用于汽車被碰撞時(shí)吸能的單晶胞金屬管的制作方法
【專利摘要】本用于汽車被碰撞時(shí)吸能的單晶胞金屬管，主體為錐形薄壁管。主體的錐度為0.3。主體壁厚與高度的比值為1：15～1：30。錐度為0.3的錐管在斜碰過程中，隨著斜碰偏角的減小，在加載速度方向的分力增加，使得初始峰值載荷升高，比吸能增大。因此，錐度為0.3時(shí)為最優(yōu)。
【專利說明】用于汽車被碰撞時(shí)吸能的單晶胞金屬管

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及用于汽車被碰撞時(shí)吸能的單晶胞金屬管。

【背景技術(shù)】
[0002]汽車結(jié)構(gòu)件在高速碰撞過程中吸能特性是碰撞安全研究的基礎(chǔ)。薄壁金屬管是汽車的基本結(jié)構(gòu)，也是碰撞時(shí)的主要吸能結(jié)構(gòu)。薄壁金屬管在受到軸向載荷碰撞時(shí)會產(chǎn)生不同變形模式來吸收和耗散能量，保障車輛及乘客的安全。因此，關(guān)于薄壁金屬管在高速碰撞過程中吸能特性的研究是汽車碰撞安全方面的基礎(chǔ)。國內(nèi)外對于薄壁金屬管的研究主要集中在方管與圓管吸能特性的研究，而對于錐形管的碰撞吸能、特別是帶有晶胞的錐形管能量吸收特性的還沒有研究。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0003]本實(shí)用新型的目的是提供一種用于汽車被碰撞時(shí)吸能的單晶胞金屬管，彌補(bǔ)薄壁金屬管中還沒有錐形管的空白。
[0004]本用于汽車被碰撞時(shí)吸能的單晶胞金屬管，主體為錐形薄壁管。
[0005]主體的錐度為0.3。
[0006]主體壁厚與高度的比值為1: 15?1:30。
[0007]優(yōu)選的，主體壁厚與高度的比值為1:25。
[0008]由于錐管與剛性墻接觸時(shí)，其錐管外徑要比圓管的小，導(dǎo)致錐管的強(qiáng)度降低，比外徑較大的圓管更容易被壓縮，相應(yīng)產(chǎn)生較小的初始峰值載荷。因此，在薄壁管的碰撞吸能過程中，與圓管相比，錐管提高了薄壁管的比吸能。錐度為0.3的錐管在斜碰過程中，隨著斜碰偏角的減小，在加載速度方向的分力增加，使得初始峰值載荷升高，比吸能增大。因此，錐度為0.3時(shí)為最優(yōu)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0010]如圖1所示，用于汽車被碰撞時(shí)吸能的單晶胞金屬管，其特征在于:主體I為錐形薄壁管。主體I的錐度為0.3。主體I壁厚與高度的比值為1: 15?1:30，比值最優(yōu)為1:25。
[0011]我們建立了不同的仿真模型，以獲得初始峰值載荷(IPL)和比吸能(SEA)，這是表征吸能特性的數(shù)據(jù)。這些模型有直圓管與三不同錐度的錐管，錐管幾何模型的錐度分別為0.05、0.1、0.2和0.3。三個(gè)錐管分別為單晶細(xì)胞椎管，二晶細(xì)胞椎管和四晶細(xì)胞椎管。不同錐度的錐形圓管最大外徑相等。將幾何模型用Hypermesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，管壁的材料采用LD2鋁合金，具有中等強(qiáng)度和較高的塑性。仿真中，設(shè)碰撞質(zhì)量400 kg，碰撞速度10 m/S。對圓管和4種不同錐度的錐管進(jìn)行碰撞仿真。
[0012]普通圓管在碰撞過程中的峰值載荷為33 kN ;四種錐度的錐管初始峰值載荷均低于普通圓管的初始峰值載荷；錐管中錐度為0.05的錐管的初始峰值載荷最大為29.8 kN ；錐度為0.3的錐管的初始峰值載荷最小為19.9 kN ;錐管的初始峰值載荷要比圓管減小了9.79Γ39.7%。通過仿真分析可得:與圓管相比，錐管在碰撞過程中可以有效降低初始峰值載荷，隨著錐度的增大，錐管的初始峰值載荷逐漸減小。因此，在設(shè)計(jì)薄壁吸能管結(jié)構(gòu)時(shí)，選擇有錐度的錐管，可以有效降低金屬薄壁管的初始峰值載荷。
[0013]通過仿真分析得到了薄壁管長度壓縮到自身長度的75%的有效范圍內(nèi)圓管和錐管的比吸能(SEA)值。金屬薄壁管在有效壓縮范圍內(nèi)，錐管的比吸能要高于圓管，但不同錐度薄壁管的比吸能變化不大，錐度為0.1的錐管在75%的有效壓縮長度范圍內(nèi)比吸能較普通圓管提高了 8.4%。
[0014]經(jīng)過分析可知:由于錐管與剛性墻接觸時(shí)，其錐管外徑要比圓管的小，導(dǎo)致錐管的強(qiáng)度降低，比外徑較大的圓管更容易被壓縮，相應(yīng)產(chǎn)生較小的初始峰值載荷。
[0015]而SEA為錐管吸收的能量與接觸面積、有效壓縮長度和密度三者乘積的比值，雖然錐管的初始峰值載荷比圓管降低，但是其吸收的能量是一定的，有效壓縮長度不變、密度不變，接觸面積減小，可推得錐管的比吸能比圓管增大。因此，在薄壁管的碰撞吸能過程中，與圓管相比，錐管提高了薄壁管的比吸能
[0016]二晶胞錐管與二晶胞圓管耐撞性比較
[0017]普通圓管在碰撞時(shí)碰撞載荷不穩(wěn)定、吸收總能量較低，徑向承載能力弱，因此在薄壁管結(jié)構(gòu)上增加約束板，提高薄壁管的吸能效率。在薄壁管中添加約束板使薄壁管帶有一定數(shù)目的晶胞，可有效提高薄壁管的吸能特性。
[0018]用Hypermesh建立二晶胞薄壁錐管的有限元模型，并對有限元模型進(jìn)行仿真分析，觀察錐管的變形模式以及錐度對吸能特性的影響。通過非線性顯式有限元軟件Ls-dyna對軸向動(dòng)態(tài)載荷作用下的吸能錐管進(jìn)行仿真分析可得錐管的變形模式，薄壁管均發(fā)生了混合疊縮變形模式。這是由于在碰撞時(shí)錐管的約束板附近承載能力更強(qiáng)，而錐管上距離約束梁較遠(yuǎn)的部分承載能力較弱，使錐管在碰撞時(shí)受力不均勻，因而發(fā)生混合變形模式。
[0019]4個(gè)不同錐度的錐管的初始峰值載荷均低于二晶胞直圓管，4個(gè)錐管的初始峰值載荷隨著錐度的增加逐漸降低。二晶胞直圓管的初始峰值載荷為44.80 kN，4個(gè)錐管中錐度為0.05的錐管的初始峰值載荷最大為41.39 kN，比二晶胞直圓管降低了 7.6%，4個(gè)錐管中錐度為0.3的錐管的初始峰值載荷最小，為27.26 kN，比二晶胞直圓管降低了 39.2 %。
[0020]通過以上分析可知，錐度對二晶胞管的初始峰值載荷大小的影響有一定規(guī)律:4種不同錐度的二晶胞錐管的初始峰值載荷均比二晶胞直圓管的初始峰值載荷低，并且隨著二晶胞錐管錐度的增大，二晶胞錐管的初始峰值載荷逐漸變小。
[0021]在仿真分析中得到的二晶胞直圓管與二晶胞錐管比吸能如表3所示。由表3可知:錐度對薄壁吸能管的吸能特性產(chǎn)生了影響，隨著錐管錐度的增加，4種不同錐度的二晶胞錐管的比吸能逐漸增大。
[0022]以上對二晶胞錐管與二晶胞直圓管的仿真結(jié)果說明了:二晶胞錐管中錐度的設(shè)計(jì)提高了二晶胞管的吸能特性，降低了初始峰值載荷，可以應(yīng)用到提高薄壁管吸能特性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。
[0023]四晶胞錐管與圓管耐撞性比較
[0024]建立四晶胞錐管有限元模型，并對有限元模型進(jìn)行碰撞仿真分析，得到碰撞仿真后的變形模式。對照二晶胞錐管可以看出，增加約束梁后變形模式有所改變，變形更加勻稱，這是由于四晶胞錐管在碰撞過程中所受載荷比二晶胞錐管所受載荷分布均勻。
[0025]4種不同錐度的錐管的初始峰值載荷均比四晶胞直圓管降低，其中四晶胞直圓管的初始峰值載荷為60.01 kN，錐度為0.3的四晶胞錐管初始峰值載荷最小，為37.4 kN,比四晶胞直圓管降低了 37.7%，錐度為0.05的四晶胞錐管的初始峰值載荷最大，為54.02kN,比四晶胞直圓管降低了 16.6%，并且四晶胞錐管的初始峰值載荷隨著錐度的增加逐漸降低。
[0026]四晶胞錐管在有效壓縮范圍內(nèi)的比吸能比四晶胞直圓管的比吸能變大，并且隨著錐度的增大，比吸能逐漸增大，錐度為0.3的錐管比吸能最大達(dá)到26.6kJ.kg'
[0027]將普通錐管、二晶胞錐管及四晶胞錐管軸向碰撞仿真的比吸能結(jié)果綜合比較，可知:在一定錐度范圍內(nèi)隨著錐度的增大，比吸能也會增大，對于二晶胞錐管中的約束板在碰撞過程中會影響錐管的變形模式，由于圓管或錐管內(nèi)添加約束板后，在碰撞壓縮時(shí)，約束板與圓管的連接方式就會影響圓管的變形，約束板與圓管接觸的位置承載能力比圓管上沒有與約束板接觸的位置承載能力強(qiáng)，因此兩者變形就會不同，使得錐管在錐度小于0.2時(shí)比吸能小于普通錐管的比吸能。
[0028]四晶胞錐管在碰撞壓潰過程中，約束板不僅影響錐管外側(cè)的變形模式，自身的壓縮變形也提高了四晶胞錐管的平均載荷，使得在碰撞時(shí)吸收更多能量，提高錐管的比吸能。其中，錐度為0.3的四晶胞錐管的比吸能最大為26.6 kj 較相同錐度的二晶胞錐管與普通錐管提高了 31%與36%。
[0029]四晶胞錐管傾斜碰撞
[0030]吸能部件在碰撞時(shí)，往往會出現(xiàn)非軸向碰撞，碰撞的方向與薄壁吸能管的軸線存在一定夾角，對不同碰撞角度的碰撞進(jìn)行仿真分析，研究碰撞角度對吸能特性的影響。通過以上分析可知，二晶胞錐管的比吸能在錐度小于0.2時(shí)低于單晶胞錐管，總體吸能特性弱于單晶胞錐管，而四晶胞錐管的吸能特性最好；在四種不同錐度的薄壁管中錐度為0.3的單晶胞錐管與四晶胞錐管的初始峰值載荷最低、比吸能最高，于是在斜向碰撞時(shí)選取了錐度為0.3的四晶胞錐管在不同的角度斜碰并比較其吸能特性。
[0031]相對普通圓管、錐管及二晶胞錐管的比吸能值，錐度為0.3的四晶胞錐管的比吸能值較高，對四晶胞錐管進(jìn)行一定偏斜角度的碰撞分析。碰撞方向與錐管的軸線方向的夾角a分別為5°、10°、15°和30°，通過非線性有限元軟件Ls-dyna進(jìn)行仿真得到一定夾角碰撞后的變形。
[0032]通過仿真分析得到錐管在斜碰過程中軸向載荷的變化比較平穩(wěn)，但是不同碰撞夾角的錐管碰撞時(shí)軸向平均載荷不同，并且有不同的變化規(guī)律。在斜碰過程中，斜碰角度越大，在碰撞時(shí)產(chǎn)生的軸向峰值載荷越小，同時(shí)平均載荷也越小。
[0033]比吸能是隨斜碰角度的增加而減小，當(dāng)斜碰角度時(shí)比吸能最大為20.2 J/g，當(dāng)斜碰角度增加到時(shí)比吸能為14.5 kj.kg_\比斜碰時(shí)減小了 39%。
[0034]圓管、錐管和四晶胞錐管斜碰的比較
[0035]相同斜碰角度下，錐管、圓管和四晶胞錐管的初始峰值載荷均依次增大，其中，軸向碰撞時(shí)三種薄壁管的初始峰值載荷均大于不同角度斜碰時(shí)薄壁管的初始峰值載荷。在相同角度斜碰下，圓管、錐管和四晶胞錐管的比性能逐漸增大，隨著斜碰角度的增大，每種薄壁管的比吸能逐漸降低。
[0036]本文對錐形晶胞薄壁金屬管的軸向碰撞進(jìn)行了仿真分析。不同錐度的單晶胞、二晶胞和四晶胞的錐管的初始峰值載荷分別比單晶胞圓管、二晶胞圓管和四晶胞圓管的初始峰值載荷減??；錐度大于0.2的單晶胞、二晶胞和四晶胞的錐管的比吸能均大于單晶胞圓管、二晶胞圓管和四晶胞圓管，帶有錐度的錐管可以有效調(diào)高薄壁管的吸能特性；錐度為0.3的錐管在斜碰過程中，隨著斜碰偏角的減小，在加載速度方向的分力增加，使得初始峰值載荷升高，比吸能增大。研究表明，改變金屬薄壁管的內(nèi)部晶胞數(shù)目與錐度可以改變并提高薄壁管的軸向和偏斜方向碰撞時(shí)的吸能特性。
【權(quán)利要求】
1.用于汽車被碰撞時(shí)吸能的單晶胞金屬管，其特征在于:主體(I)為錐形薄壁管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬管，其特征在于:主體(I)的錐度為0.3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的金屬管，其特征在于:主體(I)壁厚與高度的比值為1:15 ?1:30。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的金屬管，其特征在于:主體(I)壁厚與高度的比值為1:25。
【文檔編號】B60R19/02GK204184290SQ201420490337
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年8月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月29日
【發(fā)明者】王強(qiáng), 李玲玲 申請人:成都市凱勝科技有限公司