[发明专利]用于汽车被碰撞时吸能的单晶胞金属管

说明书

技术领域

本发明涉及用于汽车被碰撞时吸能的单晶胞金属管。

背景技术

汽车结构件在高速碰撞过程中吸能特性是碰撞安全研究的基础。薄壁金属管是汽车的基本结构，也是碰撞时的主要吸能结构。薄壁金属管在受到轴向载荷碰撞时会产生不同变形模式来吸收和耗散能量，保障车辆及乘客的安全。因此，关于薄壁金属管在高速碰撞过程中吸能特性的研究是汽车碰撞安全方面的基础。国内外对于薄壁金属管的研究主要集中在方管与圆管吸能特性的研究，而对于锥形管的碰撞吸能、特别是带有晶胞的锥形管能量吸收特性的还没有研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于汽车被碰撞时吸能的单晶胞金属管，弥补薄壁金属管中还没有锥形管的空白。

本用于汽车被碰撞时吸能的单晶胞金属管，主体为锥形薄壁管。

主体的锥度为0.3。

主体壁厚与高度的比值为1：15～1：30。

优选的，主体壁厚与高度的比值为1：25。

由于锥管与刚性墙接触时，其锥管外径要比圆管的小，导致锥管的强度降低，比外径较大的圆管更容易被压缩，相应产生较小的初始峰值载荷。因此，在薄壁管的碰撞吸能过程中，与圆管相比，锥管提高了薄壁管的比吸能。锥度为0.3的锥管在斜碰过程中，随着斜碰偏角的减小，在加载速度方向的分力增加，使得初始峰值载荷升高，比吸能增大。因此，锥度为0.3时为最优。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

-如图1所示，用于汽车被碰撞时吸能的单晶胞金属管，其特征在于：主体1为锥形薄壁管。主体1的锥度为0.3。主体1壁厚与高度的比值为1：15～1：30，比值最优为1：25。

我们建立了不同的仿真模型，以获得初始峰值载荷（IPL）和比吸能（SEA），这是表征吸能特性的数据。这些模型有直圆管与三不同锥度的锥管，锥管几何模型的锥度分别为0.05、0.1、0.2和0.3。三个锥管分别为单晶细胞椎管，二晶细胞椎管和四晶细胞椎管。不同锥度的锥形圆管最大外径相等。将几何模型用Hypermesh进行网格划分，管壁的材料采用LD2铝合金，具有中等强度和较高的塑性。仿真中，设碰撞质量400kg，碰撞速度10m/s。对圆管和4种不同锥度的锥管进行碰撞仿真。

普通圆管在碰撞过程中的峰值载荷为33kN；四种锥度的锥管初始峰值载荷均低于普通圆管的初始峰值载荷；锥管中锥度为0.05的锥管的初始峰值载荷最大为29.8kN；锥度为0.3的锥管的初始峰值载荷最小为19.9kN；锥管的初始峰值载荷要比圆管减小了9.7%~39.7%。通过仿真分析可得：与圆管相比，锥管在碰撞过程中可以有效降低初始峰值载荷，随着锥度的增大，锥管的初始峰值载荷逐渐减小。因此，在设计薄壁吸能管结构时，选择有锥度的锥管，可以有效降低金属薄壁管的初始峰值载荷。

通过仿真分析得到了薄壁管长度压缩到自身长度的75%的有效范围内圆管和锥管的比吸能（SEA）值。金属薄壁管在有效压缩范围内，锥管的比吸能要高于圆管，但不同锥度薄壁管的比吸能变化不大，锥度为0.1的锥管在75%的有效压缩长度范围内比吸能较普通圆管提高了8.4%。

经过分析可知：由于锥管与刚性墙接触时，其锥管外径要比圆管的小，导致锥管的强度降低，比外径较大的圆管更容易被压缩，相应产生较小的初始峰值载荷。

而SEA为锥管吸收的能量与接触面积、有效压缩长度和密度三者乘积的比值，虽然锥管的初始峰值载荷比圆管降低，但是其吸收的能量是一定的，有效压缩长度不变、密度不变，接触面积减小，可推得锥管的比吸能比圆管增大。因此，在薄壁管的碰撞吸能过程中，与圆管相比，锥管提高了薄壁管的比吸能

二晶胞锥管与二晶胞圆管耐撞性比较

普通圆管在碰撞时碰撞载荷不稳定、吸收总能量较低，径向承载能力弱，因此在薄壁管结构上增加约束板，提高薄壁管的吸能效率。在薄壁管中添加约束板使薄壁管带有一定数目的晶胞，可有效提高薄壁管的吸能特性。

用Hypermesh建立二晶胞薄壁锥管的有限元模型，并对有限元模型进行仿真分析，观察锥管的变形模式以及锥度对吸能特性的影响。通过非线性显式有限元软件Ls-dyna对轴向动态载荷作用下的吸能锥管进行仿真分析可得锥管的变形模式,薄壁管均发生了混合叠缩变形模式。这是由于在碰撞时锥管的约束板附近承载能力更强，而锥管上距离约束梁较远的部分承载能力较弱，使锥管在碰撞时受力不均匀，因而发生混合变形模式。