六边形蜂窝芯吸能盒创新设计及其吸能特性研究.pdf
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1、26 机械 2023 年第 8 期 第 50 卷 收稿日期:2022-07-11 作者简介:白艳伟(1994),男,山西吕梁人,硕士研究生,主要研究方向为动力工程,E-mail:;余万(1984),男,湖北黄冈人,博士,副教授,主要研究方向为新能源利用及强化传热,E-mail:;赵恒(1997),男,安徽阜阳人,硕士研究生,主要研究方向为结构优化设计,E-mail:。六边形蜂窝芯吸能盒创新设计 及其吸能特性研究 白艳伟1,余万1,李响1,2,赵恒1(1.三峡大学 机械与动力学院,湖北 宜昌 443002;2.三峡大学 水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室,湖北 宜昌 443002)摘要:六边
2、形蜂窝结构具有良好的力学性能和吸能特性。为了更好地提升汽车吸能盒的吸能特性,采用四边形截面和内部填充六边形蜂窝芯创新构型了一种新型吸能盒。采用数值模拟技术发现,与传统吸能盒相比,六边形蜂窝芯吸能盒具有更优越的吸能效果和更高的比吸能,并且在受到相同的载荷冲击时仍能保持结构的稳定性,同时针对载荷角度探讨了六边形蜂窝芯吸能盒在不同速度载荷冲击下的吸能效果和碰撞力变化模式。本文研究内容有望为进一步提升吸能盒性能提供参考。关键词:六边形蜂窝芯;吸能盒;载荷角;吸能特性;碰撞力 中图分类号:U463.99 文献标志码:A doi:10.3969/j.issn.1006-0316.2023.08.004 文
3、章编号:1006-0316(2023)08-0026-06 Innovative Design and Energy Absorption Characteristics of Hexagonal Honeycomb Core Energy Absorbing Box BAI Yanwei1,YU Wan1,LI Xiang1,2,ZHAO Heng1(1.College of Machinery and Power Engineering,Three Gorges University,Yichang 443002;2.Hubei Key Laboratory of Hydroelectri
4、c Machinery Design and Maintenance,Three Gorges University,Yichang 443002)Abstract:The hexagonal honeycomb structure has good mechanical properties and energy absorption characteristics.In order to better improve the energy absorption characteristics of the automobile energy absorbing box,this paper
5、 adopts a new type of energy absorbing box with a quadrilateral section and a hexagonal honeycomb core filled inside.Through the numerical simulation technology,it is found that compared with the traditional energy absorbing box,the hexagonal honeycomb core energy absorbing box has better energy abs
6、orption effect and higher specific energy absorption while maintaining the stability of the structure when subjected to the same load impact.At the same time,the energy absorption effect and impact force change mode of the hexagonal honeycomb core energy absorbing box under different speed load impa
7、ct are discussed according to the load angle.The research of this paper is expected to provide the reference for further improving the performance of the energy absorbing box.Key words:hexagonal honeycomb cores;energy-absorbing box;load angle;energy absorption characteristics;collisions force 2023 年
8、第 8 期 第 50 卷 机械 27 汽车发生碰撞时,主要依靠前端的防撞梁、吸能盒以及前纵梁等吸收撞击的能量使自身产生塑性变形,从而使传递至驾驶舱的能量减小,达到保护车内人员的作用。目前大多数吸能盒为简单的方形或圆管形,无法很好地起到吸能作用,并且大多数为了耐撞性而使其质量较重。因此,需考虑一种轻量化和比吸能高的吸能盒结构设计。曲明1通过仿真和实验结合探究了吸能盒耐撞性方面的薄弱环节,并讨论了改进方法。万鑫铭等2在汽车吸能盒优化设计中利用近型模型技术和数值优化方法提出新型铝合金吸能盒,在吸收相同能量的同时尽可能减少吸能盒本身的质量。张伟等3设计了一种负泊松比效应的吸能盒结构,该结构在失效时的等
9、效弹性模量和平台应力均得到了加强,吸收能量的能力也有较好的体现。彭杰4提出新型仿生结构通过落锤冲击实验,以比吸能、碰撞力峰值、加速度为评价指标,得出填充剪切增稠液的吸能盒具有更高的吸能效率和更低的形变位移的结论。陈有松等5研究了吸能盒截面和吸能盒板厚度对防撞梁系统的影响,并筛选出最佳组合。张鹏等6提出用板超立方点阵结构填充吸能盒,在平均碰撞力和碰撞力峰值近乎相等的情况下,比吸能提升明显。王春华等7研究了诱导槽参数对吸能盒吸能效果的影响,得出在吸能盒侧壁上端均匀开出半径为2.5 mm的半圆形诱导槽在冲击过程中既保证了吸收相同能量,又降低了碰撞力峰值,且表现出更好的比吸能和压缩力效率。李响等8构型
10、一种聚氨酯泡沫填充类蜂窝夹芯结构,发现填充结构表现出更优异的载荷稳定性和吸能效率。孙成智等9采用有限元模拟和序列响应相面法结合的优化方法,并应用于吸能盒结构优化实例。郝亮等10利用三次多项式响应面法及径向基法设计其有效代理模型,并用粒子群法进行优化,得到吸能盒诱导槽的最佳位置和数量。Song Jiafeng 等11提出几种不同的仿生管状结构,并探究了在不同角度载荷下比吸能和碰撞力峰值等相关参数。杨星等12设计了一种具有负泊松比效应的新型多胞结构吸能盒,并验证了该结构在 RCAR(Research Council for Automobile Repair,汽车维修研究理事会)标准下的可行性。综
11、上所述,为了更好地提升汽车吸能盒的吸能特性,本文拟创新设计六边形蜂窝芯吸能盒,以传统空芯吸能盒为参照,并对不同工况吸能效果及碰撞力进行探究,有望为提升吸能盒的吸能特性提供参考。1 汽车吸能盒设计 1.1 结构设计 常规吸能盒截面通常采用四边形、等角六边形、等角八边形、圆形等形状。在此基础上,内部可能存在单腔和多腔结构。研究发现,采用四边形和等角六边形作为截面形状的吸能盒往往具有较好的吸能效果和较低的碰撞力峰值。六边形蜂窝芯结构是一种常用的夹芯结构,具有质量轻、强度高等特点,被大量应用于机械和建筑工程领域。本文采用四边形截面和内部填充六边形蜂窝芯来设计一种吸能盒,具体结构如图 1 所示。图 1
12、吸能盒结构示意图 1.2 数值计算模型 利用 ABAQUS/Explicit 显式动力学模块建立形内六边形蜂窝填充吸能盒轴向冲击有限元数值计算模型,如图 2 所示。该模型由上、下28 机械 2023 年第 8 期 第 50 卷 刚性面板以及中间吸能盒三部分组成,吸能盒部分主要包括传统未填充吸能盒和六边形蜂窝芯填充吸能盒。其中,吸能盒外壳通过 Tie 与下刚性板进绑定连接。数值模拟计算过程中,对下刚性板进行完全固定,模型中对蜂窝夹芯采用四节点缩减积分壳单元 S4R 单元进行网格划分,厚度方向设置 5 个积分点,刚性板采用实体单元进行网格划分。为了同时保证计算精度和效率,将蜂窝夹芯和吸能盒外壳网格
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