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
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