摘要:

為了提高轎車側(cè)面耐撞性，設(shè)計(jì)耐撞性能強(qiáng)的B 柱成為主要課題之一。

目前的優(yōu)化方法很難將B 柱侵入量和侵入速度同時(shí)控制在理想范圍內(nèi)。因此，提出泡沫鋁材料填充在汽車B 柱內(nèi)代替B 柱加強(qiáng)板的方法，緩沖側(cè)面碰撞沖擊。

通過(guò)建立泡沫鋁有限元模型與材料特性分析，確定仿真泡沫鋁主要材料參數(shù)。進(jìn)而根據(jù)中國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程C － NCAP 要求，建立轎車整車側(cè)面碰撞有限元模型，采用LS － DYNA 軟件進(jìn)行仿真分析。

結(jié)果表明，泡沫鋁填充后的B 柱侵入量和侵入速度都有明顯降低。泡沫鋁材料塑性變形和整體彎曲變形能夠吸收1． 51kJ 的能量，是B 柱加強(qiáng)板的3 倍。填充泡沫鋁前后仿真結(jié)果表明，轎車B 柱填充泡沫鋁是一種提高轎車側(cè)面耐撞性的方法。

引言

在汽車的各種碰撞形式中側(cè)面碰撞是最為典型的事故類型之一。根據(jù)我國(guó)1999 － 2009 年道路交通事故統(tǒng)計(jì)，發(fā)生側(cè)面碰撞事故比例占到將近30%，僅次于正面碰撞，但由于側(cè)面碰撞所特有的碰撞特點(diǎn)導(dǎo)致側(cè)碰中乘員的傷亡程度比正面碰撞還要高，尤其在我國(guó)側(cè)面碰撞導(dǎo)致死亡的比例要高于國(guó)外的平均水平。

所以增加轎車側(cè)面吸能部件，提高轎車側(cè)面耐撞性是我國(guó)一項(xiàng)重要的科研任務(wù)。泡沫鋁材料是一種鋁或鋁合金基體中分布著大量孔洞的新型輕質(zhì)多功能材料。泡沫鋁呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有孔隙率高、密度小、變形大等特點(diǎn)，用作填充材料制成能量吸收裝置已在航空、武器裝備防護(hù)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)王玲對(duì)于泡沫鋁材料單胞模擬證明，開孔和閉孔的壓縮應(yīng)力－應(yīng)變曲線都具有線彈性、塑性屈服平臺(tái)段和致密段三個(gè)階段; 李曉豁教授將泡沫鋁填充縱梁內(nèi)改善車架碰撞性能; 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的劉春盟研究表明，泡沫鋁填充管保險(xiǎn)杠比普通空心管保險(xiǎn)杠在相同重量時(shí)的最大吸能量提升了71%; 遼寧工程技術(shù)大學(xué)的于英華證明采用LS － DYNA 軟件對(duì)泡沫鋁壓縮行為進(jìn)行有限元仿真的可行性。

國(guó)外，Cymat 泡沫鋁作為汽車產(chǎn)品的填充物已應(yīng)用于德國(guó)格奧菲舍爾汽車。泡沫鋁還可以用于汽車的頂蓋縱梁、連桿、活塞、傳動(dòng)齒輪、汽缸體等。綜上，多數(shù)人研究泡沫鋁還是以單胞結(jié)構(gòu)為主，泡沫鋁作為填充材料也是采用系統(tǒng)本構(gòu)模型參數(shù)。

本文將泡沫鋁單胞結(jié)構(gòu)空間排列形成部件幾何體，主要材料參數(shù)由試驗(yàn)參數(shù)提取出來(lái)，提出比較詳細(xì)的建立更真實(shí)的泡沫鋁填充材料有限元模型的方法，并填充在轎車模型中以提高側(cè)面B 柱耐撞性。

轎車B 柱耐撞性原理

依據(jù)中國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程( C － NCAP) ，側(cè)面碰撞臺(tái)車的速度為50km/h，碰撞時(shí)間很短，動(dòng)能主要由轎車側(cè)圍外板和B柱以及相關(guān)連接件吸收。其動(dòng)能



其中: m0為臺(tái)車質(zhì)量，v0為臺(tái)車碰撞速度，E1為側(cè)圍外板以及相關(guān)連接件吸收能量，E2為B 柱吸收能量，m 為B 柱質(zhì)量，v 為B 柱質(zhì)心速度，S 為B 柱侵入位移，F(xiàn) 為沖擊載荷。

由式( 1) 、( 2) 可知，B 柱的侵入位移和侵入速度由轎車B 柱吸收能量決定的，同時(shí)也可以作為評(píng)價(jià)B 柱耐撞性的指標(biāo)。一些常用的優(yōu)化方法能降低B 柱侵入位移，但導(dǎo)致侵入速度增加，反之亦然。這也是提高B 柱耐撞性的難點(diǎn)之一。因此，將泡沫鋁緩沖材料填充在汽車B 柱內(nèi)，通過(guò)金屬泡沫材料吸收一部分能量提高B 柱耐撞性，則式( 2) 變?yōu)?br />


其中: ΔE 為泡沫鋁材料吸收能量。

由式( 1) 、( 3) 可知，在側(cè)圍外板及相關(guān)連接件吸能基本不變前提下，填充泡沫鋁材料能達(dá)到使B 柱侵入位移和侵入速度同時(shí)減小的目的。泡沫鋁是一種泡沫材料，將建立開孔泡沫鋁有限元模型和材料特性分析，并填充在轎車B 柱代替B 柱加強(qiáng)板，分析其對(duì)B 柱耐撞性的影響。

3泡沫鋁建模及材料特性分析

3.1 泡沫鋁介紹

金屬泡沫可通過(guò)液態(tài)或半液態(tài)金屬中氣泡的形核與長(zhǎng)大而獲得。泡沫鋁的制備方法有很多種，主要有熔體注氣法、粉末冶金法發(fā)泡法、FOＲMGＲIP 法、熔模鑄造法、燒結(jié)溶解法、電沉積法。泡沫鋁是由少量鋁或鋁合金骨架和大量氣孔組成的材料。

泡沫鋁材料由于其獨(dú)特的多孔結(jié)構(gòu)，在壓縮載荷下表現(xiàn)出一個(gè)近似恒應(yīng)力的塑性應(yīng)變過(guò)程。由于這種壓縮形變行為，泡沫鋁在經(jīng)受壓縮載荷時(shí)，能在較低的應(yīng)力水平下吸收大量能量，從而成為一種極具應(yīng)用潛力的沖擊緩沖材料。目前，泡沫鋁僅能在一小部分汽車零部件上使用，但是泡沫鋁的應(yīng)用為汽車的減重、吸能、節(jié)能、環(huán)保、安全等一系列問(wèn)題的解決提供了新的可行途徑。

3.2 泡沫鋁仿真模型

泡沫鋁的相對(duì)密度小和比剛度高，所以使用泡沫鋁制成的零部件既能滿足相應(yīng)的剛度要求，又能極大減輕汽車的重量。本文選取體心立方開孔單胞結(jié)構(gòu)，各個(gè)單元經(jīng)過(guò)空間密集堆積，可實(shí)現(xiàn)三維各向同性。如下圖1、圖2、圖3 建模過(guò)程。



由圖1 所示單胞結(jié)構(gòu)為立方體，并且立方體的體心和八個(gè)頂點(diǎn)上各有一個(gè)球形孔隙。由圖2 所示單胞結(jié)構(gòu)空間排列形成一個(gè)部件幾何體。由圖3 所示有限元前處理軟件Hypermesh 將泡沫鋁幾何體劃分網(wǎng)格，從而建立泡沫鋁材料有限元結(jié)構(gòu)模型。

3.3 仿真泡沫鋁材料參數(shù)分析

由于泡沫鋁是由金屬鋁發(fā)泡形成的，所以將泡沫鋁看成是高度殘缺的彈塑性金屬材料。泡沫鋁是有很多空隙的實(shí)體，有時(shí)孔隙率高達(dá)99%?？紫堵蔖 指材料內(nèi)部孔隙體積占其總體積的百分率。設(shè)體心立方閉孔單胞的邊長(zhǎng)為a，立方體頂點(diǎn)球體半徑為r。該單胞結(jié)構(gòu)孔隙體積包括1 個(gè)體心球體和8 個(gè)頂點(diǎn)的1 /8 球體。所以孔隙體積為




此種孔隙率為85% 的泡沫鋁在清華大學(xué)機(jī)械工程系做的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，泡沫鋁材料尺寸為40* 40* 40mm，三條應(yīng)力應(yīng)變?cè)囼?yàn)曲線擬合出一條工程應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖4 所示。



由圖4 可知，該曲線明顯分位彈性段、應(yīng)力平臺(tái)段和密實(shí)段。泡沫鋁壓縮初期時(shí)，泡沫鋁發(fā)生彈性變形，然后經(jīng)歷應(yīng)力平臺(tái)階段，泡沫孔開始破裂，壓縮應(yīng)力基本保持不變，能夠吸收各方向的能量，具有很好的吸能特性。

經(jīng)過(guò)大量的塑性變形后進(jìn)入到密實(shí)化階段，壓縮應(yīng)力迅速上升。由于壓縮過(guò)程中截面形狀是發(fā)生變化，而工程應(yīng)力應(yīng)變曲線是假定原始截面不變，所以要用真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線來(lái)做后續(xù)研究。工程應(yīng)力應(yīng)變轉(zhuǎn)化為真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為



式中，εE為工程應(yīng)變，σE為工程應(yīng)力; εT為真實(shí)應(yīng)變，σT為真實(shí)應(yīng)力。由工程應(yīng)力應(yīng)變曲線圖4 經(jīng)過(guò)式( 9) 、( 10) 轉(zhuǎn)化之后得到真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖5 所示。由圖5 可知，由泡沫鋁材料真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線彈性段的斜率可得到彈性模量為10GPa，彈性段頂端的最大應(yīng)力值可得到屈服強(qiáng)度為5MPa。將泡沫鋁材料的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線的彈性段去掉，后面的曲線為仿真泡沫鋁的應(yīng)力應(yīng)變曲線。



整車側(cè)面碰撞有限元模型建立與驗(yàn)證及泡沫鋁填充方式

4.1 整車側(cè)面碰撞有限元模型建立

整車模型的建立按照汽車制造的工藝流程進(jìn)行，整車的裝配通過(guò)在其邊界上增加相應(yīng)的連接單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。將側(cè)面臺(tái)車模型導(dǎo)入所建的整車有限元模型里，按照C － NCAP 側(cè)面碰撞要求建立側(cè)面碰撞有限元模型。整車側(cè)面碰撞有限元模型包括118 萬(wàn)個(gè)單元，材料模型包括彈性材料和剛性材料等，模型還考慮了接觸問(wèn)題。仿真模型中，碰撞臺(tái)車以50km/h 的速度垂直撞擊整車有限元模型，如圖6 所示。



圖6 中: 臺(tái)車的中垂面垂直于車輛縱向軸線并對(duì)準(zhǔn)駕駛員Ｒ 點(diǎn)，整車和碰撞臺(tái)車與地板的摩擦系數(shù)為0.3。

4.2 有限元模型分析驗(yàn)證

為了保證結(jié)果的可靠性，在運(yùn)用有限元模型進(jìn)行深入研究前，首先要驗(yàn)證所用的有限元仿真模型，驗(yàn)證方式就是將有限元仿真結(jié)果和實(shí)車試驗(yàn)進(jìn)行比較分析。

4.2.1 模型能量關(guān)系和質(zhì)量增加情況

整車側(cè)面碰撞仿真時(shí)間為110ms，碰撞過(guò)程能量關(guān)系如圖7。



由圖7 可知，整車側(cè)面碰撞過(guò)程能量平穩(wěn)無(wú)明顯波動(dòng)現(xiàn)象，沙漏能和滑移界面能都控制在5%之內(nèi)，可以認(rèn)為模型在碰撞過(guò)程中能量變化是正常的。碰撞過(guò)程整車質(zhì)量變化情況如圖8。



由圖8 可以看出，整車有限元模型在碰撞過(guò)程中質(zhì)量增加為1．8%，在控制范圍5% 之內(nèi)，進(jìn)一步驗(yàn)證模型的可靠性。

4.2.2 整車加速度對(duì)比

整車碰撞有限元模型中，非碰撞側(cè)B 柱下端裝加速度計(jì)，以測(cè)量整車加速度值，得到的B 柱加速度速度曲線與同類車型的實(shí)車試驗(yàn)加速度曲線對(duì)比，如圖9 所示。



由圖9 可知，試驗(yàn)加速度曲線與仿真加速度曲線走勢(shì)相同，峰值時(shí)間都是在40ms 左右，最大加速度值分別為16．4g和17．9g。通過(guò)對(duì)比分析，驗(yàn)證了側(cè)面碰撞仿真模型的有效性，為后續(xù)的研究提供了可靠的基礎(chǔ)模型。

4.3 泡沫鋁填充方式



由圖10 可知，轎車側(cè)面B 柱外板與內(nèi)板之間存在B 柱加強(qiáng)板。泡沫鋁填充之后如圖11。由圖11 所示，泡沫鋁材料填充B 柱外板與內(nèi)板之間，代替B 柱加強(qiáng)板。泡沫鋁與B柱焊接在一起。泡沫鋁材料填充汽車B 柱后的整車側(cè)面碰撞有限元模型生成K 文件，提交LS_DYNA 計(jì)算。



基于泡沫鋁填充材料的B 柱耐撞吸能仿真與分析

5.1 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確定

B 柱是側(cè)面碰撞中的主要受力部件。由式( 3) 知，如果填充的泡沫鋁材料通過(guò)壓縮變形吸能較多的能量，則對(duì)整車的沖擊就會(huì)減小，汽車B 柱的侵入量和侵入速度就會(huì)減小，從而減少乘員損傷。所以，汽車B 柱侵入量和侵入速度可以作為評(píng)價(jià)泡沫鋁材料汽車耐撞性的指標(biāo)。

5.2 填充前后汽車B 柱仿真分析

將Ls － dyna 計(jì)算后的文件交予Hyperview 后處理，查看碰撞過(guò)程中的能量是守恒的，質(zhì)量增加也在有效控制范圍之內(nèi)。在確定模型計(jì)算的有效性下，對(duì)填充前后的汽車B 柱仿真分析。選取汽車B 柱上六個(gè)點(diǎn)作為考察點(diǎn)，如圖12。



圖12 中分別對(duì)應(yīng)B 柱頂端、乘員頭部、B 柱腰線、乘員胸部、乘員臀部、B 柱底端。分別對(duì)比填充前后六個(gè)考察點(diǎn)侵入量和侵入速度，如下表1、表2。



由表1、2 可以看出B 柱侵入量和侵入速度都有不同程度的減小。尤其是B 柱侵入量減小的同時(shí)，B 柱侵入速度仍有這么明顯的降低，可以認(rèn)定填充的泡沫鋁增加了整車B 柱側(cè)面耐撞性。填充泡沫鋁材料前后的汽車B 柱最大變形量也有177mm 減小到154mm，減小了13%。

5.3 泡沫鋁吸能仿真分析

泡沫鋁作為一種泡沫金屬，自身變形會(huì)吸收較多的能量。由后處理軟件Hyperview 得到部件泡沫鋁和B 柱加強(qiáng)板吸收能量對(duì)比，如圖13 所示。


由圖13 知，泡沫鋁吸能為1． 51kJ，B 柱加強(qiáng)板吸能為0．47kJ。填充的泡沫鋁吸能是原來(lái)加強(qiáng)板的3 倍。由于泡沫鋁材料有較寬的塑性平臺(tái)階段，在這個(gè)階段泡沫鋁胞孔發(fā)生屈曲、坍塌，使泡沫鋁具有很好的吸能效果。如圖14 所示，碰撞前后泡沫鋁填充材料的變形情況。


由圖14 可知，泡沫鋁填充材料在整車碰撞過(guò)程不僅自身壓縮變形吸能，而且自身彎曲變形吸能。而未填充泡沫鋁材料的B 柱加強(qiáng)板只有通過(guò)自身彎曲變形吸能，所以填充的泡沫鋁材料吸收了更多的能量，減少了側(cè)面臺(tái)車對(duì)整車碰撞沖擊，從而增強(qiáng)了整車的側(cè)面耐撞性。

6結(jié)論

本文在將泡沫鋁材料填充在汽車B 柱的基礎(chǔ)上，利用泡沫鋁材料吸能性強(qiáng)的特點(diǎn)，以提高整車B 柱側(cè)面的耐撞性。成功建立泡沫鋁填充物的有限元模型，并確定了泡沫鋁的主要材料參數(shù)，將其填充在整車B 柱中，采用Ls － dyna 顯示求解方式，對(duì)填充泡沫鋁前后的整車進(jìn)行側(cè)面碰撞仿真分析。

以B 柱侵入量和侵入速度作為整車側(cè)面耐撞性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，仿真結(jié)果顯示B 柱侵入量和侵入速度都有明顯減小，從而提高整車的側(cè)面耐撞性。泡沫鋁作為一種特殊的吸能泡沫材料，填充汽車B 柱內(nèi)吸收1． 51kJ 能量，是原來(lái)B 柱加強(qiáng)板吸收能量的3 倍。

泡沫鋁是一種不便宜的材料，制作過(guò)程復(fù)雜。目前，僅能在一小部分汽車零部件上使用。但隨著新工藝的發(fā)明，泡沫鋁材料也許會(huì)在越來(lái)越多的領(lǐng)域使用。泡沫鋁的應(yīng)用為汽車的減重、吸能、節(jié)能、環(huán)保等問(wèn)題提供新的思路。