六边形蜂窝芯吸能盒创新设计及其吸能特性研究.pdf

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 Hydroelectric 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 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 absorption 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 impact 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 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大小设置为 2 mm，刚性板网格大小均设置为 3 mm。蜂窝夹芯和吸能盒外壳以及刚性板之间的接触设定为通用接触，其中静摩擦系数和动摩擦系数分别置为 0.3 和 0.2。在本次计算中，吸能盒的整体尺寸均为 50 mm50 mm100 mm。对于蜂窝填充吸能盒，其内部蜂窝夹芯的整体尺寸均为 48 mm48 mm100 mm，蜂窝夹芯胞壁长度为 9 mm，蜂窝夹芯壁厚为 0.2 mm，吸能盒外壳厚度为 1 mm。吸能盒外壳和蜂窝夹芯材料均选用铝合金 A13003-H8。六边形蜂窝芯结构及外壳材料力学参数为：密度 2700 kg/m3，弹性模量 69 GPa，泊松比 0.33，屈服应力 150 MPa。1.3 耐撞性相关评价指标 在汽车发生碰撞时，评价汽车吸能盒的碰撞吸能特性指标主要包括：吸能量 E、平均碰撞力mF、碰撞力峰值maxF、碰撞力效率 cl、比吸能 SEA 等。（1）吸能量。即在吸能盒碰撞过程中吸收的总能量，计算为：0()dDEF ss=（1）式中：F 为碰撞时产生的碰撞力；s 为压缩变形位移；D 为最大变形量。（2）平均碰撞力。车辆在发生碰撞时会产生碰撞力，由式（1）可得吸能量的值只与平均碰撞力和总位移的大小有关。因此在吸能盒尺寸固定和保障车乘人员安全的前提下，平均碰撞力越大，吸能盒的吸能效果越好。（3）碰撞力峰值。其出现在两个阶段。第一个阶段是临界状态，在结构碰撞发生变形时会产生瞬时碰撞力峰值；第二个阶段是密实阶段，当吸能盒被压缩到密实状态时，随着结构被压缩，力会骤增。在研究碰撞力峰值时，常采用第一个阶段作为研究对象。（4）碰撞力效率。表示结构在受到冲击时的稳定性，计算公式为：clmaxmFF=（2）由式（2）可以看出，cl值越大，结构的载荷稳定性越好。（5）比吸能。为吸能量和质量的比值，即：ESEAM=（3）式中：M 为吸能盒的总质量。在吸能盒满足吸能要求的前提下，也要考虑吸能盒本身的质量，车身的轻量化设计也非常重要。比吸能值越高，对车身的损害越小。2 六边形蜂窝芯吸能盒冲击特性数值计算结果 2.1 同尺寸吸能盒完全正面碰撞数值分析 当发生交通碰撞事故时，碰撞形式主要有正面碰撞、侧面碰撞和尾部碰撞等。统计显示，正面碰撞是碰撞事故发生的主要形式，约占65.2%13，因此对汽车正面碰撞的研究具有十分重要的经济价值和科学意义。其中完全正面碰撞（零角度完全碰撞）事故是正面碰撞的一种典型事故形式，完全正面碰撞测试则是最常用的测试标准。完全正面碰撞建立的轴向冲击有限元数值计算模型如图 3 所示，其在图 2 模型基础上添加与吸能盒和下刚性板完全平行的上刚性板。仿真汽车吸能盒在低速 3040 km/h（10 m/s）、中速 6080 km/h（20 m/s）、高2023 年第 8 期 第 50 卷 机械 29 速 100120 km/h（30 m/s）发生完全正面碰撞的工况。同时添加同尺寸大小的传统吸能盒作为对照，如图 4 所示。六边形蜂窝芯吸能盒和传统吸能盒在有效位移压缩下内吸收的能量变化曲线如图 5 所示，可以看出，六边形蜂窝芯吸能盒在三种速度下吸收总能量均明显大于传统吸能盒，随着压缩位移的增大，吸收的能量也逐渐增加。图 2 六边形蜂窝芯吸能盒 图 3 六边形蜂窝芯吸能盒完全正面 图 4 传统吸能盒完全正面 轴向冲击有限元数值模型 碰撞轴向冲击有限元模型 碰撞轴向冲击有限元模型 压缩位移/mm总能量/J0204060800200400600800六边形蜂窝芯吸能盒传统吸能盒（a）低速 （b）中速 （c）高速 图 5 两种吸能盒总能量位移曲线 两种吸能盒在不同速度下吸收的总能量如表 1 所示。可以看出，在低速、中速、高速下，六边形蜂窝芯吸能盒吸收的总能量比传统吸能盒分别高出 37.47%、45.07%、32.74%。代入式（3）可得，在低速、中速、高速下，同质量六边形蜂窝芯吸能盒的比吸能比传统吸能盒分别高出 31.225%、37.56%、27.28%。表 1 吸能盒不同速度下吸收总能量 吸能盒类型 吸收总能量/J 低速 中速 高速 传统吸能盒 501.83 575.32 700.48 六边形蜂窝芯吸能盒689.86 834.59 929.85 综上可得，六边形蜂窝芯吸收能量效率比传统吸能盒具有非常明显的优势。六边形蜂窝芯吸能盒和传统吸能盒在三种速度下的碰撞力位移曲线如图 6 所示，可以看出，六边形蜂窝芯吸能盒与传统吸能盒碰撞力位移曲线变化相似，过程可分为两个阶段。第一阶段是线性段，碰撞力随着位移的增加而迅速增加。第二阶段是平台段，随着位移增加，碰撞力在一定数值范围内来回波动。但六边形蜂窝芯吸能盒碰撞力峰值和平均碰撞力均明显高于传统吸能盒。随着速度的增加，两种吸能盒碰撞力峰值和平均碰撞力也增加，如表 2 所示。可以看出，在低速、中速、高速下，六边形蜂窝芯吸能盒比传统吸能盒的平均碰撞力分别高出 27%、31%、24%，代入式（2）可得，在低速、中速、30 机械 2023 年第 8 期 第 50 卷 高速下，六边形蜂窝芯吸能盒的碰撞力效率与传统吸能盒均相差不大，说明在填充六边形蜂窝芯后，吸能盒依然保持结构的载荷稳定性。（a）低速 （b）中速 （c）高速 图 6 两种吸能盒碰撞力位移曲线 表 2 吸能盒不同速度下的碰撞力 吸能盒类型 碰撞力峰值/kN 平均碰撞力/kN 低速 中速高速 低速 中速 高速传统吸能盒 23.23 25.46 31.67 6.34 7.27 8.86六边形蜂窝芯吸能盒 30.48 33.39 40.27 8.72 10.55 11.76 2.2 吸能盒多角度工况数值分析 吸能盒尺寸及仿真模型参数设置均与 1.2节相同，添加与下刚性板倾斜的上刚性板，载荷角为 040（以 10的间隔增加）。模拟六边形蜂窝芯吸能盒在多角度速度下的吸能效果和碰撞力等相关参数的大小，如图 7 所示。六边形蜂窝芯吸能盒在多角度速度条件、有效位移压缩下内吸收的能量变化曲线如图 8 所示。可以看出，随着载荷角的增大，六边形蜂窝芯吸能盒吸能效果逐渐减小，在低速载荷冲击下，六边形蜂窝芯吸能盒在载荷角 20和 30时吸收的总能量相差不多，在载荷角 20与 30差值最大。在中速载荷冲击下，吸能盒则在载荷角 30和 40时吸收的总能量相似，在载荷角 20和 30时差值仍为最大。而在高速载荷冲击下，吸能盒吸收的总能量随着载荷角的增加，近乎均匀减少。图 7 六边形蜂窝芯吸能盒斜冲击有限元模型 （a）低速 （b）中速 （c）高速 图 8 六边形蜂窝芯吸能盒总能量位移曲线 2023 年第 8 期 第 50 卷 机械 31 六边形蜂窝芯吸能盒在不同速度下的碰撞力位移曲线如图 9 所示。可以看出，六边形蜂窝芯在多工况载荷冲击下，曲线仍然呈有线性段和平台段，但只有在 0载荷冲击下具有明显的碰撞力峰值，随着载荷角的增加，碰撞力峰值逐渐减弱且后移。在平台段时，平均碰撞力差值较小。载荷冲击速度增加，碰撞力峰值和平均碰撞力均增加。但是变形模式与曲线变化趋势基本不变。（a）低速 （b）中速 （c）高速 图 9 六边形蜂窝芯吸能盒碰撞力位移曲线 3 结论 本文构型了一种填充六边形蜂窝芯的吸能盒，利用仿真模拟比较了该吸能盒和传统吸能盒在完全正面碰撞（零角度完全碰撞）的总吸能、平均碰撞力等衡量吸能盒吸能效果的相关参数。测试了六边形蜂窝芯吸能盒在不同工况下的总吸能、碰撞力位移曲线，得到以下结论。（1）填充了六边形蜂窝芯的吸能盒与传统吸能盒相比，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。（2）通过对比六边形蜂窝芯吸能盒在不同角度载荷冲击下的情况。发现在同样速度的工况下，随着载荷角的增大，吸能盒的吸能效果逐渐减弱，同时，除 0载荷冲击下吸能盒存在明显的碰撞力峰值外，其他角度碰撞力峰值逐渐减小且变化不大。（3）通过对比六边形蜂窝芯吸能盒在不同速度载荷冲击下的情况，发现载荷速度增大，吸能盒的吸能量、碰撞力等相关参数均增加，但变形模式变化不大。参考文献：1曲明.汽车吸能盒结构低速正面撞击的数值仿真研究D.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2008.2万鑫铭，徐小飞，徐中明，等.汽车用铝合金吸能盒结构优化设计J.汽车工程学报，2013，3（1）：15-21.3张伟.三维负泊松比多胞结构的轴向压缩性能研究D.大连：大连理工大学，2015.4彭杰.基于仿生学的汽车低速吸能盒研究D.长春：吉林大学，2015.5陈有松，孙万朋，安超群，等.基于低速正碰的吸能盒式防撞梁吸能特性研究J.现代制造工程，2018（3）：53-58.6张鹏，齐德兴，夏勇，等.板状立方点阵超结构填充汽车吸能盒的抗冲击吸能特性J.汽车安全与节能学报，2020，11（3）：287-295.7王春华，姜宗帅，郭月.诱导槽参数对泡沫铝填充吸能盒的碰撞吸能特性的影响J.机械强度，2019，41（3）：689-695.8李响，曹祥斌，杨蔚华，等.泡沫填充类蜂窝夹层结构的耐撞性J.武汉科技大学学报，2021，44（1）：20-26.9孙成智，曹广军，王光耀.为提高低速碰撞性能的轿车保险杠吸能盒结构优化J.汽车工程，2010，32（12）：1093-1096，1101.10郝亮，徐涛，崔健，等.参数化诱导槽设计的吸能盒结构抗撞性多目标优化J.吉林大学学报（工学版），2013，43（1）：39-44.11Song Jiafeng，Xu Shucai，Zhou Jianfei，et al.Experiment and numerical simulation study on the bionic tubes with gradient thickness under oblique loadingJ.Thin-Walled Structures，2021，163（2）：107624.12杨星，于野，张伟，等.基于三维多胞结构的汽车吸能盒优化设计J.大连理工大学学报，2017，57（4）：331-336.13刘东春，王凯，张长江.汽车正面角度碰撞试验方法对比分析研究J.汽车与配件，2021（19）：68-71.