TRB波紋管結構參數對碰撞吸能的影響

劉堯慶

摘要：通過實體單元建立TRB波紋管碰撞吸能有限元模型，研究TRB波紋管的薄區厚度、過渡區厚度差、波紋管壁半徑和過渡區長度對吸能、比吸能和初始峰值力的影響，通過正交試驗設計得到試驗方案，數值模擬結果發現，增加薄區厚度和過渡區厚度差能夠提高波紋管吸能和比吸能，增加過渡區長度能夠降低初始峰值力。

Abstract： Establish a finite element model of TRB bellows collision energy absorption through solid elements， and study the influence of TRB bellows thin zone thickness， transition zone thickness difference， bellows wall radius and transition zone length on energy absorption， specific energy absorption and initial peak force. The experimental plan was obtained through orthogonal experimental design. Numerical simulation results found that increasing the thickness of the thin zone and the thickness difference of the transition zone can increase the energy absorption and specific energy absorption of the bellows， and increasing the length of the transition zone can reduce the initial peak force.

關鍵詞：TRB;碰撞吸能;正交試驗設計

Key words： TRB;energy absorption;orthogonal experimental design

中圖分類號：U46 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）04-0020-04

0 ?引言

隨著汽車不斷地發展，汽車安全性和輕量化得到不斷得提升，目前汽車進行輕量化的主要途徑：一是采用低密度，高強度的材料，如鋁合金;二是采用加工技術的輕量化結構用材，如激光拼焊板（Tailor Welded Blanks，TWB）和軋制差厚板（Tailor Rolled Blanks，TRB）等。TWB板和TRB板在滿足相同的強度剛度要求的情況下，避免了材料的浪費，而且由于TRB板沒有焊縫的影響，有著比TWB板更好的表面質量和可靠性等優點，目前許多學者對TRB開展了相應的研究工作。張渝[1]等人將TRB結構運用到管彎曲成形，對管結構參數彎曲成形的減薄率，增厚率進行優化，得到更好的TRB管成形。張自強[2]等人對TRB結構的前縱梁進行了動態和靜態工況的耐撞性進行了試驗與數值模擬的分析，試驗與模擬結果相對符合，對多種工況進行SEA和初始峰值力的多目標優化，對實際工況分析具有一定的指導意義。徐濤[3]對差厚吸能盒進行輕量化設計，利用差厚部件采用殼單元，對厚度進行材料屬性賦值，最終對質量和吸能進行了優化。LU[4]等人研究連續變截面管在40%和100%的碰撞面積下的吸能分析，優化后管的重量減少了12.9%，吸能性能也有所提高。

上訴研究表明在一定程度上，TRB在汽車應用上有很大的前景。波紋管作為一種特殊結構的管，具有很好的吸能特性，在汽車零件上應用廣泛。鑒于此，本文通過對TRB波紋管的結構尺寸參數進行正交試驗設計，以碰撞初始峰值力Fmax、吸能值E和比吸能SEA為評價指標，通過ANSYS/LS-DYNA進行數值模擬，分析TRB波紋管的不同結構尺寸對碰撞吸能特性的影響。

1 ?TRB波紋管結構有限元模型

本文采用U型波紋管，其過渡區的厚度變化呈線性變化。TRB波紋管的結構參數主要有：波紋管直徑D，波距H1，波高H2，波紋個數n，波紋管壁半徑R，薄區厚度t1，薄區長度L1，過渡區長度L0，厚度差△t，厚區厚度t2，厚區長度L2，總長度L。其TRB波紋管的結構參數如圖1所示。

通過ANSYS/LS-DYNA進行有限元模型的建立，由于此模型約束和初始條件完全對稱，因此建立二分之一模型，加快模型計算速率，為了更加準確的體現管厚度的變化，波紋管采用六面體實體SOLID164單元[6]，實時體現波紋管厚度變化，兩端剛性板采用SHELL163殼單元，本文選用鋁合金材料，采用MAT3彈塑性材料模型，其材料屬性為，密度2.7kg/m3，彈性模量70GPa，泊松比0.3，屈服強度80MPa，切線模量682MPa，由于鋁對應變率影響不大，為了簡化問題，忽略應變率對材料的影響，兩端剛性板采用MAT20剛體材料模型，上端剛性板施加質量500kg，初始速度10m/s，約束上端剛性板只沿Z方向移動，約束波紋管底部和下端剛性板全部自由度，對波紋管進行對稱約束。有限元模型如圖2。