反转螺旋形结构碰撞特性分析

1、引言

现代汽车的前纵梁大都采用矩形截面的直梁的结构，这种结构在碰撞过程中能产生较为理想的变形。不同形状的直梁件可以有如图1所示的5种截面，这些截面都具有相同的周边长，但是碰撞特性却大不相同。

2、同段同截面反转螺旋形结构碰撞分析

在本文中，我们取周长相同、长度相同但截面形状不同的薄壁直梁进行分析。材料选择45号钢，厚度为1mm，网格边长取5mm，旋转角度取15度，薄壁直梁长度取400mm，所选择的材料都相同，本文通过分析不同截面形状的吸能情况，进而得出哪个截面形状吸能特性更好。

下图2为上面五种截面反转螺旋型薄壁管件的网格划分结果。

以下是第7.3ms时的薄壁管件碰撞变形图，可以发现正方形、正五边形截面薄壁管材已经有不规则变形的趋势，而其他的截面形状均为“手风琴”式的对称褶皱变形模式。

通过计算分析碰撞过程中薄壁吸能管件的能量变化、碰撞刚体加速度变化曲线，可以对薄壁吸能管件的吸能效果作出分析判断，并对薄壁吸能管件的吸能特性有初步理解。图4为不同截面薄壁吸能管件计算统计结果。

初步的仿真过程显示，与其他截面的薄壁管件相比，正方形、正五边形截面薄壁管件在较大的碰撞能量下更易发生欧拉弯曲变形，造成吸能效果的明显恶化。虽然此次仿真计算结果表明正六边形截面薄壁管件能够在碰撞过程中吸收较多的能量，但是，由于仿真过程中存在着较大的沙漏能差别（正六边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），所以这一结果有待进一步验证。

3、同段不同截面反转螺旋形结构碰撞分析

以上的都是对于同段同截面的薄壁管件的碰撞分析，我们下面分析的是同段不同截面的比较。

（1）截面边数都为偶数

正方形对正六边形组合、正方形对正八边形组合和正六边形对正八边形组合的六种模型。材料参数与前文一致，网格边长5mm，刚性墙以15m/s的初始速度对薄壁直梁进行碰撞。

下图是各个螺旋型管件模型在8ms时的变形对比图，从图5中可以看出正方形对正六边形六边形在外的薄壁梁发生了明显的变形，没有起到较大吸能的作用，而其他模型都发生了规则的“手风琴”式的褶皱变形，吸收了碰撞时较大的能量。

下图6为不同模型薄壁管件吸能统计结果。

分析仿真结果，与其他薄壁管件相比，只有正方形对正六边形六边形在外的薄壁管件在较大的碰撞能量下发生了欧拉弯曲变形，造成吸能效果的明显恶化。分析图6的吸能柱形图，其他的模型吸能效果相当，但总体来看吸能效果都不及同段同截面的理想。

（b）截面边数为奇偶数组合

为了证实上面的结论：同段不同截面形状吸能效果不及同段同截面。我们又针对奇偶组合的同段不同截面的正方形對正五边形组合和正五边形对正六边形组合的四种情况作了一次分析比较。

下图是各个螺旋型管件模型在8ms时的变形对比图，明显可以看出，四种模型都很容易的发生了欧拉弯曲变形，吸能效果都不是很理想。表8的吸能柱形图也说明，此类模型的吸能效果都不理想。

4、不同旋角反转螺旋形结构碰撞分析

为了能够更好的研究旋转角度与碰撞吸能的关系，本文对正方形截面的反转螺旋形薄壁梁结构分别设置2°、5°、8°、15°和45°五种旋角，网格边长为5mm，刚性墙仍以15m/S的初始速度对薄壁直梁进行碰撞。下图是各个不同旋角的螺旋型管件模型在9.2ms时的变形对比图，从图中可以看出旋角为15°和45°的薄壁梁发生了明显的变形，没有起到较大吸能的作用，而旋角较小的如2°、5°和8°都发生了规则“手风琴”式的褶皱变形，吸收了碰撞时较大的能量。

分析仿真结果，与其他旋角的薄壁管件相比，15°和45°旋角的薄壁管件在较大的碰撞能量下更易发生欧拉弯曲变形，造成吸能效果的明显恶化。分析图10的吸能柱形图，较小的角度吸收的能量较大，而至于最佳的角度，还得根据不同的截面作进一步的仿真分析。

5、结论

本文主要通过对同段不同截面、同段同截面、不同旋角的薄壁梁碰撞性能的比较，得出了不同条件下的吸能特性，为研究碰撞吸能设计人员提供了参考依据。

（作者单位：聊城大学东昌学院机电工程系）

作者简介

吴广发（1983—），男，山东聊城人，助教，研究方向：机械设计、机械优化、有限元分析.