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1、542006年2月 中国制造业信息化 第35卷 第3期多孔结构材料在汽车碰撞安全中的应用研究1,21彭迎风,辛 勇(1.南昌大学机电学院,江西南昌 330029)(2.南昌航空工业学院土建系,江西南昌 330034)摘要:讨论了汽车碰撞中的主要吸能元件的吸能步骤和压溃模式,从理论上阐述了填充了多孔结构材料的吸能元件在吸能上的优势。对蜂窝式和蛋盒式两种多孔结构材料的结构组成、成形技术和吸能能力进行了分析,并进一步研究了多孔结构材料在汽车保险杠、车门以及纵梁等主要安全构件中的应用,说明把多孔材料应用到汽
2、车吸能防撞装置中是可行的,可以极大地提高整车的耐撞性。关键词:碰撞;吸能;多孔材料;蜂窝式结构;蛋盒式结构中图分类号:U465.9 文献标识码:A 文章编号:1672-1616(2006)03-0054-05 汽车碰撞的能量主要是通过车体上的吸能元装置中的应用。件在碰撞过程中的塑性变形来吸收的。吸能元件被置于汽车碰撞可毁区域的零部件中,塑性变形的1吸能元件的吸能步骤和压溃模式范围越广,车身的吸能能力就越强。但塑性变形的分析范围和汽车可毁区域的尺寸是密切相关的,在有限汽车碰撞能量主要是由吸能
3、元件,也叫关键结的汽车总长内,通过提高塑性变形的范围来提高车构元件吸收,这些吸能元件的性能影响甚至决定着身的吸能能力是有极限性的,所以必须在有限的变整个汽车结构在碰撞中的行为,通过提高吸能元件形区域内增加单位质量的吸能能力,即通过提高吸的性能就能提高整车的安全性。能元件的吸能率来提高吸能能力。汽车碰撞中的1.1 吸能元件压溃变形步骤主要吸能元件是不同截面形状的空心薄壁管,空心如图1所示,吸能元件在轴向载荷作用下变形本身就给吸能元件的进一步改造设计留有余地。[2]直至压溃有以下几个步骤:首先吸能元件在
4、局由于多孔材料几何结构的特殊性,使它在极大部最薄弱处开始发生弯曲变形,紧接着继续增加的地提高材料抗冲击强度及抗弯能力的同时能极限轴向载荷使得整个薄壁因挤压失稳弯曲(这时的变式的减轻自身质量,是理想的汽车碰撞吸能材料。形仍是弹性的),随后发生边缘屈服,吸能元件开始更特别的是,在大多数的工程应用中,单独使用多产生塑性变形,吸收碰撞能量,元件边缘发生褶皱,孔结构材料并不是最佳选择,而把它作为密度比它元件的承载能力下降。最后塑性变形加大,边缘褶高的其他元件的填充材料,则可以最有效地发挥它皱现象继续,元件外观
5、表现为折叠,结构被压溃,元[1]的优势。可见如果把多孔结构材料作为填充物件在折叠的同时吸收大量碰撞能量。填充到空心的吸能元件中去,可以显著地提高吸能吸能元件通过塑性变形吸收的碰撞能量为元件的能量吸收量,再加上多孔材料密度低、质量d小的特点,可以很好地提高吸能元件的吸能率。本E(d)=∫F(d)dx,其中d为元件的压缩变形长0文主要讨论两种结构的多孔材料———蜂窝式结构度。每单位质量吸收的碰撞能量,即吸能率(SEA)和壳层式(俗称蛋盒式)结构材料在汽车防撞吸能是衡量吸能元件吸能能力的一个重要指标:收稿
6、日期:2005-11-09基金项目:教育部科技研究重点资助项目(03066);江西省自然科学基金资助项目(0450060);江西省主要学科跨世纪学术带头人资助项目(Z1815)作者简介:彭迎风(1968-),女,江西萍乡人,南昌航空工业学院副教授,南昌大学博士研究生,主要研究方向为应用力学、材料加工工程。·智能控制技术· 彭迎风 辛 勇 多孔结构材料在汽车碰撞安全中的应用研究55图1 柱状吸能元件轴向压溃步骤d1当弹性压曲(失稳)临界应力超过了材料的屈SEA(d)=F(d)dx(1)mC∫0服极限
7、时,由材料的屈服极限所代表的材料强度条式中mC为元件质量,而如果把E(d)除以d,则得件控制了压溃模式,折叠过程中的压曲形式稳定到元件所能承受住的平均压溃载荷Fm(d):(即没有失稳),折叠变形成轴对称形式,称之为稳dF1定的轴向压溃(如图3所示)。稳定的轴向压溃变m(d)=F(d)dx(2)d∫0形由大量的规则褶皱组成,所以有更多体积的材料Fm(d)是汽车耐碰撞设计中的一个重要参包含在变形结果中,吸收能量多,压溃变形的位移数,因为它直接关系到车厢内乘员所承受的碰撞也稳定。要想得到这种稳定的击溃模式
8、,就要提高力。如果在空心的元件内填充某种材料,则“夹芯”吸能元件的压曲临界力,材料压曲临界力大小是和的吸能元件所能承受住的平均压溃载荷Fm,f(d)截面的惯性矩成正比的。如果在空心的吸能元件为:内填入“夹芯”材料,整个截面的惯性矩则是原有的[1]Fm,f(d)=Fm(d)+Ff(d)+F1(d)(3)惯性矩再加上填充材料截面对形心轴的惯性矩,截式中:Ff(d)为填充材料所承受的平均压溃载荷;面总惯性矩加大,压曲临界力得到提高,元件发生Fl(d)为元件和填充材料交互作用
