用于汽车被碰撞时吸能的单晶胞金属管的制作方法
【专利摘要】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。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。
【专利说明】用于汽车被碰撞时吸能的单晶胞金属管
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及用于汽车被碰撞时吸能的单晶胞金属管。
【背景技术】
[0002]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。
实用新型内容
[0003]本实用新型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。
[0004]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。
[0005]主体的锥度为0.3。
[0006]主体壁厚与高度的比值为1: 15?1:30。
[0007]优选的，主体壁厚与高度的比值为1:25。
[0008]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。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1为本实用新型的结构示意图。
【具体实施方式】
[0010]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I为锥形薄壁管。主体I的锥度为0.3。主体I壁厚与高度的比值为1: 15?1:30，比值最优为1:25。
[0011]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400 kg，碰撞速度10 m/S。对圆管和4种不同锥度的锥管进行碰撞仿真。
[0012]普通圆管在碰撞过程中的峰值载荷为33 kN ;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29.8 kN ；锥度为0.3的锥管的初始峰值载荷最小为19.9 kN ;锥管的初始峰值载荷要比圆管减小了9.79Γ39.7%。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。
[0013]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%。
[0014]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。
[0015]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
[0016]二晶胞锥管与二晶胞圆管耐撞性比较
[0017]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。
[0018]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。
[0019]4个不同锥度的锥管的初始峰值载荷均低于二晶胞直圆管，4个锥管的初始峰值载荷随着锥度的增加逐渐降低。二晶胞直圆管的初始峰值载荷为44.80 kN，4个锥管中锥度为0.05的锥管的初始峰值载荷最大为41.39 kN，比二晶胞直圆管降低了 7.6%，4个锥管中锥度为0.3的锥管的初始峰值载荷最小，为27.26 kN，比二晶胞直圆管降低了 39.2 %。
[0020]通过以上分析可知，锥度对二晶胞管的初始峰值载荷大小的影响有一定规律:4种不同锥度的二晶胞锥管的初始峰值载荷均比二晶胞直圆管的初始峰值载荷低，并且随着二晶胞锥管锥度的增大，二晶胞锥管的初始峰值载荷逐渐变小。
[0021]在仿真分析中得到的二晶胞直圆管与二晶胞锥管比吸能如表3所示。由表3可知:锥度对薄壁吸能管的吸能特性产生了影响，随着锥管锥度的增加，4种不同锥度的二晶胞锥管的比吸能逐渐增大。
[0022]以上对二晶胞锥管与二晶胞直圆管的仿真结果说明了:二晶胞锥管中锥度的设计提高了二晶胞管的吸能特性，降低了初始峰值载荷，可以应用到提高薄壁管吸能特性的结构设计中。
[0023]四晶胞锥管与圆管耐撞性比较
[0024]建立四晶胞锥管有限元模型，并对有限元模型进行碰撞仿真分析，得到碰撞仿真后的变形模式。对照二晶胞锥管可以看出，增加约束梁后变形模式有所改变，变形更加匀称，这是由于四晶胞锥管在碰撞过程中所受载荷比二晶胞锥管所受载荷分布均匀。
[0025]4种不同锥度的锥管的初始峰值载荷均比四晶胞直圆管降低，其中四晶胞直圆管的初始峰值载荷为60.01 kN，锥度为0.3的四晶胞锥管初始峰值载荷最小，为37.4 kN,比四晶胞直圆管降低了 37.7%，锥度为0.05的四晶胞锥管的初始峰值载荷最大，为54.02kN,比四晶胞直圆管降低了 16.6%，并且四晶胞锥管的初始峰值载荷随着锥度的增加逐渐降低。
[0026]四晶胞锥管在有效压缩范围内的比吸能比四晶胞直圆管的比吸能变大，并且随着锥度的增大，比吸能逐渐增大，锥度为0.3的锥管比吸能最大达到26.6kJ.kg'
[0027]将普通锥管、二晶胞锥管及四晶胞锥管轴向碰撞仿真的比吸能结果综合比较，可知:在一定锥度范围内随着锥度的增大，比吸能也会增大，对于二晶胞锥管中的约束板在碰撞过程中会影响锥管的变形模式，由于圆管或锥管内添加约束板后，在碰撞压缩时，约束板与圆管的连接方式就会影响圆管的变形，约束板与圆管接触的位置承载能力比圆管上没有与约束板接触的位置承载能力强，因此两者变形就会不同，使得锥管在锥度小于0.2时比吸能小于普通锥管的比吸能。
[0028]四晶胞锥管在碰撞压溃过程中，约束板不仅影响锥管外侧的变形模式，自身的压缩变形也提高了四晶胞锥管的平均载荷，使得在碰撞时吸收更多能量，提高锥管的比吸能。其中，锥度为0.3的四晶胞锥管的比吸能最大为26.6 kj 较相同锥度的二晶胞锥管与普通锥管提高了 31%与36%。
[0029]四晶胞锥管倾斜碰撞
[0030]吸能部件在碰撞时，往往会出现非轴向碰撞，碰撞的方向与薄壁吸能管的轴线存在一定夹角，对不同碰撞角度的碰撞进行仿真分析，研究碰撞角度对吸能特性的影响。通过以上分析可知，二晶胞锥管的比吸能在锥度小于0.2时低于单晶胞锥管，总体吸能特性弱于单晶胞锥管，而四晶胞锥管的吸能特性最好；在四种不同锥度的薄壁管中锥度为0.3的单晶胞锥管与四晶胞锥管的初始峰值载荷最低、比吸能最高，于是在斜向碰撞时选取了锥度为0.3的四晶胞锥管在不同的角度斜碰并比较其吸能特性。
[0031]相对普通圆管、锥管及二晶胞锥管的比吸能值，锥度为0.3的四晶胞锥管的比吸能值较高，对四晶胞锥管进行一定偏斜角度的碰撞分析。碰撞方向与锥管的轴线方向的夹角a分别为5°、10°、15°和30°，通过非线性有限元软件Ls-dyna进行仿真得到一定夹角碰撞后的变形。
[0032]通过仿真分析得到锥管在斜碰过程中轴向载荷的变化比较平稳，但是不同碰撞夹角的锥管碰撞时轴向平均载荷不同，并且有不同的变化规律。在斜碰过程中，斜碰角度越大，在碰撞时产生的轴向峰值载荷越小，同时平均载荷也越小。
[0033]比吸能是随斜碰角度的增加而减小，当斜碰角度时比吸能最大为20.2 J/g，当斜碰角度增加到时比吸能为14.5 kj.kg_\比斜碰时减小了 39%。
[0034]圆管、锥管和四晶胞锥管斜碰的比较
[0035]相同斜碰角度下，锥管、圆管和四晶胞锥管的初始峰值载荷均依次增大，其中，轴向碰撞时三种薄壁管的初始峰值载荷均大于不同角度斜碰时薄壁管的初始峰值载荷。在相同角度斜碰下，圆管、锥管和四晶胞锥管的比性能逐渐增大，随着斜碰角度的增大，每种薄壁管的比吸能逐渐降低。
[0036]本文对锥形晶胞薄壁金属管的轴向碰撞进行了仿真分析。不同锥度的单晶胞、二晶胞和四晶胞的锥管的初始峰值载荷分别比单晶胞圆管、二晶胞圆管和四晶胞圆管的初始峰值载荷减小；锥度大于0.2的单晶胞、二晶胞和四晶胞的锥管的比吸能均大于单晶胞圆管、二晶胞圆管和四晶胞圆管，带有锥度的锥管可以有效调高薄壁管的吸能特性；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。研究表明，改变金属薄壁管的内部晶胞数目与锥度可以改变并提高薄壁管的轴向和偏斜方向碰撞时的吸能特性。
【权利要求】
1.用于汽车被碰撞时吸能的单晶胞金属管，其特征在于:主体(I)为锥形薄壁管。
2.根据权利要求1所述的金属管，其特征在于:主体(I)的锥度为0.3。
3.根据权利要求1或2所述的金属管，其特征在于:主体(I)壁厚与高度的比值为1:15 ?1:30。
4.根据权利要求3所述的金属管，其特征在于:主体(I)壁厚与高度的比值为1:25。
【文档编号】B60R19/02GK204184290SQ201420490337
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年8月29日 优先权日:2014年8月29日
【发明者】王强, 李玲玲 申请人:成都市凯胜科技有限公司