CN111428394A - 一种混合截面吸能盒及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于汽车被动安全性研究领域，涉及一种混合截面吸能盒及其设计方法；混合截面吸能盒沿轴向分为两段，上半段截面具有矩形外轮廓，如果没有肋板，则为单胞形截面，如果含有肋板，则组成多胞形截面；多胞形截面内部肋板与矩形外轮廓中的两条边相平行，平行于矩形外轮廓长方向的肋板数量等于平行于矩形外轮廓宽方向的肋板数量；上半截面任意相平行且相邻的两条线之间的距离相等，含有n个小胞的截面为n胞形截面；下半段截面比上半段在每个胞的内部增加了一个肋板，增加的肋板与胞的两条边相平行，位置处于与胞相平行的两条边的正中间；本发明增加了吸能盒底部抗弯能力，防止薄壁结构出现欧拉弯曲变形模式，提高薄壁结构吸能稳定性。
Description
技术领域
本发明属于汽车被动安全性研究领域，涉及一种汽车发生碰撞时，能够吸收动能的吸能装置，具体涉及一种混合截面吸能盒及其设计方法。
背景技术
目前，随着汽车保有数量的增长，汽车间碰撞事故发生的概率也不断提高。为保证汽车在碰撞过程中车内人员的人身安全，通常在汽车上安装吸能盒，以吸收车辆碰撞时自身具有的大量动能。
在众多吸能结构中，由于金属薄壁结构具有易于制造，价格低廉的优点，金属薄壁结构成为了汽车上最为常见的吸能部件。考虑到日益严苛的排放法规的要求，薄壁结构还需要满足轻量化和小型化的要求，这就要求薄壁结构在满足设计所需要的吸能量的前提下，占用的空间需要尽可能的小，并且质量也需要尽可能的小。传统的薄壁吸能结构如方形截面或者圆形截面的金属管件，已在汽车上广泛应用。这类薄壁结构在受到轴向载荷时，变形模式十分稳定，可通过充分的塑性变形吸收大量能量。
然而，在现实生活中，汽车间很少发生正面对碰。由于碰撞是偏心的，因此，汽车前端的吸能盒受到的常常是倾斜载荷。通常而言，薄壁结构在碰撞过程将需要承受0到30度范围内的倾斜载荷。传统的等截面薄壁结构在受到倾斜载荷时，容易出现欧拉屈曲的变形模式。当欧拉屈曲变形模式发生时，薄壁结构变形发生在很小的范围内，结构塑性变形不充分，吸能量很少。这将导致薄壁结构在实际碰撞事故中的吸能效果不稳定。
因此，采取有效的措施，防止欧拉弯曲变形模式的出现是十分必要的。欧拉弯曲变形模式的出现，主要是因为薄壁结构在压溃的过程当中，底部受到了弯矩的作用。弯矩的存在，使得薄壁结构底端先出现局部塑性铰，底部承载能力下降。在之后的变形过程中，变形只集中在薄壁结构底部。因此，要防止欧拉弯曲变形模式的出现，需要增强薄壁结构底部的抗弯能力，使得结构底部的承载能力大于顶部，防止薄壁结构底部在压溃的初始阶段首先发生变形，使薄壁结构在倾斜载荷的作用下顺序变形。
传统的增强薄壁结构变形稳定性的方法主要是将薄壁结构做成上窄下宽的塔形结构。然而，这类结构将更多地占用车上宝贵的空间。并且在吸收相同能量的前提下，所需要的质量也高于等宽度的薄壁结构，这并不符合汽车小型化以及轻量化的发展趋势。
在传统薄壁结构内部增加肋板也可以显著提升结构的抗弯能力，随着新兴的材料加工工艺日渐成熟，这种内部带有肋板的薄壁结构可以很容易地使用铝合金挤压工艺进行批量制造。激光拼焊技术则可以将两种带有不同截面的薄壁结构轻松焊接在一起，并且焊缝对结构整体性能的影响很小。铝合金挤压技术及激光拼焊技术为混合截面薄壁结构应用于汽车工业提供了可能。
通常，使用结构在压溃过程中通过变形所吸收的能量与结构质量的比值，即比吸能SEA来评价结构的能量吸收能力。考虑到薄壁结构受到的是倾斜载荷的作用，且在现实生活中，薄壁结构受到载荷的倾斜角度并不确定，本发明取结构在载荷倾斜角度为0，5，10，15，20，25，30七个角度下的比吸能SEA的平均值MSEA作为评价指标，以评价结构在倾斜载荷作用下能量吸收效果的好坏。
通过国内外相关文献检索，未发现有类似混合截面薄壁结构。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服传统等截面薄壁结构在受到倾斜载荷时，容易出现局部弯曲变形模式的问题，有效提升了薄壁结构吸能的稳定性，提高了薄壁结构在倾斜载荷工况下的吸能量。
为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的。
一种混合截面吸能盒，所述混合截面吸能盒沿轴向分为两段，上半段截面具有矩形外轮廓，如果没有肋板，则为单胞形截面，如果含有肋板，则组成多胞形截面；多胞形截面内部肋板与矩形外轮廓中的两条边相平行，平行于矩形外轮廓长方向的肋板数量等于平行于矩形外轮廓宽方向的肋板数量；上半截面任意相平行且相邻的两条线之间的距离相等，含有n个小胞的截面为n胞形截面，n是自然数的平方；下半段截面比上半段在每个胞的内部增加了一个肋板，增加的肋板特征在于肋板与胞的两条边相平行，位置处于与胞相平行的两条边的正中间，增加的肋板所在平面法向与吸能盒在汽车碰撞时受到的载荷方向垂直，增加的肋板高度相等，增加肋板后下半段截面含有2n个胞，与上半段含有n个胞的截面组成了混合截面吸能盒。
一种混合截面吸能盒设计方法，包括以下步骤：
步骤一：将吸能盒沿轴向分为两段，上下两段的截面不同；下半截面相较上半截面增加肋板，从而组成混合截面吸能盒；
步骤二：将肋板高度占薄壁结构总高度的比例k作为设计变量，k从0到1，每隔m取一个样本点，获得
个具有不同k值的混合截面吸能盒的几何模型；
m表示不同几何模型间k的差距；
步骤二中的m需要被1整除，取值为0.1、0.05或0.01。
步骤三：使用hypermesh软件对几何模型进行网格划分，单元类型选用四节点壳单元，单元大小为2*2mm2，单元在厚度方向上具有5个积分点；
步骤四：使用商业有限元软件Lsdyna中第123号材料卡片模拟金属材料的力学性能；
步骤五：将吸能盒底部所有节点的六个自由度进行约束；
步骤六：在吸能盒上方创建刚性平面；使用刚性平面与吸能盒的碰撞产生的载荷，来模拟吸能盒在实际车辆碰撞事故中受到的载荷，刚性平面的法线与吸能盒轴向所成角度θ在0到30度范围内；
步骤七：赋予上述刚性平面沿法向1m/s的恒定速度，使刚性平面以不同角度对吸能盒进行撞击；使用Automatic-surface-to-surface面面接触模拟刚性平面与吸能盒之间的相互接触，使用Automatic-single-surface单面接触模拟吸能盒在压溃过程中的内部接触；
步骤八：提取刚性平面与吸能盒之间的接触力F，对接触力F进行积分，获得吸能盒在压溃过程中的吸能量E，用吸能量E除以吸能盒的质量，获得吸能盒的比吸能SEA；分别计算刚性平面的法线与吸能盒轴向所成角度为不同角度时，吸能盒的比吸能SEA；将吸能盒的比吸能SEA进行求和，再除以角度个数，获得吸能盒的平均比吸能MSEA；
步骤九：分别获取
个具有不同k值的混合截面吸能盒的MSEA，使用三次多项式拟合出MSEA与k之间的函数关系，算出使得MSEA最大的k，使用k乘以吸能盒的总高度，即为合适的肋板高度；、
MSEA＝A1*k3+A2*k2+A3*k+A4
A1、A2、A3、A4是拟合出来的常数。
一种混合截面吸能盒，所述混合截面吸能盒沿轴向分为两段，上半段截面具有矩形外轮廓；肋板与截面外轮廓中的两条边相平行，位置处于与肋板相平行的两条边的正中间，形成日字形截面；上下两段组合在一起，形成矩形日字形混合截面吸能盒；下段截面较上段截面增加的肋板所在平面法向垂直于吸能盒在碰撞时受到载荷的方向。
一种混合截面吸能盒的设计方法，包括以下步骤：
步骤一：将吸能盒沿轴向分为两段，上下两段的截面不同；上半段截面为矩形截面，下半截面相较上半截面增加一个肋板，为日字形截面，上下两段组成矩形日字形混合截面吸能盒；
步骤二：将肋板高度占薄壁结构总高度的比例k作为设计变量，k从0到1，每隔0.1取一个样本点，获得11个具有不同k值的矩形日字形混合截面吸能盒的几何模型；
步骤三：使用hypermesh软件对几何模型进行网格划分，单元类型选用四节点壳单元，单元大小为2*2mm2，单元在厚度方向上具有5个积分点；
步骤四：使用商业有限元软件Lsdyna中第123号材料卡片模拟金属材料的力学性能；
步骤五：将吸能盒底部所有节点的六个自由度进行约束；
步骤六：在吸能盒上方创建刚性平面；使用刚性平面与吸能盒的碰撞产生的载荷，来模拟吸能盒在实际车辆碰撞事故中受到的载荷，刚性平面的法线与吸能盒轴向所成角度θ在0到30度范围内，从0开始，每隔5度取为一个碰撞角度；
步骤八：提取刚性平面与吸能盒之间的接触力F，对接触力F进行积分，获得吸能盒在压溃过程中的吸能量E，用吸能量E除以吸能盒的质量，获得吸能盒的比吸能SEA；分别计算刚性平面的法线与吸能盒轴向所成角度为不同角度时，吸能盒的比吸能SEA；将吸能盒的比吸能SEA进行求和，再除以角度个数7，获得吸能盒的平均比吸能MSEA；
步骤九：分别获取11个具有不同k值的矩形日字形混合截面吸能盒的MSEA，使用三次多项式拟合出MSEA与k之间的函数关系，算出使得MSEA最大的k，使用k乘以吸能盒的总高度，即为合适的肋板高度；
MSEA＝21.05k3-50.35k2+34.58k+15.28
求出k在0到1范围内，MSEA有最大值时，对应的k值为0.49，合适的肋板高度为122.5mm。
一种混合截面吸能盒，所述混合截面吸能盒沿轴向分为两段，上半段截面为四胞形截面，下半段截面比上半段截面增加四个肋板，肋板与上半截面每个胞中的两条边相平行，位置处于与每个胞的平行的两条边的中间位置，形成八胞形截面；上下两段组合在一起，形成四胞八胞形混合截面吸能盒。下段截面较上段截面增加的肋板所在平面法向垂直于吸能盒在碰撞时受到载荷的方向。
一种混合截面吸能盒的设计方法，包括以下步骤：
步骤一：将吸能盒沿轴向分为两段，上下两段的截面不同；上半段截面为四胞形截面，下半截面相较上半截面增加两个肋板，为八胞形截面，上下两段组成四胞形八胞形截面吸能盒；
步骤二：将肋板高度占薄壁结构总高度的比例k作为设计变量，k从0到1，每隔0.1取一个样本点，获得11个具有不同k值的四胞形八胞形混合截面吸能盒的几何模型；
步骤三：使用hypermesh软件对几何模型进行网格划分，单元类型选用四节点壳单元，单元大小为2*2mm2，单元在厚度方向上具有5个积分点；
步骤四：使用商业有限元软件Lsdyna中第123号材料卡片模拟金属材料的力学性能；
步骤五：将吸能盒底部所有节点的六个自由度进行约束；
步骤六：在吸能盒上方创建刚性平面；使用刚性平面与吸能盒的碰撞产生的载荷，来模拟吸能盒在实际车辆碰撞事故中受到的载荷，刚性平面的法线与吸能盒轴向所成角度θ在0到30度范围内，从0开始，每隔5度取为一个碰撞角度；
步骤八：提取刚性平面与吸能盒之间的接触力F，对接触力F进行积分，获得吸能盒在压溃过程中的吸能量E，用吸能量E除以吸能盒的质量，获得吸能盒的比吸能SEA；分别计算刚性平面的法线与吸能盒轴向所成角度为不同角度时，吸能盒的比吸能SEA；将吸能盒的比吸能SEA进行求和，再除以角度个数，获得吸能盒的平均比吸能MSEA；
步骤九：分别获取11个具有不同k值的四胞形八胞形混合截面吸能盒的MSEA，使用三次多项式拟合出MSEA与k之间的函数关系，算出使得MSEA最大的k，使用k乘以吸能盒的总高度，即为合适的肋板高度；
MSEA＝12.627k3-16.64k2+15.62k+24.25
求出k在0到1范围内，MSEA有最大值时，对应的k值为0.61，合适的肋板高度为152.5mm。
一种混合截面吸能盒，所述混合截面吸能盒沿轴向分为两段，上半段截面为九胞形截面，下半段截面比上半段截面增加九个肋板，肋板与上半截面每个胞中的两条边相平行，位置处于与每个胞的平行的两条边的中间位置，形成十八胞形截面。上下两段组合在一起，形成九胞十八胞形混合截面吸能盒。下段截面较上段截面增加的肋板所在平面法向垂直于吸能盒在碰撞时受到载荷的方向；
一种混合截面吸能盒的设计方法，包括以下步骤：
步骤一：将吸能盒沿轴向分为两段，上下两段的截面不同；，上半段截面为九胞形截面，下半截面相较上半截面增加两个肋板，为十八胞形截面，上下两段组成九胞形十八胞形截面吸能盒；
步骤二：将肋板高度占薄壁结构总高度的比例k作为设计变量，k从0到1，每隔0.1取一个样本点，获得11个具有不同k值的九胞形十八胞形混合截面吸能盒的几何模型；
步骤三：使用hypermesh软件对几何模型进行网格划分，单元类型选用四节点壳单元，单元大小为2*2mm2，单元在厚度方向上具有5个积分点；
步骤四：使用商业有限元软件Lsdyna中第123号材料卡片模拟金属材料的力学性能；
步骤五：将吸能盒底部所有节点的六个自由度进行约束；
步骤六：在吸能盒上方创建刚性平面；使用刚性平面与吸能盒的碰撞产生的载荷，来模拟吸能盒在实际车辆碰撞事故中受到的载荷，刚性平面的法线与吸能盒轴向所成角度θ在0到30度范围内，从0开始，每隔5度取为一个碰撞角度；
步骤八：提取刚性平面与吸能盒之间的接触力F，对接触力F进行积分，获得吸能盒在压溃过程中的吸能量E，用吸能量E除以吸能盒的质量，获得吸能盒的比吸能SEA；分别计算刚性平面的法线与吸能盒轴向所成角度为不同角度时，吸能盒的比吸能SEA；将吸能盒的比吸能SEA进行求和，再除以角度个数，获得吸能盒的平均比吸能MSEA；
步骤九：分别获取11个具有不同k值的四胞形八胞形混合截面吸能盒的MSEA，使用三次多项式拟合出MSEA与k之间的函数关系，算出使得MSEA最大的k，使用k乘以吸能盒的总高度，即为合适的肋板高度；
MSEA＝0.285k3-14.767k2+17.4k+27.795
求出k在0到1范围内，MSEA有最大值时，对应的k值为0.51，合适的肋板高度为127.5mm。
所述混合吸能盒的截面外轮廓尺寸为60*60mm2，总高度为250mm，材料为铝合金6063T5。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
1)本发明所述的混合截面吸能盒增加了吸能盒底部的抗弯能力，可以防止薄壁结构在受到倾斜载荷时出现欧拉弯曲的变形模式，提高薄壁结构吸能的稳定性。
2)本发明所述的混合截面薄壁结构下半段通过增加肋板，从而增加了薄壁结构下半段胞的数目，薄壁结构在压溃过程中形成的折叠单元数目也因此得以增加，在同等质量的情况下，相比没有肋板的薄壁结构可以吸收更多能量，具有轻量化效果。
3)本发明所述的混合截面薄壁结构从上至下，宽度相同，可以有效利用薄壁结构占据的空间。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
图1为本发明中实施例1所述的吸能盒受倾斜载荷简化图；
图2为本发明中实施例1所述的矩形日字形混合截面吸能盒结构示意图；
图3a为本发明中实施例1所述的矩形日字形混合截面吸能盒正视图；
图3b为本发明中实施例1所述的矩形日字形混合截面吸能盒上半段AA截面图；
图3c为本发明中实施例1所述的矩形日字形混合截面吸能盒下半段BB截面图；
图4为本发明中实施例1所述的铝合金6063T5应力随应变变化曲线图；
图5为本发明中实施例2所述的四胞形八胞形混合截面吸能盒结构示意图；
图6a为本发明中实施例2所述的四胞形八胞形混合截面吸能盒正视图；
图6b为本发明中实施例2所述的四胞形八胞形混合截面吸能盒上半段CC截面图；
图6c为本发明中实施例2所述的四胞形八胞形混合截面吸能盒下半段DD截面图；
图7为本发明中实施例3所述的九胞形十八胞形混合截面吸能盒结构示意图；
图8a为本发明中实施例3所述的九胞形十八胞形混合截面吸能盒正视图；
图8b为本发明中实施例3所述的九胞形十八胞形混合截面吸能盒上半段EE截面图；
图8c为本发明中实施例3所述的九胞形十八胞形混合截面吸能盒下半段FF截面图；
图中：1、日字形截面相较于矩形截面所增加的肋板；2、八胞形截面相较于四胞形截面所增加的第一块肋板；3、八胞形截面相较于四胞形截面所增加的第二块肋板；4、八胞形截面相较于四胞形截面所增加的第三块肋板；5、八胞形截面相较于四胞形截面所增加的第四块肋板；
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
混合截面吸能盒的特征在于该吸能盒沿轴向可分为截面不同的两段，下半段比上半段具有更多的肋板，组成混合截面吸能盒。肋板的特征在于肋板与截面外轮廓中的两条边相平行，位置处于与肋板相平行的两条边的正中间，肋板所在平面法向与吸能盒在汽车碰撞时受到的载荷方向垂直。对于不同截面的薄壁结构，合适的肋板高度并不相同，肋板高度具体大小通过以下设计方法设计出。
步骤一：将吸能盒沿轴向分为两段，上下两段的截面不同。下半截面相较上半截面增加肋板，从而组成混合截面吸能盒。
步骤二：将肋板高度占薄壁结构总高度的比例k作为设计变量，k从0到1，每隔0.1取一个样本点，获得11个具有不同k值的矩形日字形混合截面吸能盒的几何模型。
步骤三：使用hypermesh软件对几何模型进行网格划分，单元类型选用四节点壳单元，单元大小为2*2mm2，单元在厚度方向上具有5个积分点。
步骤四：使用商业有限元软件Lsdyna中第123号材料卡片模拟铝合金6063-T5的力学性能。铝合金基本的材料参数如表1所示，应力-应变曲线如附图4所示。
表1铝合金6063-T5材料参数
步骤五：将吸能盒底部所有节点的六个自由度进行约束。
步骤六：在吸能盒上方创建刚性平面。考虑到吸能盒在实际中可能受到的碰撞载荷方向并不确定，但通常在0到30度范围内。因此刚性平面的法线与吸能盒轴向所成角度θ包括0度，5度，10度，15度，20度，25度，30度。
步骤七：赋予上述刚性平面沿法向1m/s的恒定速度，使刚性墙以不同角度对吸能盒进行撞击。使用Automatic-surface-to-surface面面接触模拟刚性平面与吸能盒之间的相互接触，使用Automatic-single-surface单面接触模拟吸能盒在压溃过程中的内部接触。
步骤八：提取刚性墙与吸能盒之间的接触力F，对接触力F进行积分，即可获得吸能盒在压溃过程中的吸能量E，用吸能量E除以吸能盒的质量m，获得吸能盒的比吸能SEA。分别计算刚性平面的法线与吸能盒轴向成0度，5度，10度，15度，20度，25度，30度时，吸能盒的比吸能SEA,将吸能盒处于上述7个加载角度下的SEA进行求和，再除以7，即可获得吸能盒的平均比吸能MSEA。
步骤九：分别获取11个具有不同k值的矩形日字形混合截面吸能盒的MSEA，使用三次多项式拟合出MSEA与k之间的函数关系，算出使得MSEA最大的k，使用k乘以吸能盒的总高度，即为合适的肋板高度。
实施例1：
将吸能盒在实际中可能受到的碰撞载荷进行简化，如图1所示，使用刚性墙与吸能盒的碰撞产生的载荷，模拟吸能盒实际中可能受到的载荷。刚性墙法线与吸能盒轴线所成的角度为倾斜角度θ，具体的设计步骤如下所示。图1中的v表示加载，墙有一个碰撞速度去撞击吸能盒。
步骤一：如图2、图3a、图3b、图3c所示，将吸能盒分为两段。其上半段截面为矩形截面，截面的长和宽根据实际分配给吸能盒的设计空间确定，在本实施例中长宽均设为60mm。下半段截面比上半段截面增加一个肋板，肋板与截面外轮廓中的两条边相平行，位置处于与肋板相平行的两条边的正中间，形成日字形截面。上下两段组合在一起，形成矩形-日字形混合截面吸能盒。肋板所在平面法向垂直于吸能盒在碰撞时受到载荷的方向。
步骤二：为获得不同混合截面的薄壁结构最佳的肋板高度，令混合截面薄壁结构上半部分的高度为h1,下半部分的高度为h2，吸能盒总高度h1+h2在本实施例中为250mm,如图2所示。k＝h2/(h1+h2),代表混合截面薄壁结构下半部分占整体结构的比例。以k为设计变量，每隔0.1取一个样本点，取值范围为0≤k≤1，获得11个具有不同k值的混合截面吸能盒的几何模型，其肋板高度分别为0mm,25mm,50mm,75mm,100mm,125mm,150mm,175mm,200mm,225mm,250mm。
步骤三：使用hypermesh软件对上述几何模型进行网格划分，单元类型选用四节点壳单元，单元大小为2*2mm2，单元在厚度方向上具有5个积分点。
步骤四：使用商业有限元软件Lsdyna中MAT123(第123号)材料卡片模拟铝合金6063-T5的力学性能。铝合金基本的材料参数如表1所示，应力-应变曲线如附图4所示。
步骤五：约束吸能盒底部所有节点六个方向自由度。
步骤六：在吸能盒上方创建刚性平面。考虑到吸能盒在实际中可能受到的碰撞载荷方向并不确定，但通常在0到30度范围内。因此刚性平面的法线与吸能盒轴向所成角度θ包括0度，5度，10度，15度，20度，25度，30度。
步骤七：赋予上述刚性平面沿法向1m/s的恒定速度，使刚性墙以不同角度对吸能盒进行撞击。使用面面接触模拟刚性平面与吸能盒之间的相互接触，使用单面接触模拟吸能盒在压溃过程中的内部接触。
步骤八：提取刚性墙与吸能盒之间的接触力F，对接触力F进行积分，即可获得吸能盒在压溃过程中的吸能量E，用吸能量E除以吸能盒的质量m，获得吸能盒的比吸能SEA。分别计算刚性平面的法线与吸能盒轴向成0度，5度，10度，15度，20度，25度，30度时，吸能盒的比吸能SEA,将吸能盒处于上述7个加载角度下的SEA进行求和，再除以7，即可获得吸能盒的MSEA，如表2所示。
表2具有不同k值矩形日字形混合截面吸能盒MSEA
步骤九：获得11个具有不同k值的混合截面吸能盒的MSEA后，使用三次多项式对k和MSEA拟合，获得MSEA和k之间的函数关系，如下所示：
MSEA＝21.05k3-50.35k2+34.58k+15.28
求出k在0到1范围内，MSEA有最大值时，对应的k值。在本实施例中，最合适的k值大小为0.49，使用吸能盒总高度使用吸能盒总高度250乘以0.49，即为肋板合适的高度，本实施例中，合适的肋板高度为122.5mm。
实施例2
步骤一：如图5、图6、图6b、图6c所示，将吸能盒分为两段。其上半段截面为四胞形(田字形)截面，截面的长和宽根据实际分配给吸能盒的设计空间确定，在本实施例中均设为60mm。下半段截面比上半段截面增加四个肋板，肋板与上半截面每个胞中的两条边相平行，位置处于与每个胞的平行的两条边的中间位置，形成八胞形截面。上下两段组合在一起，形成四胞八胞形混合截面吸能盒。肋板所在平面法向垂直于吸能盒在碰撞时受到载荷的方向。下半截面较上半截面增加的肋板高度相等。
步骤二：为获得不同混合截面的薄壁结构最佳的肋板高度，令混合截面薄壁结构上半部分的高度为h1,下半部分的高度为h2，吸能盒总高度h1+h2在本实施例中为250mm,如图2所示。k＝h2/(h1+h2),代表混合截面薄壁结构下半部分占整体结构的比例。以k为设计变量，每隔0.1取一个样本点，取值范围为0≤k≤1，获得11个具有不同k值的混合截面吸能盒的几何模型，其肋板高度分别为0mm,25mm,50mm,75mm,100mm,125mm,150mm,175mm,200mm,225mm,250mm。
步骤三：使用hypermesh软件对上述几何模型进行网格划分，单元类型选用四节点壳单元，单元大小为2*2mm2，单元在厚度方向上具有5个积分点。
步骤四：使用商业有限元软件Lsdyna中MAT123(第123号)材料卡片模拟铝合金6063-T5的力学性能。铝合金基本的材料参数如表1所示，应力-应变曲线如附图4所示。
步骤五：约束吸能盒底部所有节点六个方向自由度。
步骤六：在吸能盒上方创建刚性平面。考虑到吸能盒在实际中可能受到的碰撞载荷方向并不确定，但通常在0到30度范围内。因此刚性平面的法线与吸能盒轴向所成角度θ包括0度，5度，10度，15度，20度，25度，30度。
步骤七：赋予上述刚性平面沿法向1m/s的恒定速度，使刚性墙以不同角度对吸能盒进行撞击。使用面面接触模拟刚性平面与吸能盒之间的相互接触，使用单面接触模拟吸能盒在压溃过程中的内部接触。
步骤八：提取刚性墙与吸能盒之间的接触力F，对接触力F进行积分，即可获得吸能盒在压溃过程中的吸能量E，用吸能量E除以吸能盒的质量m，获得吸能盒的比吸能SEA。分别计算刚性平面的法线与吸能盒轴向成0度，5度，10度，15度，20度，25度，30度时，吸能盒的比吸能SEA,将吸能盒处于上述7个加载角度下的SEA进行求和，再除以7，即可获得吸能盒的MSEA，如表3所示。
表3具有不同k值四胞八胞形混合截面吸能盒MSEA
步骤九：获得11个具有不同k值的混合截面吸能盒的MSEA后，使用三次多项式对k和MSEA拟合，获得MSEA和k之间的函数关系，如下所示：
MSEA＝12.627k3-16.64k2+15.62k+24.25
求出k在0到1范围内，MSEA有最大值时，对应的k值。在本实施例中，最合适的k值大小为0.61，使用吸能盒总高度使用吸能盒总高度250乘以0.61，即为肋板合适的高度，本实施例中，合适的肋板高度为152.5mm。
实施例3
步骤一：如图7、图8a、图8b、图8c所示，将吸能盒分为两段。其上半段截面为九胞形截面，截面的长和宽根据实际分配给吸能盒的设计空间确定，在本实施例中均设为60mm。下半段截面比上半段截面增加九个肋板，肋板与上半截面每个胞中的两条边相平行，位置处于与每个胞的平行的两条边的中间位置，形成十八胞形截面。上下两段组合在一起，形成九胞十八胞形混合截面吸能盒。肋板所在平面法向垂直于吸能盒在碰撞时受到载荷的方向，下半截面较上半截面增加的肋板高度相等。
步骤二：为获得不同混合截面的薄壁结构最佳的肋板高度，令混合截面薄壁结构上半部分的高度为h1,下半部分的高度为h2，吸能盒总高度h1+h2在本实施例中为250mm,如图2所示。k＝h2/(h1+h2),代表混合截面薄壁结构下半部分占整体结构的比例。以k为设计变量，每隔0.1取一个样本点，取值范围为0≤k≤1，获得11个具有不同k值的混合截面吸能盒的几何模型，其肋板高度分别为0mm,25mm,50mm,75mm,100mm,125mm,150mm,175mm,200mm,225mm,250mm。
步骤三：使用hypermesh软件对上述几何模型进行网格划分，单元类型选用四节点壳单元，单元大小为2*2mm2，单元在厚度方向上具有5个积分点。
步骤四：使用商业有限元软件Lsdyna中MAT123(第123号)材料卡片模拟铝合金6063-T5的力学性能。铝合金基本的材料参数如表1所示，应力-应变曲线如附图4所示。
步骤五：约束吸能盒底部所有节点六个方向自由度。
步骤六：在吸能盒上方创建刚性平面。考虑到吸能盒在实际中可能受到的碰撞载荷方向并不确定，但通常在0到30度范围内。因此刚性平面的法线与吸能盒轴向所成角度θ包括0度，5度，10度，15度，20度，25度，30度。
步骤七：赋予上述刚性平面沿法向1m/s的恒定速度，使刚性墙以不同角度对吸能盒进行撞击。使用面面接触模拟刚性平面与吸能盒之间的相互接触，使用单面接触模拟吸能盒在压溃过程中的内部接触。
步骤八：提取刚性墙与吸能盒之间的接触力F，对接触力F进行积分，即可获得吸能盒在压溃过程中的吸能量E，用吸能量E除以吸能盒的质量m，获得吸能盒的比吸能SEA。分别计算刚性平面的法线与吸能盒轴向成0度，5度，10度，15度，20度，25度，30度时，吸能盒的比吸能SEA,将吸能盒处于上述7个加载角度下的SEA进行求和，再除以7，即可获得吸能盒的MSEA，如表3所示。
表3具有不同k值九胞十八胞形混合截面吸能盒MSEA
步骤九：获得11个具有不同k值的混合截面吸能盒的MSEA后，使用三次多项式对k和MSEA拟合，获得MSEA和k之间的函数关系，如下所示：
MSEA＝0.285k3-14.767k2+17.4k+27.795
求出k在0到1范围内，MSEA有最大值时，对应的k值。在本实施例中，最合适的k值大小为0.51，使用吸能盒总高度使用吸能盒总高度250乘以0.51，即为肋板合适的高度，本实施例中，合适的肋板高度为127.5mm。
Claims (10)
1.一种混合截面吸能盒，其特征在于：所述混合截面吸能盒沿轴向分为两段，上半段截面具有矩形外轮廓，如果没有肋板，则为单胞形截面，如果含有肋板，则组成多胞形截面；多胞形截面内部肋板与矩形外轮廓中的两条边相平行，平行于矩形外轮廓长方向的肋板数量等于平行于矩形外轮廓宽方向的肋板数量；上半截面任意相平行且相邻的两条线之间的距离相等，含有n个小胞的截面为n胞形截面，n是自然数的平方；下半段截面比上半段在每个胞的内部增加了一个肋板，增加的肋板特征在于肋板与胞的两条边相平行，位置处于与胞相平行的两条边的正中间，增加的肋板所在平面法向与吸能盒在汽车碰撞时受到的载荷方向垂直，增加的肋板高度相等，增加肋板后下半段截面含有2n个胞，与上半段含有n个胞的截面组成了混合截面吸能盒。
2.一种权利要求1所述的混合截面吸能盒设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将吸能盒沿轴向分为两段，上下两段的截面不同；下半截面相较上半截面增加肋板，从而组成混合截面吸能盒；
步骤二：将肋板高度占薄壁结构总高度的比例k作为设计变量，k从0到1，每隔m取一个样本点，获得
个具有不同k值的混合截面吸能盒的几何模型；
m表示不同几何模型间k的差距；
步骤三：使用hypermesh软件对几何模型进行网格划分，单元类型选用四节点壳单元，单元大小为2*2mm2，单元在厚度方向上具有5个积分点；
步骤四：使用商业有限元软件Lsdyna中第123号材料卡片模拟金属材料的力学性能；
步骤五：将吸能盒底部所有节点的六个自由度进行约束；
步骤六：在吸能盒上方创建刚性平面；使用刚性平面与吸能盒的碰撞产生的载荷，来模拟吸能盒在实际车辆碰撞事故中受到的载荷，刚性平面的法线与吸能盒轴向所成角度θ在0到30度范围内；
步骤七：赋予上述刚性平面沿法向1m/s的恒定速度，使刚性平面以不同角度对吸能盒进行撞击；使用Automatic-surface-to-surface面面接触模拟刚性平面与吸能盒之间的相互接触，使用Automatic-single-surface单面接触模拟吸能盒在压溃过程中的内部接触；
步骤八：提取刚性平面与吸能盒之间的接触力F，对接触力F进行积分，获得吸能盒在压溃过程中的吸能量E，用吸能量E除以吸能盒的质量，获得吸能盒的比吸能SEA；分别计算刚性平面的法线与吸能盒轴向所成角度为不同角度时，吸能盒的比吸能SEA；将吸能盒的比吸能SEA进行求和，再除以角度个数，获得吸能盒的平均比吸能MSEA；
步骤九：分别获取
个具有不同k值的混合截面吸能盒的MSEA，使用三次多项式拟合出MSEA与k之间的函数关系，算出使得MSEA最大的k，使用k乘以吸能盒的总高度，即为合适的肋板高度；、
MSEA＝A1*k3+A2*k2+A3*k+A4
A1、A2、A3、A4是拟合出来的常数。
3.根据权利要求1所述的一种混合截面吸能盒，其特征在于：所述混合截面吸能盒沿轴向分为两段，上半段截面具有矩形外轮廓；肋板与截面外轮廓中的两条边相平行，位置处于与肋板相平行的两条边的正中间，形成日字形截面；上下两段组合在一起，形成矩形日字形混合截面吸能盒；下段截面较上段截面增加的肋板所在平面法向垂直于吸能盒在碰撞时受到载荷的方向。
4.一种如权利要求3所述的一种混合截面吸能盒的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将吸能盒沿轴向分为两段，上下两段的截面不同；上半段截面为矩形截面，下半截面相较上半截面增加一个肋板，为日字形截面，上下两段组成矩形日字形混合截面吸能盒；
步骤二：将肋板高度占薄壁结构总高度的比例k作为设计变量，k从0到1，每隔0.1取一个样本点，获得11个具有不同k值的矩形日字形混合截面吸能盒的几何模型；
步骤三：使用hypermesh软件对几何模型进行网格划分，单元类型选用四节点壳单元，单元大小为2*2mm2，单元在厚度方向上具有5个积分点；
步骤四：使用商业有限元软件Lsdyna中第123号材料卡片模拟金属材料的力学性能；
步骤五：将吸能盒底部所有节点的六个自由度进行约束；
步骤六：在吸能盒上方创建刚性平面；使用刚性平面与吸能盒的碰撞产生的载荷，来模拟吸能盒在实际车辆碰撞事故中受到的载荷，刚性平面的法线与吸能盒轴向所成角度θ在0到30度范围内，从0开始，每隔5度取为一个碰撞角度；
步骤八：提取刚性平面与吸能盒之间的接触力F，对接触力F进行积分，获得吸能盒在压溃过程中的吸能量E，用吸能量E除以吸能盒的质量，获得吸能盒的比吸能SEA；分别计算刚性平面的法线与吸能盒轴向所成角度为不同角度时，吸能盒的比吸能SEA；将吸能盒的比吸能SEA进行求和，再除以角度个数7，获得吸能盒的平均比吸能MSEA；
步骤九：分别获取11个具有不同k值的矩形日字形混合截面吸能盒的MSEA，使用三次多项式拟合出MSEA与k之间的函数关系，算出使得MSEA最大的k，使用k乘以吸能盒的总高度，即为合适的肋板高度；
MSEA＝21.05k3-50.35k2+34.58k+15.28
求出k在0到1范围内，MSEA有最大值时，对应的k值为0.49，合适的肋板高度为122.5mm。
5.根据权利要求1所述的一种混合截面吸能盒，其特征在于：所述混合截面吸能盒沿轴向分为两段，上半段截面为四胞形截面，下半段截面比上半段截面增加四个肋板，肋板与上半截面每个胞中的两条边相平行，位置处于与每个胞的平行的两条边的中间位置，形成八胞形截面；上下两段组合在一起，形成四胞八胞形混合截面吸能盒；下段截面较上段截面增加的肋板所在平面法向垂直于吸能盒在碰撞时受到载荷的方向。
6.一种如权利要求5所述的一种混合截面吸能盒的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将吸能盒沿轴向分为两段，上下两段的截面不同；上半段截面为四胞形截面，下半截面相较上半截面增加两个肋板，为八胞形截面，上下两段组成四胞形八胞形截面吸能盒；
步骤二：将肋板高度占薄壁结构总高度的比例k作为设计变量，k从0到1，每隔0.1取一个样本点，获得11个具有不同k值的四胞形八胞形混合截面吸能盒的几何模型；
步骤三：使用hypermesh软件对几何模型进行网格划分，单元类型选用四节点壳单元，单元大小为2*2mm2，单元在厚度方向上具有5个积分点；
步骤四：使用商业有限元软件Lsdyna中第123号材料卡片模拟金属材料的力学性能；
步骤五：将吸能盒底部所有节点的六个自由度进行约束；
步骤六：在吸能盒上方创建刚性平面；使用刚性平面与吸能盒的碰撞产生的载荷，来模拟吸能盒在实际车辆碰撞事故中受到的载荷，刚性平面的法线与吸能盒轴向所成角度θ在0到30度范围内，从0开始，每隔5度取为一个碰撞角度；
步骤八：提取刚性平面与吸能盒之间的接触力F，对接触力F进行积分，获得吸能盒在压溃过程中的吸能量E，用吸能量E除以吸能盒的质量，获得吸能盒的比吸能SEA；分别计算刚性平面的法线与吸能盒轴向所成角度为不同角度时，吸能盒的比吸能SEA；将吸能盒的比吸能SEA进行求和，再除以角度个数，获得吸能盒的平均比吸能MSEA；
步骤九：分别获取11个具有不同k值的四胞形八胞形混合截面吸能盒的MSEA，使用三次多项式拟合出MSEA与k之间的函数关系，算出使得MSEA最大的k，使用k乘以吸能盒的总高度，即为合适的肋板高度；
MSEA＝12.627k3-16.64k2+15.62k+24.25
求出k在0到1范围内，MSEA有最大值时，对应的k值为0.61，合适的肋板高度为152.5mm。
7.根据权利要求1所述的一种混合截面吸能盒，其特征在于：所述混合截面吸能盒沿轴向分为两段，上半段截面为九胞形截面，下半段截面比上半段截面增加九个肋板，肋板与上半截面每个胞中的两条边相平行，位置处于与每个胞的平行的两条边的中间位置，形成十八胞形截面。上下两段组合在一起，形成九胞十八胞形混合截面吸能盒。下段截面较上段截面增加的肋板所在平面法向垂直于吸能盒在碰撞时受到载荷的方向；
8.一种如权利要求7所述的一种混合截面吸能盒的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将吸能盒沿轴向分为两段，上下两段的截面不同；，上半段截面为九胞形截面，下半截面相较上半截面增加两个肋板，为十八胞形截面，上下两段组成九胞形十八胞形截面吸能盒；
步骤二：将肋板高度占薄壁结构总高度的比例k作为设计变量，k从0到1，每隔0.1取一个样本点，获得11个具有不同k值的九胞形十八胞形混合截面吸能盒的几何模型；
步骤三：使用hypermesh软件对几何模型进行网格划分，单元类型选用四节点壳单元，单元大小为2*2mm2，单元在厚度方向上具有5个积分点；
步骤四：使用商业有限元软件Lsdyna中第123号材料卡片模拟金属材料的力学性能；
步骤五：将吸能盒底部所有节点的六个自由度进行约束；
步骤六：在吸能盒上方创建刚性平面；使用刚性平面与吸能盒的碰撞产生的载荷，来模拟吸能盒在实际车辆碰撞事故中受到的载荷，刚性平面的法线与吸能盒轴向所成角度θ在0到30度范围内，从0开始，每隔5度取为一个碰撞角度；
步骤八：提取刚性平面与吸能盒之间的接触力F，对接触力F进行积分，获得吸能盒在压溃过程中的吸能量E，用吸能量E除以吸能盒的质量，获得吸能盒的比吸能SEA；分别计算刚性平面的法线与吸能盒轴向所成角度为不同角度时，吸能盒的比吸能SEA；将吸能盒的比吸能SEA进行求和，再除以角度个数，获得吸能盒的平均比吸能MSEA；
步骤九：分别获取11个具有不同k值的四胞形八胞形混合截面吸能盒的MSEA，使用三次多项式拟合出MSEA与k之间的函数关系，算出使得MSEA最大的k，使用k乘以吸能盒的总高度，即为合适的肋板高度；
MSEA＝0.285k3-14.767k2+17.4k+27.795
求出k在0到1范围内，MSEA有最大值时，对应的k值为0.51，合适的肋板高度为127.5mm。
9.根据权利要求2所述的一种混合截面吸能盒的设计方法，其特征在于：步骤二中的m需要被1整除，取值为0.1、0.05或0.01。
10.根据权利要求1所述的一种混合截面吸能盒，其特征在于：
所述混合吸能盒的截面外轮廓尺寸为60*60mm2，总高度为250mm，材料为铝合金6063T5。
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