文 | 秋風
編輯 | 秋風
電動汽車受限於電池儲能量，續航能力飽受 消費者質疑，車越輕，續航里程越大，電動汽車的Bentley Bentayga 、Alfa Romeo Giulia 等中高端車型 上應用廣泛。
越來越多的研究致力於鋁防撞梁的結構設計優化，而仿生結構的應用更是一個重點。
學者們運用 Optistruct 法對鋁合金防撞梁截面進行拓撲優化，確定防撞梁在靜態受載荷情況下的最優截面形狀為「日」字形，鋁合金防撞梁減 重效果達到 38.4% 。
同時研究了 「日」字形和「目」字形鋁防撞橫樑的剛度和耐撞性， 得出後者的性能更優，但重量更大。
還有專家將蒲草、竹子等仿生截面應用在前防撞梁和吸能盒上，吸能效果明顯。
他們還研究了甲殼蟲殼表面的多邊形網狀結構，設計了 18 種仿生多孔管的防撞梁吸能盒結構，發現八角形的多孔管防撞梁吸能盒碰撞效果最好。
受仿生結構優化碰撞性能的啟發，我們藉助理論與模型，來給大家研究仿生截形的鋁防撞梁提升耐撞性的可行性。
看看通過對比不同仿生截形的變化分析，能否找到其優化的物理性特點是什麼呢？
前碰理論
在汽車正面全寬高速碰撞試驗中，碰撞過程能量守恆，大部分動能轉化為車身鈑金的變形能。
式 中： E 為正面碰撞能量，kJ；m 為質量，kg；v0 為碰撞初速度（約為 50 km/h）；F 為碰撞載荷， N；v 為過程速度，m/s；t 為碰撞時間，s ；T 為總的碰 撞時間， s。
前置前驅電動汽車前部主要部件的典型布置， 如圖 1 所示，前艙內硬點主要是電機、變速器和控制模塊。
與傳統汽油車相比，電動汽車動力總成所 佔用的空間較小，前部變形空間較大。
汽車碰撞 時主要有 4 個壓潰變形空間，分別為 S1 、S2 、S3 和 S4。理想情況下， 4 個變形區依次壓潰， S1 壓潰後， 分別到 S2 、S3 和 S4 。
截面力 F1 ＜ F2 ＜ F3 ＜ F4， 平均加速度 a1 ＜ a2 ＜ a3 ＜ a4。
圖 1 前置前驅電動汽車前部主要部件的典型布置
B 柱加速度是衡量汽車碰撞安全性的重要參數。它關乎乘員碰撞時受到的傷害值，以及安全氣囊點爆時間。
正面碰撞時典型的B柱加速度曲線，如圖2所示。
圖中4個峰值a1max、a2max、a3max、a4max 分別和圖1中的 4 個壓潰變形區間對應。
二 模擬模型
2.1 不同仿生截面
為了探究仿生截面對防撞梁的影響，從自然界典型的承力結構中借鑒了梯度形、蝸牛殼形、蜘蛛網形和胚胎球形得到 4 種不同的截面 B、C、D、E方案。
並與對照組 A 進行對比（圖 3），這 4 種仿生截面保留了生物體原有的基本特徵，並進行抽象和重構。
梯度形設計是生物材料普遍採用的基本性能優化策略之一，可獲得梯度變化的力學性能，實現局域剛度、強度與韌性的優化分布和相互匹配 ；
蝸牛殼作為蝸牛的「房子」，能承受比自重大 2 200倍的壓力，為蝸牛免受其它生物的傷害和衝擊提供了有力的保護 ，這和貝殼仿生結構的力學特性類似 ；
蜘蛛網所具有的獨特幾何外形，具有較高的強度和柔性；
胚胎球形是大部分卵生動物或哺乳 動物在母體胚胎時的形態，當受到衝擊時，能最大程度地分散吸收的能量以減少損傷。
2.2 建模和模擬
本模型基於一款兩座高速電動汽車的工況進行分析，整備質量約為 933 kg，防撞梁中心線離地間隙 h= 455 mm。
模擬正面碰撞速度為 50 km/h，壁障等碰撞模型依據 GB 11551—2014 汽車正面碰撞的乘員保護，如圖 4 所示。
2.3 模擬結果和分析
分別對對照組防撞梁和 4 種仿生截面防撞梁對應的模型在同等計算條件下進行求解。側重探究了鋁合金防撞梁仿生截面對汽車全寬正面碰撞（FFB）的影響。
為了減少弱相關因素的影響，簡化了模型：選擇 x 向長度 D1=200 mm 的前防撞梁總成，以及前縱梁 D1=400 mm 長的數據作為碰撞零件，將車體其它部分簡化為一個長方體。
分析時重點關注前防撞梁和縱梁前段變形區壓潰的模擬結果。
在偏置碰撞（ODB）工況下，良好的防撞橫樑剛度能使碰撞力較均勻地傳遞到左右前縱梁，從而對碰撞結果產生積極影響。
因此，同時建立了三點彎曲模型對防撞橫樑的靜態剛度進行分析，如圖 5所示。
利用 Hypermesh 軟體建立有限元模型，零部件網格主要採用四邊形殼單元模擬，網格平均尺寸為 5 mm；
防撞梁總成內部的縫焊連接採用 Rigid 單元模擬，防撞梁總成和縱梁之間的螺栓連接也採用Rigid 單元模擬，縱梁內板和縱梁外板之間的點焊焊接採用六面體單元模擬。
使用 Radioss 軟體進行非線性求解，各主要零件的力學性能參數見表 1。
從碰撞變形來看，方案 A、方案 B、方案 E 的防撞橫樑兩端完全壓潰，而方案 C、方案 D 的防撞橫樑兩端並未完全變形；
從碰撞橫樑中間區域的位移量來看，方案 A 和方案 E 的位移量最大，方案 B的位移量最小，不同截面防撞梁的碰撞變形如圖 6所示。
從彎曲剛度的計算結果來看，如圖 7 所示，方案 A 的彎曲剛度最小，方案 B 和方案 E 的彎曲剛度相差不大，方案 C 和方案 D 的彎曲剛度最大，基本和正面碰撞時橫樑的變形模式吻合。
如圖 8 所示，曲線為 5 個方案碰撞壓潰過程中的防撞橫樑吸能量。
分析 5 條吸能曲線，總吸能量大小順序為：梯度形＞ 蜘蛛網形＞胚胎球形＞蝸牛殼形 > 對照模型。
5 個方案碰撞前 20 ms 的 B 柱加速度變化曲線如圖 9 所示。
圖中 B 柱加速度達到最大時，是吸能盒壓潰後的加速度值。根據工程經驗值，在前 20 ms 防撞梁壓潰的過程中，B 柱加速度值在275 ～ 343 m/s2 之間比較理想。
過大，則對乘員傷害加大；過小，則影響安全氣囊的及時點爆。
對比碰撞過程，分析圖 9 的加速度曲線可以發現，方案 A 和方案 B 的峰值都超過了 343 m/s2 ，而方案 C、方案 D 和方案 E 的峰值都在理想區間內。
從壓潰需要的時間來看，梯度形壓潰時間最長，而對照模型壓潰時間最短。
對於防撞梁方案優劣的評估，最重要的 4 個評估因素分別是輕量化、B 柱加速度、吸能量大小和橫樑彎曲剛度，5 個方案的評估參數見表 2。
根據統計學方法，將各評估參數的工程數值依照線性一次方程量化為得分：質量從 1.5 kg 到 3 kg得分分別為 10 ～ 6 分；
綜合車身結構耐撞性以及約束系統匹配要求，設定加速度在 275 ～ 343 m/s2評為 10 分，343 ～ 392 m/s2 得分分別為 10 ～ 6 分，245 ～ 275 m/s2 得分分別為 6 ～ 10 分；
結合前防撞梁吸能量對碰撞的影響，設定吸能量 4.5 ～ 10 kJ 得分分別為6～10分，吸能3～4.5 Jk得分分別為3～6分；
結合彎曲剛度對偏置碰撞時均勻分配力的影響，設定剛度值 0 ～ 6 000 N/mm 得分分別為 0 ～ 6 分，剛度值 6 000 ～ 18 000 N/mm 得分分別為 6 ～ 10 分。
建立數學模型。對於多變數的方程，如式（3）所示。
式中：Y 是方案的綜合得分，滿分是 10 分；自變數X1、X2、X3、X4 分別為質量、加速度、防撞橫樑吸能量和彎曲剛度的得分；
a、b、c、d 則是相關性係數，根據本項目的偏好與側重點，取值分別定義為35%、20%、30% 和 15%。各方案的綜合得分見表 3。
由表 3 可知，方案 E 的綜合得分最高，為 8.57分，在幾個仿生截面中最符合本項目的設計目標要求。
與對照組 - 口字形防撞梁相比，E 方案質量增加 18%，防撞橫樑吸能量增加 37%，最大加速度降低 13.8% 為 314.5 m/s2 ，在理想目標區間內的彎曲剛度則提升 16.3%。
三 胚胎球形的進一步分析
3.1 不同球形數量和排布對碰撞的影響
以上研究對比了 4 種仿生截面對防撞梁的正面碰撞影響，從而得出胚胎球形是最佳方案。將具有胚胎球形截面的防撞梁結構作為測試對象，探索了不同數量的胚胎球形對防撞梁耐撞性模擬結果的影響。
建立數學模型
式中： Y(β,δ) 為目標函數，它也是式（3）中的方 案綜合得分；(β,為不同球形數量和排布；δ為防撞橫 梁不同區域的料厚。）
為探究不同數量胚胎球形在防撞橫樑腔體內的 不同排布對正面碰撞的影響，先取δ=2。
為了簡化 計算過程， 又設計了 2 個球形、3 個球形、4 個球形、5 個球形共 4 個方案與 1 個球形方案進行對比，如圖10 所示。
由 LS-DYNA 模擬計算後得出各方案的碰撞變 形結果，如圖 11 所示。
由圖可知，方案 E 、E1 、 E3 的防撞橫樑兩端壓潰變形良好，方案 E2 和 E4 防撞橫樑兩端變形不夠充分。
各方案防撞橫樑的 彎曲剛度結果如圖 12 所示，從 E 、E1 、E2 、E3 到 E4，彎曲剛度逐漸提升，基本和正面碰撞時橫樑的 變形模式吻合。
各方案的評估參數見表 4。
由表可知，在防撞 橫樑吸能量方面，吸能最多的是方案 E3，吸能量為 8.35 kJ；
在碰撞 20 ms 內加速度的表現方面，方案 E 和 E1 是最優的；在質量和彎曲剛度方面，球形 數量越多，質量越大，彎曲剛度越大。
根據式（3）的計算方式，各方案的綜合得分見表 5。
從力的傳遞路徑角度分析，E 、E1 和 E3 由於 傳力路徑是直線，容易壓潰；E2 的 3 個球形組成三 角形，結構穩定，不容易壓潰變形；
E4 更是組成了 兩個穩定的三角形穩定路徑，如圖 13 所示。從幾 個方案的碰撞變形結果，以及吸能量的大小來看， 也驗證了這一點。
由上文可知：
（1）方案 E1 的兩個球形防撞橫 梁的綜合得分最高，為 8.75 分，在幾種球形排布方案中最符合本項目的設計目標要求。
（2）在受到同 樣衝擊載荷的情況下，球形沿著受力方向「一」字 形排布， 比三角形排布方式更有利於壓潰變形。
（3） 在球形沿著受力方向「一」字形排布時，如果壓潰 變形良好，那麼球的數量越多，吸收的能量越多。
3.2 不同厚度對碰撞的影響
在方案 E1的基礎上，僅通過更改兩個球形防 撞橫樑的不同料厚組合，研究料厚對碰撞結果的影響。
結果表明，如果料厚太厚，壓潰變形不充分， 吸能水平降低；如果料厚太薄，則可壓潰的材料不 足，吸能量也會降低。
結論
通過模擬模擬，對基於仿生形狀截面的鋁合金 前防撞梁的正面碰撞進行了系統研究，得出以下結論。
（1）研究了梯度形、蝸牛殼形、蜘蛛網形和胚胎球形 4 種不同的截形防撞梁應用在兩座電動汽 車上時對正面碰撞的影響。
綜合考慮輕量化、碰撞 加速度、防撞橫樑的吸能量和彎曲剛度，發現胚胎 球形截面防撞梁的設計能夠使前防撞梁的傳力更合 理，提高耐撞性能和吸能效果。
與對照組口字形防 撞梁相比，防撞橫樑的質量增加 18%，能量增加 37%，最大加速度降低 13.8% 為 314.5 m/s2 ，剛好在 理想的目標區間內，而彎曲剛度則提升 16.3%。
（2）為了探究不同球形數量在防撞橫樑腔體內 的不同排布對正面碰撞的影響， 又設計了 2 個球形、3 個球形、4 個球形、5 個球形共 4 個方案的模擬計 算，再將其結果與 1 個球形方案進行對比，得出 2 個球形方案的綜合得分最高。
與 1 個球形方案對比， 2 個球形方案的防撞橫樑質量幾乎不增加，加速度 仍然在理想範圍內，但是吸能量增加 14.5%，剛度 提升 0.5%。
（3）對於每個車型的鋁防撞橫樑，其耐撞性一 般都有最優匹配值。在材料和結構不變的情況下， 防撞梁的料厚過厚或者過薄都會減少正面碰撞的吸 能量。
（4）根據分析結果， 未來將搭載新的造車項目， 把仿生截面應用到鋁防撞橫樑中進行實車試驗。
參考文獻
[1]. XU Tao，LIU Nian，YU Zhenglei，et al. CrashworthinessDesign for Bionic Bumper Structures Inspired by Cattailand Bamboo [J]. Applied Bionics & Biomechanics，2017，2017：9 Pages.
[2]. ZHANG Linwei，BAI Zhonghao，BAI Fanghua. Crash-worthiness Design for Bio-Inspired Multi-Cell Tubes withQuadrilateral，Hexagonal and Octagonal Sections [J].Thin-Walled Structures，2018，122：42-51.
[3]. 王悅明 . 三種生物梯度材料納米力學特性及仿生模型[D]. 長春：吉林大學，2013.
