薄壁結構在汽車吸能盒中的應用與展望

李世岳 胡洪林 陳哲倫

（重慶交通大學機電與車輛工程學院，重慶 400074）

縮略語

NHTSA National Highway Traffic Safety Administration EAEnergy Absorption PCFPeak Collision Force SEASpecific Energy Absorption ACFAverage Crush Force CFECrush Force Efficiency

0 引言

汽車薄壁吸能盒本身質量小，軸向強度相對較高，能夠穩定地提供軸向壓縮力以抵消沖擊的影響，具有良好的吸能特性[1]。作為汽車碰撞過程中的關鍵吸能部件，在遭受軸向沖擊載荷時，前縱梁和薄壁結構吸能盒能夠抵消掉大約一半的沖擊動能，有效地達到保護乘車人安全的目的[2-3]。

本文基于上述內容，對汽車薄壁結構的評價指標、結構類型進行全面歸納，對薄壁結構吸能特性研究現狀進行闡述，最后對汽車薄壁結構未來研究方向做出了展望。

1 薄壁結構耐撞性評價指標

薄壁結構在受到沖擊碰撞時，主要通過自身結構發生的壓潰破壞變形耗散沖擊負載。這個過程變化極為復雜，合理精準地評判薄壁結構的耐撞性極為重要。為了準確表征在相互作用過程中薄壁結構自身塑性對碰撞力和動能吸收能力的影響，國內外專家定義了以下主流評價指標：總吸能（Energy Absorption，EA）、最大峰值碰撞力(Peak Collision Force，PCF)、平均壓潰力(Average Crush Force，ACF)、比吸能（Specific Energy Absorption，SEA）、壓潰力效率（Crush Force Efficiency，CFE）[4]。

1.1 EA

薄壁結構是汽車主要吸能元件，其設計宗旨是在撞擊過程中將沖擊動能高效地轉化為變形能，達到能量吸收的目的。EA是指在整個碰撞破壞變形當中薄壁結構耗散的所有能量，其表達式為：

式中，EA為吸能元件的EA；F為碰撞力；l為壓潰位移；lmax為最大壓潰位移。

1.2 PCF

在薄壁結構研究領域，PCF 通常在2 個關鍵階段出現：一是薄壁結構在彈性極限內發生彎曲的瞬間；二是薄壁結構在碰撞過程中整體被壓縮的時刻。盡管初次碰撞峰值吸能貢獻較小，但其對薄壁結構整體失效具有顯著影響，因此在研究碰撞問題時應將此作為研究重點。為了保證乘員安全，應盡可能減小PCF初始值，從而有效地減小碰撞加速度。

1.3 ACF

ACF 是指薄壁結構受沖擊壓縮過程中單位壓縮位移吸收的能量，其表達式為：

式中，FACF為吸能元件的ACF；Ea為吸能元件的總吸能。

結合式（1）與式（2）可以看出，若lmax保持不變，EA與ACF的評價指標相同。

1.4 SEA

在碰撞過程中，SEA是指衡量材料能量吸收能力的指標，即單位質量薄壁結構所吸收的能量，其表達式為：

式中，SEA為吸能元件的SEA；M為薄壁結構的總質量。比吸能越大說明單位質量薄壁結構吸收能量越多，更加符合輕量化設計以及耐撞性要求。

1.5 CFE

CFE為ACF與PCF之比的百分數形式，其表達式為：

式中，ηCFE為吸能元件的CFE；FACF為吸能元件的ACF；FPCF為吸能元件的PCF。

綜上所述，薄壁結構常用的耐撞性能評估指標主要有：EA、PCF、ACF、SEA、CFE。減小PCF 有助于減小沖擊加速度，提高乘員安全性。薄壁構件在沖擊過程中吸收的能量越多，對乘員的保護效果越好。CFE綜合考慮了EA 和PCF 對薄壁構件吸能特性的影響，其值越接近“1”說明薄壁結構件在碰撞吸能中變形越穩定，更加有利于乘員保護。SEA是衡量材料在能量吸收過程中效率的關鍵指標，應盡可能最大化SEA值以優化結構吸能特性并順應輕量化設計趨勢。理想的吸能元件應展現出較低的PCF、EA、SEA 和CFE值。在薄壁吸能結構研究設計階段，可根據具體問題和優化設計需求，選擇合適的評價指標。

2 薄壁結構吸能盒分類研究進展

薄壁結構吸能盒的吸能特性與其幾何尺寸、材料類型、設計結構以及載荷狀態緊密相關。上世紀60年代開始，國外學者便對薄壁結構的軸向動態沖擊和靜態壓潰進開展了大量試驗研究。Alexander[5]通過試驗研究薄壁圓管的軸向壓潰變形過程，通過建立薄壁圓管壓潰變形近似理論模型，解釋了薄壁結構圓管在軸向漸進變形的吸能能力。Wierzbicki[6-7]在Alexander建立的預測模型基礎上進一步提出了移動塑性鉸模型，Singace[8-9]通過試驗方法在二者的研究基礎之上繼續拓展薄壁結構受到沖擊載荷時的變形特性。

不同結構類型的薄壁結構在受到沖擊時表現出來的破壞形式也有所不同。國內外研究人員在Alexander研究的基礎上不斷地完善和揭示薄壁結構的變形破壞機制以及不同的變形模式。目前，薄壁結構理論已經取得顯著的研究成果。此類結構不僅廣泛應用于汽車和軌道車輛領域，而且在飛行器內部結構中也占有一席之地[10-15]，下文將對單胞薄壁結構、多胞薄壁結構和泡沫填充薄壁結構3種薄壁結構吸能盒結構類型進行梳理。

2.1 單胞薄壁結構

單胞薄壁圓管因結構簡單、能量吸收率高而備受關注。在單胞薄壁圓管結構的初始設計階段，研究人員對其尺寸、壁厚、形狀等參數進行了詳細的設計研究。

Wierzbicki 對薄壁結構方管的沖擊壓潰機制進行了研究，根據超折疊單元理論，提出了方管在對稱變形模式下的平均壓潰載荷理論預測模型，展示了薄壁結構的平均壓潰載荷與管的長度無關，而是與管的寬度、厚度以及所使用的材料相關。Abramowicz 研究發現，薄壁方管的壓潰變形模式受多種因素影響，包括壁厚、長度、寬度、沖擊載荷速度以及初始缺陷。此外，針對薄壁結構方管進行沖擊試驗，提出了與對應變率效率和有效應變距離相關的平均壓潰載荷理論預測模型。

除方管及圓管之外，研究者還提出不同截面形狀的單胞薄壁結構。Sun[16]對三角形薄壁結構管進行壓潰試驗，提出了一種可預測平均破壞應力和折疊波長的塑性模型。Ali[17]研究了五邊形薄壁管和矩形薄壁管的動態壓潰，展示了在相同的橫截面積下，五邊形薄壁管比矩形薄壁管吸能更多。Yamashita[18]通過有限元仿真探討了管的厚度、邊數及材料對多邊形薄壁結構的影響，多邊形薄壁結構在不超過六邊的情況下，可以得到穩定的壓潰變形。Nia[19]等對比了三角形、正方形、六邊形和八邊形截面的鋁制簡單多胞薄壁管進行準靜態加載，結果表明，隨著截面邊增加多邊形薄壁結構比吸能提高，吸能能力增強。除此之外，六邊形和八邊形截面在多晶胞結構中吸收了單位質量的最大能量。

在單胞薄壁結構中，可以通過增加單胞多邊形管的邊數提高其吸能效率，但其存在一定峰值，當其吸能特性達到最大值后，繼續增加多邊形管的邊數可能會導致吸能效率降低?；诖饲疤嵯?，Deng[20]提出了一種新型正弦截面橫向波紋管，通過振幅、直徑、波紋數量的多目標優化展示了該結構在合理波紋數和幅值下能夠比傳統的方管有更好的耐撞性，SEA 提高53.65%。

2.2 多胞薄壁結構

在研究單胞薄壁結構的同時，Wierzbicki等[7]設計了設計了兩胞、三胞等多胞薄壁結構，并通過超折疊單元理論預測表明了多胞薄壁結構的吸能特性優于單胞薄壁結構，自此多胞薄壁結構進入人們的視野。多胞薄壁結構通過包含不同的角單元，導致其吸能效果相比于單胞薄壁結構大幅增加。

Zhang[21]設計了一種九胞薄壁方管結構，研究發現這種結構下其包含著不同的角單元，其中十字角單元對吸能性能的增強貢獻最為顯著，在其結構材料不變的情況下，增加十字角單元數量能夠提高其吸能特性。Najafi和Rais-Rohani[22]以方形截面的單胞薄壁結構為原型，提出了4種不同截面布置關系的多胞薄壁結構，研究結果表明，多胞薄壁結構在碰撞過程中的壓潰力波動范圍比單胞管小，吸能過程更加平穩。

劉亞軍[23]等以正四邊形多胞薄壁為基礎，設計了內嵌多邊形及外接圓管2 種新型多胞薄壁結構（圖1），利用高速攝像機記錄其薄壁結構變形形式，對比發現內嵌多邊形吸能效果明顯高于外接圓管結構。

圖1 內嵌多邊形及外界圓管薄壁結構[23]

隨著對多胞薄壁結構的深入研究，結合對自然界的觀察，研究人員提出了一種基于仿生學原理的設計方法，用以指導多胞薄壁結構的設計與創新。Yin[24]發現雙層多胞薄壁管可以模仿植物莖稈的結構，通過2個同心層的多邊形薄壁管組合而成。仿生設計的優勢在于其結構能夠自然地分散載荷，使得應力分布更加均勻，從而提高其耐撞性。而且，通過對晶胞數和直徑的調整，可以進一步優化其性能。試驗證明，仿生雙層多胞薄壁管的耐撞性比普通方管和圓管要高出很多，這種結構在輕量化設計中具有廣泛應用前景。

Xu等[25]通過蒲草和竹子作為仿生模型，設計出了一種汽車前保險橫梁和多胞薄壁吸能盒，經計算分析，較之普通的保險杠，其設計的仿生保險杠在較小壓縮位移的條件下，顯示出更高的吸能性能。

于鵬山[26]發現竹材在自然界中主要承受著風載荷和自重載荷，其和薄壁管有著相似的共同之處，通過對仿生節和仿生單元的設計，提出了一種仿生竹雙層薄壁圓管（圖2），分析了內管直徑和壁厚等因素對新型仿竹薄壁管耐撞性和變形模式的影響，為薄壁結構仿生管提供了結構設計和尺寸優化方面的參考。

圖2 仿生竹材薄壁管截面[26]

白訪華[27]通過觀察甲蟲生理結構，設計了一種仿生八邊形多胞薄壁管結構，并利用數值模擬的方法進行驗證。該仿生結構相比于傳統八邊形多胞薄壁結構，其吸能性能至少提高了30%，同時載荷波動也有所下降，且具有更高的耐撞性?；豉i[28]等根據鹿角骨的結構組成，提出了一種內徑保持不變、外徑隨層數減小的仿生薄壁管，如圖3所示。研究通過有限元數值模擬和試驗驗證，對比3種角度斜向沖擊工況下該仿生薄壁管的吸能變化變化狀態。結果表明，沖擊變形模式會隨著結構形狀逐層緊縮，具有較好的吸能特性。此外，優化出梯度和厚度參數可以為車輛吸能元件的設計提供參考。

圖3 仿生鹿角設計結構[28]

陳曉薇[29]利用方竹結構設計了仿生薄壁管的截面形狀，有限元數值模擬的方式探究了不同壁厚和竹節數對仿生薄壁管耐撞性的影響。研究結果表明，該仿生薄壁管具有較好的耐撞性和變形穩定性，通過增加竹節數可以提高吸能效果和變形穩定性。此外，在增加壁厚和圓角尺寸的情況下，仿方竹結構薄壁管的最大峰值載荷以及比吸能得到了相應的提升。

牛樅[30]以雀尾螳螂蝦螯為仿生原型，提出了一種正弦胞元多胞薄壁管結構，如圖4所示。通過有限元數值模擬分析不同碰撞角度下仿生胞元數對薄壁管的耐撞性影響。通過計算初始峰值載荷、比吸能和碰撞力效率來驗證其結構耐撞性能。結果顯示，薄壁管的耐撞性能和晶胞數呈先增后減的變化趨勢，當晶胞數為4時，薄壁管耐撞性處于峰值。

圖4 蝦螯宏微觀結構及仿生多胞管設計[30]

近年來，隨著對多胞薄壁結構研究的推進以及仿生技術的發展，研究人員通過仿生工程和力學結構設計，研發出了大量的仿生多胞薄壁結構，較之傳統的單胞薄壁結構，這些新穎的多胞薄壁結構在降低最大峰值載荷和提高比吸能方面都展現出更大的潛力。

2.3 泡沫填充薄壁結構

研究發現，加入泡沫填充材料后薄壁結構與填充材料發生的耦合作用可以顯著提高薄壁結構吸收沖擊能量的能力。填充薄壁結構軸向吸能特性的研究較為廣泛，常用的填充材料主要包括泡沫鋁、聚氨酯泡沫和蜂窩材料[31]。

2.3.1 泡沫鋁填充薄壁結構

泡沫鋁填充薄壁結構因其優良的吸能特性受到廣泛關注，國內外學者對其開展了大量的研究。發生沖擊時，泡沫鋁和薄壁結構管之間的相互作用表現得尤為重要，包括：泡沫從內部支撐管壁，抵抗管壁的局部屈曲；金屬管對泡沫的坍塌起限制作用，延緩泡沫的失穩；泡沫鋁與金屬管變形的不同步產生的縱向摩擦力。這些相互作用不僅有效地解決了薄壁結構管在失效過程難以控制的問題，而且彌補了泡沫鋁在單獨使用時出現缺乏穩定性坍塌的不足。

泡沫鋁填充薄壁結構的制備可以通過外加填充、膠結粘合、激光釬焊等方法。由于制備方法的多樣性和薄壁結構設計的差異性，泡沫鋁填充薄壁結構也呈現出多種形態。根據其結構類型分類，可分為泡沫鋁填充單管、全填充雙管、半填充四胞管等；根據其截面形狀不同，可分為泡沫鋁填充方管、圓管、正多邊形管等[32]。釬焊泡沫鋁填充薄壁方管制備流程如圖5所示[33]。不同的類型的泡沫鋁填充薄壁結構在吸能特性和變形機制方面展現出各自的特性。

圖5 釬焊泡沫鋁填充薄壁方管制備流程[33]

因為泡沫鋁填充薄壁結構優異的耐撞性能，國內外對其做了大量試驗以及理論研究，Hanssen[34-35]通過試驗討論薄壁結構的壁厚、材料以及薄壁結構與泡沫鋁之間相互作用對薄壁結構沖擊變形的影響，由此基礎建立泡沫填充薄壁結構的平均載荷預測模型。Seitzberger[36]通過控制變量對空管和空管薄壁結構進行軸向靜壓試驗，探討了不同材料、截面和尺寸大小對影響，發現在同種條件下泡沫鋁填充管薄壁結構耐撞性較之空管有大幅提升。Yin[37]對不同的填充形式的泡沫鋁填充薄壁方管的耐撞性能進行了探討，發現井字形的填充方式比單層填充、雙層填充以及田字填充更具吸能特性。

2.3.2 聚氨酯泡沫填充薄壁結構

聚氨酯是一類由羥基化合物和異氰酸酯合成的高分子化合物，該類化合物產品展現出多樣化的形態和性能特征。通過調節原材料的比例、種類以及反應溫度等參數，可以實現對聚氨酯產品性能（如硬度）的調整。

聚氨酯泡沫（Polyurethane Foam，PUF）芯夾層復合材料是一種具有廣泛應用前景的多功能材料，其應用范圍涵蓋基本的結構元素至先進的工程材料。該材料的特點包括：結構設計的簡潔性、安全性、生產便捷性，同時具有優異的抗疲勞和抗沖擊性能。此外，其輕質特性順應了汽車吸能元件輕量化設計的趨勢。

以聚合物泡沫作為填充材料可以提高薄壁結構的力學性能和抗沖擊性，其原理是通過泡沫材料自身的壓潰形變以及其與薄壁結構的交互作用提升復合結構壓潰時的耐撞性能。關于聚合物泡沫填充蜂窩結構壓潰性能的理論研究較少，現存的大多數研究主要以試驗方式為主。丁楠等[38]通過試驗對比了方形鋁管、鋁蜂窩填充方管、硬質聚氨酯泡沫（Rigid Polyurethane Foam,RPUF）填充方管及RPUF或鋁蜂窩填充方管4種結構的軸向壓潰性能，試驗結果表明，采用聚合物泡沫作為填充物的薄壁結構方管在吸能效果上相較于傳統的空管提高了3倍以上。

2.3.3 蜂窩填充薄壁結構

蜂窩材料因其較高的承載能力和吸能能力而被廣泛應用于汽車耐撞性元件[39]制造，可以通過調節所用材料、結構及內部胞元形狀、數目等參數提升蜂窩材料的吸能效果。

張勇[40]采用數值模擬和試驗相結合的方法，通過改變沖擊角度和速度的方式，探究不同的沖擊工況下對蜂窩薄壁結構和薄壁結構空管的沖擊性能影響，如圖6所示，試驗結果表明，任何工況下，蜂窩填充薄壁結構在沖擊中的變形穩定性和吸能表現均優于薄壁空管結構。

圖6 蜂窩填充薄壁結構幾何模型[40]

劉穎[41]設計了一種分層遞變的蜂窩薄壁結構，發現通過改變胞元半徑、排列順序以及梯度系數能夠大范圍改變蜂窩薄壁結構的動力響應方式，從而達到控制蜂窩材料內部應力變化范圍、能量傳播方向以及提高蜂窩填充薄壁結構耐撞性目的

張勇[42]通過數值模擬分析的方法探究4種胞元數不同的蜂窩填充薄壁結構在同種沖擊工況下的力學變化，發現厚度對同種胞元蜂窩薄壁結構的變形模式改變不明顯，同時蜂窩與薄壁空管的相互作用使得蜂窩薄壁結構抗沖擊能力大幅增加。

李本懷[43]發現在薄壁空管中添加隔板與蜂窩可以使薄壁管總吸能翻倍，且因隔板與蜂窩薄壁管在沖擊的過程中發生耦合作用，使其在沖擊變形過程中更具穩定性。

3 薄壁結構吸能特性研究現狀

薄壁結構作為汽車內部重要的吸能元件，其因在減震吸能、防撞抗沖擊等方面的顯著性能逐漸受到廣泛關注，特別是其變形機制和吸能表現。研究人員主要通過軸向沖擊、以及橫向三點靜壓的試驗方式探究薄壁結構的變形機理，以期為薄壁結構的優化設計和性能評估提供科學依據。

3.1 軸向沖擊

汽車發生正面碰撞時，車輛所搭載的吸能結構可以吸收60%以上的碰撞能量，因此，對薄壁結構開展軸向沖擊試驗尤為重要。

Zhang[44]對比分析了多種多邊形截面的單胞薄壁結構，在單胞薄壁結構在軸向沖擊當中主要可以發生非延展性變形、延展性變形和混合變形，其研究發現偶數邊的正多邊形列比奇數邊的正多邊形列具有更規則的折疊模式。圖7為六邊形截面單管的2種變形形態。

圖7 六邊形截面單管的2種變形形態[44]

傳統的多胞薄壁結構管與單胞薄壁結構變形形式大致相同，都是以漸進折疊的壓潰方式吸收能量，并且折疊波段會隨著多胞結構內部胞數的增加而增加，多胞薄壁波紋管的軸向沖擊的模式可分為不穩定模式、鉆石模式、手風琴模式和混合模式4種類型，每一模態都受到余弦波峰數及其振幅的強烈影響[45]。

泡沫填充薄壁結構之間，泡沫填充材料的性質以及薄壁管的截面形狀的差異會導致不同的變形模式。以泡沫鋁填充薄壁結構為例，其變形模式包括：對稱模式、非對稱模式、混合模式及歐拉失穩模式（見圖8）。

圖8 泡沫鋁填充薄壁結構在軸向壓縮中的失穩形式[45]

3.2 橫向三點靜壓

汽車發生側面碰撞時，橫向彎曲破壞是典型的破壞形態之一。車架縱梁作為重要的吸能保護元件，被廣泛應用于汽車設計中，能夠有效地減輕乘員受到的外部沖擊力。而橫向三點靜壓試驗是一種常見的保護機制評估方法，該方法的影響因素不僅包括薄壁結構的材料屬性，還涉及到結構設計、試驗設置和蜂窩填充物的特性多個方面。

在橫向三點靜壓試驗中，如圖9所示，盡管不同類型的薄壁結構變形過程類似，但其彎曲變形失效機制與彎曲時形成的蘇醒鉸接點有關。大多數變形失效均發生在塑性鉸接點位置附近。研究數據表明，通過添加填充材料，薄壁圓管三點彎曲承載能力得到顯著提高，并且使變形過程更穩定[46]。

圖9 橫向三點靜壓試驗示意[46]

4 未來展望

汽車安全性能是傳統燃油汽車和新能源汽車共同面臨的關鍵挑戰。薄壁結構作為汽車關鍵吸能元件，其評價指標、結構特點和吸能特性一直是汽車安全研究者關注的焦點。本文通過分析薄壁結構發展現狀、安全測試評價指標，發現可以從以下4個方面優化和改善薄壁結構。

（1）當前對于薄壁結構的研究主要集中于軸向正面沖擊以及橫向沖擊，但在實際汽車碰撞事故中，沖擊載荷方向往往與汽車正前方存在一定夾角，即斜側向碰撞。這種情況下，僅考慮橫向和軸向沖擊，薄壁結構可能無法在斜側向沖擊中展現出其最佳性能，因此研究不同角度的斜側向沖擊碰撞對于提高薄壁結構在復雜碰撞情況下的性能具有重要意義。

（2）在多胞薄壁結構中，仿生多胞薄壁結構因其優良的耐撞特性而得到迅速迅速。然而，由于仿生結構幾何復雜性，常規工藝難以加工，導致其制備成本較高，難以實現大批量生產并廣泛應用于汽車制造。引用3D 打印技術，為復雜幾何結構的制備提供了新的可能。發展3D 打印技術，有望降低制備成本同時提高生產效率。

（3）我國在泡沫填充薄壁結構設計領域中起步較晚，對不同材料的變形形式、失效機制方面的研究尚不充分。關于泡沫填充薄壁結構的數值模擬均是針對某種特定加載條件下進行，而實際面臨的外界環境載荷復雜多樣，需要與實際試驗進行結合對比。因此，建議優化模擬預測方法，建立普適性計算模型，在提高填充薄壁結構經濟性的同時擴大其實際應用范圍。

（4）目前對于多胞填充薄壁結構方面探究尚不充分，建議通過調節多胞薄壁材料與填充材料之間配比關系，合理的選取多重材料的復合設計方式達到兼用不同材料優勢的目的，在提升耐撞性能的同時，盡可能地實現輕量化設計以及節約制造成本。