基于FEM的铝制吸能盒结构优化设计.docx

基于 fem 的铝制吸能盒结构优化设计陈宇，纪宝钢，钟金发，熊杰，黄浩南，董万鹏上海工程技术大学摘要: 相比铁制吸能盒，铝制吸能盒在保证各项指标的同时减轻了重量。基于有限元的思想，借 助 计 算 机 进行 cae 分析，成功设计出一款吸能性能较好的铝制吸能盒。运用 cae 平台技术，相比传统的人工计算更加快 捷，模拟效果更直观。cae 技术不仅提高了设计的准确性，还降低了试验的成本。设计过程中以吸能盒模型的 横截面形状为变量，用 ug 软件建立吸能盒的初始模型。通过对 9 种不同横截面形状的单腔吸能盒进行虚拟试 验，数据结果表明以六边形搭配圆形的横截面的吸能效果最佳。关键词: 吸能盒; 低速碰撞; cae; 结构优化中图分类号: tg659; tp391文献标志码: astructure optimization design of aluminum alloy crush box based on femchen yu，ji baogang，zhong jinfa，xiong jie，huang haonan，dong wanpengabstract: compared with iron crush box，the aluminum alloy crush box would get much lighter with each qualify in- dex based on fem and cae，it mades an aluminum alloy crush box successfully which absorbed energy effectively the method assisted by cae，finish the assignment more efficiently and get the more intuitive result moreover，it not only soar the degree of accuracy，but economize the cost of experiment during the period of design，set the shape of cross section as the only variable by computer aid design，design 9 models，each of them have different cross section and then calculate them by computer finally，it gets the conclusion that the best model of the experiment is the model 1 after comparing and analyzing the resultkeywords: crush box ; low speed crash ; cae; structure optimization1引言22 1铝合金吸能盒截面形状确定影响吸能效果的因素上世纪 90 年代，汽车开始进入日常生活，汽车开始向着轻量化、平民化改变1。提高汽车的安全 性是个非常重要的问题。本文研究汽车安全构件中 的吸能盒，对 其 横 截面形状进行结构的优化设计。 通过设计不同的截面形状，得到吸能值最高的吸能 盒，以此提高吸能盒的吸能效果，从而减少车祸对车 体的损坏，提高驾乘人员的安全。充分借助计算机的优势，通过查阅相关的 cae 资料3，使用 ug 来对吸能盒进行横截面形状的优 化。由于成形设备和技术的局限性，根据力学原理 设计出理想的备选吸能盒模型。基于 fem 的思想， 简化模型，对模型进行网格处理。设定载荷和约束 等外界环境，借助 cae 的求解器求解出模型的应力 值和位移值。用这两项指标来表征吸能盒吸能值的 高低，以得到最优模型。总结归纳出影响吸能值大 小的可能因素，为吸能盒的优化设计提供参考。影响吸能盒的吸能值的因素较多，主要有吸能盒的材料、长度、腔体个数、内部填充物的材质、诱导 槽以及横截面的形状4。按照吸能盒内外部腔体的轮廓的特点将试验分成三组: 第一组是以圆管为中心腔体搭配三种不同 的多边形腔体，得出吸能值最高的多边形外腔; 第二组是以连接板不同的组合形式来探究连接板对吸能 效果的影响; 第三组变换了中心腔体的横截面形状来搭配外部不变的四边形腔体，探究吸能值最高的中心腔体形状。2 2横截面形状的确定如图 1 所示，结合已有的研究结果5，6，确定吸 能盒的尺寸范围。控制吸能盒的高度为 100mm，横 截面最大长度为 80mm，横截 面 的 宽 度 为 80mm，壁 厚则固定为 2mm。为了防止应力集中，设计 1mm 的 圆倒角。由于铝制吸能盒一般通过挤压技术成形，所以 考虑其成形难易程度，最终设计出 9 种截面形状的 铝合金吸能盒，其简图如图 2 所示。对这 9 种截面基金项目: 上海市级大学生创新项目( cs1305004)收稿日期: 2014 年 6 月452015 年第 49 卷 no 1进行 cae 模 拟，以 确 定 吸 能 效果最佳的横截面 形状。可以有效防止氧化腐蚀; 铝的力学性能在低温状态下能保持不变，可以保证吸能盒在恶劣的气候下 也能正常的发挥吸能作用，保证汽车的安全; 废料 可回收再利用，有利于环保。文献8对形状相同材料不同的圆管进行仿真 模拟的试验结果如图 3 所示。图中两条曲线都经过 一段明显的上升，然后趋于稳定。铝合金的沙漏能 在趋于稳定的时候大约为 42j，而圆形碳钢的沙漏 能仅为 20j。铝合金的沙漏能是碳钢的 两 倍 左 右， 因此，以铝合金管为材料的零件的吸能指标要优于 低碳钢。45图 1 横截面的尺寸!#$!*+,4035302520151050010203040506070%&(ms)图 3 合金和碳钢吸能部件的沙漏能曲线8本文的吸能盒材料选择 ug 材料库中的 alumi- num_5086，其物理参数如下: 杨氏模量为 7 2 107 kpa，泊松比为 0 33 。3 2载荷的确定为了验证吸能盒的正面低速碰撞性能，虚拟碰 撞试验中载荷输入了采用文献9中所给出的碰撞 力与位移的关系，如图 4 所示。400图 2 吸能盒的 9 种横截面简图3fem 的原理和模型的建立材料的选择3 1为了满足汽车的刚度等指标，制作吸能盒可选择的材料主要为低碳钢和铝合金两种。两种材料的 主要参数如表 1 所示。表 1 材料的主要参数b35030025020015010050ca0010 20 30 4050 60 70 80 90 100 110 120!(mm)相对于 低 碳 钢，铝有以下几个优 势7: 密 度小，约为 2 7g / cm3 ，比较软，可制成各种铝合金，如 硬铝、防锈铝、铸铝等。根 据 文 献7的 研 究 结 果， 铝合金制吸能盒相比于钢制吸 能盒能有效减重 58% ，并能进一步提高其强度性能。所以在减轻质 量的同时也可以满足其他的要求; 良导体，它的导 热能力要比铁高 3 倍。工业上可用铝制造各种热交 换器和炊具等。可以保证吸能盒在吸收能量时，迅 速将能量以热能的形式传导到外界，避免局部过热 发生爆炸等危险; 表面因有致密的氧化物保护膜，图 4 吸能盒正面低速碰撞的力位移曲线9从图中可以看出撞击力的平均值是 150kn。而 在 0 10mm 处有一个急速上升的峰值，为材料的屈 服阶段，由于位移值较短可以忽略不计。工程计算 中将整个过程简化为一个均匀变化的过程，撞击力 的大小等于撞击力的平均值为 150kn。这一数值边 界条件的取值方法可在文献10中 得 到 验 证。如 图 5 所示，方盒件冲击载荷的力位移曲线中其最 大允许载荷的值为 160kn，平均载荷约为 150kn。( ) (j)#$%(kn)材料名称屈服强度 ( mpa)泊松比密度( kg / mm3 )弹性模量 ( gpa)铝合金4550 332 8 10 671低碳钢4300 307 85 10 621046工 具 技 术表 2 cae 模拟结果外加碰撞载荷位移曲线10图 53 3网格的划分在试验过程中发现网格划分的与计算机模拟的时间成正比关系，但与精度成反比关系。而最佳的 网格密度应该是在保证精度的情况下，尽可能缩短计算机模拟的时间，这样才能达到试验效率的最大进行横向比较，并分析原因可知:第一组中模型 1 吸能效果比较好。这说明以六 边形和圆形结合作为横截面形状的吸能盒有利于吸 能的充分。第二组中模型 5 吸能效果好，是腔体内 部连接板 较 多。两 个连接板交叉会导致应力的集 中，致使受力不均匀，对吸能效果产生负面的影响。 应减少连接板的交叉。而对于连接板的数量，由试 验数据可以看出，影响不大。第三组是模型 7 吸能 值较高。试验以圆管作为中心的吸能盒比以方管为 中心的吸 能 盒 吸 能 有 优 势。推测原因是相比四边 形，圆形有中心对称性，使得受力均匀，所以让吸能盒能够溃压完全，从而充分吸能。对比模型 8 和模 型 9，可以看出模型 9 中的板与板的焊接处多于模 型 8，而最终结果是模型 8 要比模型 9 吸能值要高。 应该尽量减少板与板之间的“t”字型或者“十”字型的角，这种角会使应力集中在交界处。 ( 2) 筛选比较与分析 选出每组中吸能效果最好的吸能盒模型进行对比，即模型 1、模型 5 和模型 7。数据表明，模型 1 的 吸能效果远远优于其他的两个备选吸能盒。分析模 型 1 吸能值高的原因: 以正六边形为吸能盒截面是一个平衡点。如果以正七边形为横截面，很可能使 吸能能力提高，但是应力会分布不均匀，导致压溃不 完全，反而不利于吸能盒充分吸能。以六边形为横 截面就既能保证吸能值高，又保证了应力不会过于 集中。第一组是以不同正多边形作为横截面形状，最 终证明六边形作为横截面最有利于吸能; 第二组中 则以不同的连接板搭配为变量，证明连接板应该尽 量减少交叉，否则不利于吸能; 第三组证明的是中心圆腔体的吸能效果比四边形腔体要好。而第三组的 圆管和第二组中连接板交叉少的优点，在第一组中 的模型 1 又有充分体现。这点更加说明试验的结果7c1 /3 t2 /3 ，决定化。根据文献11总结的公式 r取网格单元尺寸为 2mm。= 03 4( 1)设计方案试验流程试验针对吸能盒的横截面进行优化设计，通过ug 软件进行优化建模，提高其吸能效果; 并用计算 机对模型进行 cae 分析得出结论。通过参考资料12 13，将试验流程大致分为如下5 个步骤: 利用 ug 进行理想简化建模; 进行单 元划分，设定模型材料; 对理想模型施加载荷，并 设定固定约束; 选择求解器进行求解; 得出试验数据，并对试验数据进行整理分析。( 2) 评价标准由于吸能受到力与位移的影响，忽略细微的横 截面积的不同。将吸能值用应力与位移的乘积来表示，公式为w = l式中，w 是吸能值， 是 应 力，l 是 位 移 值。为 简 化 运算，对 cae 分析结果进行记录时，只需要记录应 力和位移的分布和数值大小即可。4试验结果与分析对 9 种不同横截面的吸能盒进行 cae 模拟，并记录下其应力值和位移值，并计算出吸能大小，结果 如表 2 所示。( 1) 组内比较与分析把表 2 中的数据按照变量的不同分成三组。第 一组包括模型 1，2，3; 第二组包括模型 4，5，6; 第三 组包括模型 7，8，9。模型序号平均应力 ( mpa)位移值 l( mm)吸能大小 w( j)181 420 30424 75249 600 1979 77348 100 1979 47438 730 2098 09547 700 25912 35647 700 25512 16744 810 23010 30840 470 2048 25932 100 2046 54472015 年第 49 卷 no 1有较高的准确性和真实性。95% e5% 8f% b22房曰荣，沈斐敏 道路交通事故发展趋势分析与预j中国安全生产科学技术，201( 3) : 141 1463李德群，肖祥芷 模具 cad / cae / cam 的发展 概 况 及 趋 势j 模具工业，2005( 7) : 9 124cheng lin，xiu hua zhang a rectangular energy absorbingbox with better energy absorption effect and the study of its energy absorption factorsj applied mechanics and mate- rials，2012: 253 2555米林，魏显坤，万鑫铭，等 铝合金保险杠吸能盒碰撞吸 能特性j 重庆理工大学学报 ( 自然科学) ，2012，26: 1 76万鑫铭，徐小飞，徐 中 明，等 汽车用铝合金吸能盒结构 优化设计j 汽车工程，2013( 1) : 16 177维基百科 铝eb 2014 3 30 http: / / zh wikipediaorg / wiki / % e9% 93% 9d# e6 80 a7 e8 b4 a88何剡江 蒙皮效应在轻型钢结构中的应用d 杭州: 浙 江工业大学硕士论文，20079柳艳杰 汽车低速碰撞吸能部件的抗撞性能研究d 哈 尔滨: 哈尔滨工程大学博士论文，201210li qingfen，liu yanjie，wang haidou et al finite elementanalysis and shape optimization of automotive crash box subjected to low velocity impactj measuring technology and mechatronics automation，2009: 791 79411曲明，柳艳杰，夏春艳，等 吸能盒在低速撞击情况下的 仿真与分析j 应用科技 2008 ( 8) : 60 6212练章华 现代 cae 技术与应用教程m 北京: 石油工 业出版社，201413尹文龙，杨国平 汽车吸能盒结构优化模拟分析j 上 海工程技术大学学报，2012( 26) : 321 325第一 作 者: 陈 宇，上海工程技术大学材料工程 学 院，201620 上海市first author: chen yu，college of materials engineering， shanghai university of engineering science，shanghai 201620， china结语5在进行过 cae 模拟的 9 种吸能盒模型中，模型1 的吸能效果最好，吸能值最高，而其他的模型吸能 值较低，模型 1 的横截面形状如图 6 所示。图 6 模型 1 的横截面形状图通过对试验结果的总结与分析，得出以下结论:( 1) 横截面外腔体的边数和吸能值是非线性关 系。如果外腔体的边过多，会导致应力在边的交界 处过于集中，从而使应力分布不均匀，不利于充分吸 能。经过试验证明以六边形为外腔体的吸能盒是吸 能值最高的吸能盒。( 2) 吸能盒的横截面中应该尽量减少“t”型或 者“十”型 的 角，因为它会使应力集中于边的 交 界 处。这使得吸能盒在受到冲击时，瞬间能量过高，发 生爆炸，从而引发各种危险。而且这种角不但在加 工时困难，也会影响吸能盒的充分吸能。( 3) 外层多边形外壁与中间的圆管之