotropic Smooth Shell-lattice Materials:Simulations & Experi- ments[J].Journal of the Mechanics and Physics of Solids,2019,122:1-26.

[10] DESHPANDE V S,FLECK N A,ASHBY M F.Effec- tive Properties of the Octet-truss Lattice Material[J]. Journal of the Mechanics and Physics of Solids,2001, 49(8):1747-1769.

[11] PTOCHOS E,LABEAS G.Elastic Modulus and Pois- son’s Ratio Determination of Micro-lattice Cellular Structures by Analytical, Numerical and Homogenis- ation Methods[J].Journal of Sandwich Structures & Materials,2012,14(5):597-626.

[12] GALARRETA S R,JEFFERS J R T,GHOUSE S.A Validated Finite Element Analysis Procedure for Porous Structures[J].Materials & Design,2020,189(4): 108546.

[13] ZHANG H,ZHOU H,ZHOU Z,et al.Energy Absorption Diagram Characteristic of Metallic Self-supporting 3D Lattices Fabricated by Additive Manufacturing and Design Method of Energy Absorption Structure [J].International Journal of Solids and Structures,2021, 226:111082.

[14] ZHU G,WEN D,WEI L,et al.Mechanical Performances of Novel Cosine Function Cell-based Metallic Lattice Structures under Quasi-static Compressive Loading[J]. Composite Structures,2023,314:116962.

[15] SMITH M,GUAN Z,CANTWELL W J.Finite Element Modelling of the Compressive Response of Lattice Structures Manufactured Using the Selective Laser Melting Technique[J].International Journal of Mech- anical Sciences,2013,67:28-41.

[16] LI P,WANG Z,PETRINIC N,et al.Deformation Behav- iour of Stainless Steel Microlattice Structures by Selective Laser Melting[J].Materials Science and Engineering: A,2014,614(9):116-121.

[17] SIMPSON J,KAZANC Z.Crushing Investigation of Crash Boxes Filled with Honeycomb and Re-entrant (Auxetic) Lattices[J].Thin-walled Structures,2020,150: 106676.

[18] 朱普强.基于新型点阵夹芯结构的电动汽车电池箱碰撞防护研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2021.

Crashworthiness Analysis of Bus Body Skeleton Based on Lattice Filled Thin-walled Structures

SHI Tianhua

( Fujian Province Key Laboratory of New Energy Vehicle Enterprises, Xiamen Golden Dragon Bus Company Limited, Xiamen 361022, China )

Due to its excellent mechanical properties, lightweight and strong energy absorption properties, lattice materials have significant effects in improving automobile crash safety perfor- mance. In this paper, the mechanical properties of BCC lattice materials under compression and bending conditions are studied in depth by experimental and simulation methods, and their deformation mechanism and energy absorption characteristics are revealed. Subsequently, it is applied to the longitudinal beam and column of the bus, revealing the advantages of BCC dot matrix filled thin-walled structure in improving the collision safety performance of the whole vehicle.

Bus body; Lattice filled structures; Crashworthiness; Finite element analysis

TB34

A

1671-7988(2023)18-20-09

石添华（1972－），男，高级工程师，研究方向为车辆工程，E-mail:shitianhua@xmjl.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.018.005