车辆薄壁管结构优化的耐撞性应用研究

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　　摘 要：车辆耐撞性研究是当前车辆被动安全领域的前沿方向，对于提高道路交通安全水平有非常重要的意义，而薄壁管结构优化是提高车辆耐撞性最为有效的方法之一。详细阐释车辆耐撞性的涵义，叙述薄壁管结构优化方法理论支撑；回顾薄壁管优化车辆耐撞性研究发展历程，概括主要研究的内容、方法以及成果，并提出薄壁管综合分析的耐撞性方法前沿；对比分析不同的结构优化设计研究方法之间的优劣；总结了薄壁管优化耐撞性研究的发展前景。
　　关键词：车辆安全；耐撞性；薄壁管结构；接触碰撞问题
　　中图分类号：U461.91 文献标识码：B 文章编号：1671-7988（2019）06-74-03
　　Research on the structural optimization of thin-walled tubular components
　　for crashworthiness application
　　Zheng Wei， Zhao Zhijun， Li Yingdi
　　（ Chang'an University， Shaanxi Xi'an 710064 ）
　　Abstract： Researches on vehicle crashworthiness are the frontier in the current vehicle passive safety field， which is very important for the improvement of road traffic safety. One of the most effective methods to improve the crashworthiness is to optimize the thin-walled tubular structure. The definition of vehicle crashworthiness and the structural optimization theories of thin-walled tubular components were first identified. Then， the development processes， methodologies and results for the structural optimization of thin-walled tubular components for crashworthiness were reviewed. Finally， the latest research direction of structural synthesis of thin-walled tubular components was proposed， comparison among different structural optimization methods were presented， and the development prospect of the structural optimization of thin-walled tubular components for crashworthiness was recommended.
　　Keywords： vehicle safety； crashworthiness； the thin-walled tubular structure； contact-impact problem
　　CLC NO.： U461.91 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2019）06-74-03
　　前言
　　國家统计局发布的《2016年国民经济和社会发展统计公报》显示，截止到2016年末，全国民用汽车保有量为19440万辆，比上年末增长12.8%。随着全国汽车保有量的快速增长，道路交通事故也频繁发生。基于国家统计局发布2006- 2015年数据分析，得到全国交通事故发生数和民用汽车保有量总计的折线图，以及全国交通事故和汽车交通事故死亡人数总计的折线图。
　　据国家统计数据显示，2015年全国交通事故总计发生有187781起，共造成58022人死亡，直接财产损失总计达103692万元。而其中汽车交通事故有129155起，导致共有42388人死亡，直接财产损失达89518万元。造成交通事故人员死亡的原因有多种，包括醉酒驾驶、车辆超速、驾驶员行为、道路环境和车辆类型。为了减少对驾驶员和乘员的伤害，目前采取措施有：改善车辆设计提高耐撞性，提高交通控制能力和改善道路。这些措施在一定程度上减少了伤害，并且最近的研究表明，汽车设计的改进在死亡率下降中发挥了重要作用。因此有必要改善车辆的耐撞性，因为在交通事故发生时它对于保护人员起主要作用。
　　车辆耐撞性研究是国内外车辆被动安全研究领域一个重要的方面，而通过薄壁管结构优化的方法来增强车辆耐撞性，则是安全领域中的一个研究热点。本文通过系统地对国内外车辆薄壁管优化耐撞性研究方面的理论、方法以及研究的成果进行综述，旨在为更加全面科学地评估车辆安全性以及改善车辆设计提供理论借鉴。
　　1 车辆耐撞性涵义及薄壁管结构优化理论
　　1.1 薄壁管结构优化方法理论
　　当前很多基于梯度和拓扑结构启发式的方法大多数是设计成刚性结构。这些结构虽然可以一定程度地提高能量吸收能力，减少外物侵入，但对于车辆耐撞性而言，车辆结构应该兼顾刚度和柔度特性。受冲击载荷的薄壁管结构会有三种变形模式：渐进屈曲，动态塑性屈曲和欧拉型屈曲（整体弯曲）。其中渐进屈曲因其有理想的变形特性：低峰值反力和较高的能量吸收率，所以是最可取的模式。但渐进屈曲只有在纯轴向载荷下才能发生，而在实际的碰撞过程中，薄壁管结构很少只受纯轴向载荷，通常情况是在斜碰撞中同时受到轴向力和弯矩。如果加载角度高于临界值，薄壁管在斜冲击下会发生欧拉型屈曲。这种变形模式严重降低了薄壁管结构的能量吸收能力。 　　1.2 可控能量吸收理论
　　能量吸收是车辆耐撞性结构最重要的特征，而控制能量吸收则是结构设计的关键，这就要求对结构优化时必须考虑适应相互矛盾的标准，如：最大加速度和最大接触力约束，避免司机和乘客由于太大的作用力而受伤；最大变形约束，避免由于侵入乘客舱而使乘客和司机受伤。在碰撞过程中，薄壁管结构需要按照预定设计的力-位移的进行屈曲。除了控制最大接触力和最大入侵程度，其他因素如载荷路径和屈曲模式也是应该考虑的重要因素。在碰撞过程中，刚性结构表现为承受高峰值力，而挤压变形小；柔性结构则是低峰值力，挤压变形大。但两种情况结构可以吸收相同的能量。耐撞性设计需要考虑如何控制能量吸收以及变形特性。
　　2 薄壁管结构优化研究进展
　　2.1 复合材料与泡沫填充结构研究
　　复合材料和泡沫填充结构是针对薄壁管优化的两个重要领域。复合材料方面主要有基于复合材料的能量吸收性能研究，以及结构和材料特性对失效机理的影响。复合材料的比强度高，吸能特性优异，同时又易于设计，所以此项研究开展较早而同时也被用作吸能材料。Mamalis等人对影响复合材料能量吸收性能的因素，包括几何结构，基体与纤维材料，以及试验的加载方式进行了研究，由于大多数复合材料是脆性材料，对冲击损伤很敏感，所以需要进行合理的引导控制破坏设计。
　　泡沫填充结构方面主要有基于实验分析与数值模拟对破坏机理研究，以及基于准静态和动态冲击实验对密度和壁厚研究。在轴向载荷作用下，非紧凑的挤压变形和整体屈曲行为被消除在泡沫填充管中。此外，与相同大小的空管比较，负载参数（即方向性和均匀性）对泡沫填充管影响较小，并且泡沫填充管在折叠破坏过程更稳定。
　　2.2 结构屈曲行为与吸能特性研究
　　结构屈曲行为与吸能特性研究主要有基于准静态与动态测试的屈曲与吸能特性研究，分析轴向载荷作用下结构对吸能特性影响[1]，分析斜冲击载荷作用下结构对吸能特性影响，基于碰撞试验、仿真的薄壁管优化研究[2，3]，分析焊点对吸能特性和变形模式影响。Petsios研究了薄壁管的屈曲行为，对薄壁管进行了准静态与动态测试。在国内，黄金陵等人等对薄壁管结构进行了实验和数值仿真的研究。裘新等通过实验验证了有限元模型的有效性，并提出了提高車辆安全性的改进方案。李志斌等人通过对薄壁管结构进行轴向压缩实验，来研究屈曲模式及能量吸收特性。解跃青等人则基于焊点质量、间距以及分布方式，对薄壁管吸能特性的影响进行了分析研究。
　　2.3 诱导槽、锥形和多细胞结构研究
　　诱导槽、锥形和多细胞结构研究主要集中在几何参数与结构分析，以及实验和仿真分析方面。诱导槽是利用其应力集中效应，引导发生特定的轴向屈曲模式，在结构中的挤压变形区用以执行渐进屈曲以提高能量吸收率。Eren等人描述了可以降低峰值力的各种诱导槽的使用，以及它们对屈曲模式的影响。在锥形和多细胞结构的研究方面，Nagel和Tham -biratnam比较了在准静态、轴向动态以及离轴动态冲击载荷下，直薄壁矩形管和圆锥薄壁矩形管的能量吸收情况。结果表明在斜冲击载荷作用的情况下，采用锥形管进行能量吸收更优。此外还研究了几种细胞结构模型在轴向压缩下的能量吸收情况和承载能力。Chai则研究了矩形元胞拓扑结构的多层、多胞和多薄壁管三种方式的能量吸收特性。Zhang等人采用理论分析与实验相结合的方法，对于两细胞管结构、三细胞管结构以及四细胞管结构的变形方式以及吸能特性进行了研究。
　　3 薄壁管结构优化设计研究方法
　　研究人员尝试用不同的方法对耐撞性薄壁管结构进行优化设计。Salehghaffari等人提出，从厚壁管外表面的特定区间加工宽圆周槽，环（较厚部分）作为封闭薄壁管段的外部加强筋。当加筋薄壁管承受轴向压缩时，相邻两个环状加强筋之间的薄壁部分折叠，从而提高了能量吸收率。研究人员也对锥形薄壁结构进行优化设计。为了解决均匀密度泡沫填料的缺点，研究人员引入功能梯度泡沫填料，其中包含以预定义的方式连续变化的单元。 随着计算机软硬件和信息技术的快速发展，车辆分析人员逐渐采用非线性有限元分析来进行薄壁管结构优化耐撞性研究。基于数值模拟和耐撞性优化分析也是近年来国内外相对流行的分析方法，对撞压变形和吸能特性进行研究，并建立结构几何参数与其吸能特性的关系式，为不同的全局近似函数编制相应的程序，从而实现对于结构优化的自动分析。
　　与传统的试验方法相比，有限元分析仿真及基于数值模拟和耐撞性优化分析有如下优点：1）条件要求低，分析难度小；2）所需成本低，设计周期短；3）过程更容易监控，设计数据更加准确合理。
　　4 结论
　　薄壁管结构因具有质量轻、轴向强度高、良好的吸能特性等特点，受到许多学者的广泛关注。作为车辆正面碰撞时最主要吸能部件，研究考虑结构质量较轻，而碰撞吸能效率高的薄壁管结构优化问题，对于车辆的碰撞安全也就具有非常重要的意义。因此，薄壁管结构优化耐撞性研究有其重要的应用前景。有利于提高车辆碰撞和道路交通的安全水平，同时为车辆的安全设计提供理论指导。
　　5 展望
　　薄壁管结构优化耐撞性研究依然是车辆被动安全领域的重要问题，下一步的研究应该主要集中在：1）深入分析复合材料薄壁管耐撞性，对其进行相关优化研究及实际应用领域问题还有广阔前景；2）继续开展对厚度呈梯度变化的泡沫铝填充结构以及多细胞结构的耐撞性优化研究；3）对变形机理更深入的理论研究，更加准确地得到不同变形模式的临界值，从而优化薄壁管结构来预测控制结构发生稳定变形模式，将会是耐撞性领域的关键课题。
　　参考文献
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　　[3] Hou S， Li Q， et al. Multi-objective optimization of multi-cell sections for the crashworthiness design. International Journal of Impact Engi -neering， 2008， 35（11）： 1355-1367.
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