汽车吸能盒的结构设计与优化

成海飞，赵奉奎，张涌

（210037 江苏 南京市 南京林业大学 汽车与交通工程学院）

0 引言

2020 年，中国汽车工程学会提出的《节能与新能源汽车技术路线图2.0》，肯定了汽车轻量化设计作为汽车设计重要领域的关键性技术，比如车用铝合金件大面积的使用。在保证轻量化的前提下，汽车的安全性也必须得到重视。吸能盒是车身防撞结构的重要组成部分，是连接保险杠防撞梁和车身前纵梁的重要吸能部件，在中层冲击力传递过程中发挥了关键的承接作用，能够在碰撞过程中吸收20%左右的能量，尤其在中低速碰撞中可防止车身纵梁发生变形，可降低车辆日常使用中的维修费和保险费。

关于吸能盒特性的研究，目前主要是从结构设计与优化、材料的选配、研究方法等方面开展[1]。文献[2-3]将简化后的仿生结构应用到传统吸能盒结构设计中，通过碰撞仿真实验，证明了设想的可行性，即新型吸能盒的吸能效果显著；文献[4-7]针对吸能盒的材料形状、厚度、诱导槽的位置分布进行了相应研究，通过对选取的评价标准进行横纵比较，得到了一种较优的模型结构，使汽车在低速正面碰撞下吸能盒可以尽可能有效地吸收压溃能量以保护车身和减轻乘员伤害。更多的学者致力于通过正交试验和拉丁超立方法抽取样本点构建各响应值的Kriging 近似模型，结合一些算法对模型进行多目标优化，使得吸能盒的变形压缩模式更充分、有序，为汽车其他结构件的轻量化和性能研究提供了新的思路与方法[8-13]。

本文主要立足于对吸能盒结构的研究，通过在正六边形铝合金吸能盒结构内部设置不同位置的加强肋板，利用Pro/E 和HyperMesh 进行模型的建立与处理，通过有限元求解和结构静力分析，得到碰撞模型的撞击结果动画，应用LS-PrePost 对图形数据进行整合与处理。最后，在原方案基础上，结合仿生竹节的结构对吸能盒结构进行了优化设计，通过仿真分析，证明了该结构的合理性，为吸能盒的理论研究提供了一定的参考。

1 吸能盒的设计原则和评价指标

1.1 吸能盒的设计原则

汽车发生低速碰撞时，传力途径主要经过前吸能区（保险杠和吸能盒）和中吸能区（纵梁）。为发挥汽车被动安全性的良好吸能水平和降低维修费用，吸能结构在设计过程中主要通过以下原则使其达到较优效果[14]：（1）按照先吸能盒后纵梁的变形顺序进行；（2）在低速碰撞中能以相对固定的模式吸收碰撞动能，吸能的不良变形形式需要尽量完全避免；（3）吸能盒应该在尺寸合理的情况下尽可能多地吸收碰撞量；（4）在低速碰撞中吸能盒以均匀稳定的方式发生轴向褶皱变形；（5）安装位置合理，便于维修。

1.2 吸能盒的评价指标

在研究吸能盒结构碰撞性能时，评价指标主要有缓冲能力、吸能量和位移量[15]。

（1）缓冲能力

碰撞力峰值是指车辆发生撞击时产生的最大荷载，其值与吸能盒的结构形状、材料选取等息息相关，汽车被动安全性指标Fmax越小越好。通过动画模拟和数据处理，发现Fmax一般出现在吸能盒开始发生溃缩时，其值应低于承载部件的许可参数，否则会降低汽车的整体性能，使汽车各系统间的配合不协调。在汽车发生低速正面碰撞时，防撞梁把自身无法吸收的能量传递给吸能盒以达到缓冲效果，这样吸能盒的轴向变形程度也会有所改善。平均碰撞力Fav可以理解为吸能盒单位位移上吸收的能量，即总吸能量Etotal与压缩位移s 之间的比值，可表示为

（2）吸能量E

总吸能量（此中为内能）是指吸能盒—刚性墙系统在压溃变形过程因为两者之间的相互作用力而产生的碰撞能量，其值与吸能盒变形量和两者之间产生的冲击力有关，E 越大则说明吸能特性越好。计算公式为

式中：F（s）——碰撞力；s——压缩变形位移；δe——最大变形量。

比吸能量ESEA指的就是单位质量内吸收到的能量，定义为总吸能量Etotal与质量M 的比值：

在相同条件和技术要求的制约下，较优的吸能特性应该是比吸能量和总能量尽可能大，这样可以减小冲击对乘客安全的威胁以及对汽车重要部件的损坏。

（3）位移量

汽车发生轴向正面碰撞时，能够表征吸能盒吸能潜力的一个指标就是最大变形量，即在吸收更多外界传递能量的同时，还拥有更强的变形余地，这有利于汽车发生碰撞时提高安全性能。最大变形量可以通过压缩位移s 衡量，通常指的是从刚性墙接触吸能盒开始到低速正面碰撞过程完全结束的时间段内，吸能盒所遍历的轴向压缩位移量，其值越小，表征吸能盒在对抗冲击的过程中性能更加优良，能够更好地保护乘客安全，大大降低防撞系统之后汽车主要结构件的维修费用。

2 吸能盒模型建立

目前，吸能盒材料主要还是采用传统钢材加工与装备，但是在相同力学性能条件下，铝合金质量比钢材轻69%，且碰撞过程中吸收的能量比钢材多50%[16]。综合考虑正面低速碰撞过程中乘员安全与舒适性要求以及《节能与新能源汽车技术路线图2.0》中关于轻量化技术的指示，选取汽车吸能盒材料，具体参数如表1 所示。牌号为6061-T6的铝合金材料是高品质铝合金6000 系列中经常选配的材料，主要合金元素有硅、镁，是6061 铝合金处于固溶热处理后进行人工时效的状态，具有加工性能极佳、优良的焊接特点和韧性高等特点，广泛应用于汽车车体结构件。

表1 吸能盒材料参数选取Tab.1 Material parameter selection of energy absorbing box

为了更好地研究汽车在正面碰撞过程中吸能盒的吸能特性，对现实情况下的障碍物与车辆系统模型进行了简化，得到了如图1 所示的压溃系统，根据汽车维修委员会（RCAR）[17]制定的正面碰撞测试标准，把障碍物抽象为质量500 kg、初始速度16 km/h 的刚性不变墙，用来碰撞不产生平动、转动的吸能盒。由于正六边形吸能盒吸能参数较其他截面形状表现得更加均衡[18]，在此基础上在内腔内加焊肋板进行结构的一次设计。参考以往的研究及经验，吸能盒参数选取：长度160 mm，截面周长240 mm，壁厚和肋板厚度均为2 mm。吸能盒内腔加焊加强肋板必然会导致其吸能特性发生变化，肋板个数并非越多越好。为了在压溃过程中保证吸能盒能够更好地发生褶皱变形，本文将肋板个数定为2，具体方案示意图如图2 所示。

图1 刚性墙—吸能盒正面碰撞系统模型Fig.1 Rigid wall—energy-absorbing box frontal collision system model

图2 吸能盒形状、结构方案设计示意图Fig.2 Schematic diagram of shape and structure design of energy absorbing box

3 吸能盒仿真结果分析

由于刚性墙和吸能盒系统中独立个体的受力作用遵循牛顿第三定律，所以用刚性墙所受的作用力表征吸能盒在压溃过程中承受的力，吸收盒的轴向压缩变形的特征是2 个面从接触开始到仿真结束之间发生的位移变化。本文在对吸能盒特性分析时，选用峰值载荷、总吸能量和压缩位移与时间的关系作为评价指标。为了更好地获得能量吸收特性，通常期望小的峰值载荷、大的能量吸收和小的变形。通过对Ls-Dyna 仿真动画得到的数据集进行处理，得到如图3 所示的结果。

不同方案吸能盒在压溃过程中的吸能量、位移随时间的变化曲线如图3、图4 所示，峰值载荷见表2。通过以上数据分析，在正面低速碰撞过程中，在腔内添加加强肋板的吸能盒的总吸能在方案1 的基础上都有所提高，由于肋板布置方式不同，导致结构的机械强度得到了或多或少的提升，也使得总吸能量发生了变化，涨幅分别为7.2%、7.5%、6.6%、9.7%。压缩位移降低率为49.1%、50.5%、29.9%、45.1%，说明在变形量更小的情况下，吸能盒可以吸收更多的碰撞能量，使得汽车其它结构件的维修成本大大降低。值得注意的是，出现在碰撞初期的峰值载荷明显以更高的倍率增加，这种现象的发生会造成乘客所处的环境更逼近暴露极限，在这一瞬间受到的冲击更加剧烈，舒适性得不到保障。

图3 各方案吸能盒吸能量变化曲线Fig.3 Change curve of energy absorbed by energy absorbing box of each scheme

图4 各方案吸能盒压缩位移变化曲线Fig.4 Compression displacement curve of energy absorbing box of each scheme

表2 各方案吸能盒峰值载荷Tab.2 Peak load of energy absorbing box of each scheme

综上所述，吸能盒的吸能特性并不能因为某一评价指标出众则认为此方案更适合实际碰撞应用，而更多的是综合考量取折中，在提高碰撞需求的同时，也要满足乘客乘坐的舒适度，而方案5 恰恰比较符合，但是由于其峰值载荷过大，需要对其进行再次优化设计。

4 吸能盒结构优化与分析

4.1 仿生吸能盒结构的提出与设计

节在禾本植物的生长过程中扮演着极其重要的角色，它可以增加茎的机械强度（单位面积上所能承受的最大负荷），使其不易倒伏。本文根据竹子生长过程中存在的这一自然现象对上文取优的吸能盒结构进行优化设计，在其纵向中心处添加如图5 所示的加强节，此处仿生节的厚度理论上可取n（0＜n＜160 mm）。由于仿生节为实心体，随着厚度的增加，吸能盒整体质量增大，将无法保证轻量化设计的目标，结合对仿竹节厚度的仿真对比，在本文中n=2 mm，得到图6 所示吸能盒形状。

图5 竹子正视结构示意图Fig.5 A schematic diagram of frontal structure of a grass plant

图6 仿生节吸能盒形状图Fig.6 Bionic bamboo joint energy-absorbing box shape diagram

4.2 仿生吸能盒仿真分析

通过HyperMesh 与LS-Dyna 处理与仿真，从动画模拟与数据处理软件LS-PrePost 中得到吸能盒正面碰撞过程中能量变化曲线。由于显示分析采用1 阶缩减积分会造成壳单元处于零能模式，接触面的能量耗散会出现沙漏能，且沙漏能一般不应超过总能量的5%[19]。从图7 的系统能量变化曲线中可以看出，整个系统的能量构成比较合理。总能量在保持基本不发生波动的情况下，沙漏能可以很好地控制在一个很小的正值范围，且没有超过系统总能量5%，也未发生突变，说明所建立的吸能盒有限元模型是可靠有效的。

仿生竹节吸能盒在压溃过程中的系统能量变化、位移随时间的变化曲线如图7、图8 所示。可以清楚地看出，仿生吸能盒总吸能量为4.81 kJ，削减为方案5 的98%，峰值载荷127.377 kN，降低率为16.7%。相对于方案5 来说，峰值载荷降低率远大于吸能量率，在总吸能量相差不大的情况下，峰值载荷有了明显的改善。碰撞过程中，此吸能盒发生的褶皱变形是一种理想的变形模式，满足在低速正面碰撞时能有效减少相对物体间的冲击，减小撞击对汽车主要部件损害的目的。

图7 仿生竹节吸能盒系统能量变化曲线Fig.7 Energy change curve of bionic bamboo energy-absorbing box system

图8 仿生竹节吸能盒压缩位移变化曲线Fig.8 Compression displacement change curve of bionic bamboo joint energy absorbing box

5 结论

（1）建立刚性墙—吸能盒压溃模型，进行低速碰撞仿真，在吸能盒内腔通过加筑加强肋板，研究其不同布置方式对吸能盒特性的影响，经仿真分析，在确定的评价指标综合考量下，方案5 更符合要求，但是其峰值载荷过大，需要进一步优化。

（2）通过对节的研究，将其在竹子生长过程中起到的作用应用到吸能盒结构优化设计，吸能盒峰值载荷降低了16.70%，吸能量降低了2.0%，压缩位移基本保持不变，说明此方案显现的效果更优。此研究在保证轻量化的前提下，有效地提高吸能盒的耐撞性能和吸能特性，为整车安全性能的研究提供了理论依据。