薄壁結構憑借輕量化、易于生產、吸能性好等優異特點，廣泛應用于汽車、航空航天等領域。在傳統吸能結構基礎上，本文提出一種半封閉式薄壁結構，對比了4種截面形狀(三角形、方形、六邊形、八邊形)下半封閉鋁合金薄壁管與普通裸管的耐撞性。模擬結果顯示，半封閉式薄壁管的吸能性能優于普通裸管，其中半封閉方形管結構的能量吸收能力最強，比吸能高達17952.20 J·kg?¹，相較于方形裸管提高了110%。研究發現，螺距為20 mm、圈數為2的半封閉式薄壁管耐撞性能較好。最后，利用響應面法對半封閉管件結構進行優化，結果表明：優化后薄壁結構的厚度為2.496 mm、肋板厚度為0.826 mm、螺距為21.800 mm，比吸能較優化前提高了58.04%。研究結果為半封閉結構的實際應用提供了一定的理論依據。

　　關鍵詞：薄壁結構;半封閉;響應面法;耐撞性;吸能性能

　　論文《半封閉式薄壁結構的耐撞性研究及優化》發表在《鍛壓技術》，版權歸《鍛壓技術》所有。本文來自網絡平臺，僅供參考。

　　引言

　　能量吸收能夠減少關鍵部件的損壞，減輕事故中不必要的影響，而薄壁結構可通過犧牲塑性變形吸收關鍵部件承受的沖擊動能，在汽車、航空航天等領域應用廣泛。薄壁結構的能量吸收能力受截面邊數、胞數、材料等多種設計因素影響，傳統研究多聚焦于全封閉式或全開口薄壁結構。

　　全封閉式薄壁結構能量吸收穩定，但吸能效率有限;全開口薄壁結構雖比吸能更高，卻存在失穩變形模式不穩定、難以實現可控漸進變形的問題。現有研究中，針對半封閉式薄壁結構的探索較少。本文旨在結合封閉與開口結構的優勢，設計一種半封閉式薄壁結構，研究其吸能性能，篩選能量吸收最優的結構形式，并通過優化幾何參數進一步提升吸能性能、穩定變形模式。

　　1 半封閉式薄壁結構設計及有限元模型建立

　　1.1 幾何結構設計

　　本文設計了4種對稱截面結構(三角形、方形、六邊形、八邊形)，分別對對應的薄壁裸管和半封閉管進行軸向壓縮對比。截面編碼規則為：三角形(Tr)、方形(Sq)、六邊形(Hx)、八邊形(Oc)，半封閉結構標注為“sc”，即Tr-sc、Sq-sc、Hx-sc、Oc-sc。

　　所有半封閉式結構的高度均為300 mm，初始螺距為20 mm，圈數為2。材料選用6061-T6鋁合金，兼顧強度與輕量化需求，其減輕率達55.4%，且模態和剛度優于鋼制材料。

　　1.2 耐撞性指標

　　選取4項核心指標評價半封閉薄壁結構的耐撞性能：

　　1. 初始峰值載荷(F?)：壓潰變形初始階段的最大峰值力，過大易產生危險加速度;

　　2. 總能量吸收(EA)：由力-位移曲線積分得到，反映結構整體吸能能力;

　　3. 比吸能(SEA)：單位質量的能量吸收效率，計算公式為SEA=EA/m(m為薄壁結構總質量);

　　4. 碰撞力效率(CFE)：衡量結構載荷均勻度，計算公式為CFE(d)=MCF(d)/F?×100%=EA(d)/(d×F?)×100%(MCF為平均沖擊力)。

　　1.3 有限元建模

　　采用ABAQUS/Explicit對不同截面薄壁管的吸能性能進行對比分析。模型包含上下剛性板和薄壁鋁合金結構，上剛性板沿Z軸下壓200 mm(準靜態軸向壓縮)，下剛性板固定不動。

　　6061-T6鋁合金的材料參數為：密度2.8×10?? kg·mm?³，彈性模量68200 MPa，泊松比0.33。薄壁管與上下剛性板采用面面接觸，薄壁管采用自接觸，罰函數系數為0.2，單元網格大小為2 mm×2 mm×2 mm。

　　2 結果分析與討論

　　2.1 力-位移曲線特征

　　不同截面形狀裸管和半封閉管的力-位移曲線變化趨勢基本一致，但半封閉式薄壁管的載荷波動更小，結構穩定性更優。由于半封閉式薄壁管質量更大，其初始峰值力和整體載荷高于普通裸管。

　　當金屬薄壁管受到準靜態軸向沖擊載荷時，載荷隨位移線性增加，下壓至1 mm左右達到初始峰值載荷(初始彈性屈曲階段);隨后剛性板繼續壓縮，薄壁管出現褶皺，進入相對穩定的漸進屈曲階段，此階段為能量吸收的主要階段。

　　2.2 變形模式分析

　　軸向壓縮下，薄壁結構呈現漸進折疊模式，隨著邊數增加，薄壁管產生的褶皺更多。普通裸管以穩定的對稱手風琴變形模式為主，半封閉式薄壁管先以對稱手風琴模式變形，后切換至整體屈曲變形。

　　半封閉似螺旋結構的管壁間存在空隙，增大了變形空間，且空隙間增設的兩條肋板與管壁相互作用，進一步提升了能量吸收效果。

　　2.3 吸能指標對比

　　數值模擬結果顯示，普通薄壁結構的總吸能隨邊數增加而提高(八邊形>六邊形>方形>三角形)。與普通裸管相比，4種半封閉式薄壁結構的耐撞性均顯著提升：

　　- SEA分別提高122.45%(Tr-sc)、80.16%(Sq-sc)、62.51%(Hx-sc)、45.65%(Oc-sc);

　　- CFE分別提高14.45%(Tr-sc)、9.60%(Sq-sc)、6.74%(Hx-sc)、30.59%(Oc-sc)。

　　綜合分析可知，半封閉方形管(Sq-sc)表現出最優異的性能，其比吸能高達17952.20 J·kg?¹，相較于方形裸管提高110%。

　　3 半封閉式薄壁結構幾何參數優化

　　3.1 幾何參數設計

　　以半封閉方形管(Sq-sc)為優化基礎，研究螺距、對稱結構、圈數對耐撞性的影響：

　　- 螺距(P)：選取20 mm、30 mm、40 mm三個水平;

　　- 結構形式：在螺距20 mm基礎上設計2種非對稱結構(Sq-sc-a、Sq-sc-b)，并與對稱結構對比;

　　- 圈數：選取2、3、4三個水平。

　　3.2 幾何參數結果對比

　　數值模擬結果表明：

　　1. 螺距影響：隨著螺距增加，比吸能單調減小，每增加10 mm，比吸能平均減少11.99%，碰撞力效率基本保持一致;

　　2. 圈數影響：隨著圈數增加，比吸能單調減小，每增加1圈，比吸能平均減少15.02%;

　　3. 結構對稱性影響：非對稱結構的比吸能平均減少8.07%，CFE均變小，說明對稱結構受力更均勻、穩定性更好。

　　綜上，螺距為20 mm、圈數為2的對稱方管耐撞性能最優。

　　4 半封閉式吸能構件尺寸優化

　　4.1 優化模型建立

　　采用響應面法(RS)進行多目標優化，以比吸能(SEA)最大化為核心目標，初始峰值載荷(F?)最小化為次要目標。設計變量為壁厚(T?)、肋厚(T?)和螺距(P)，約束條件為：

　　- 0.5 mm ≤ T? ≤ 2.5 mm;

　　- 0.5 mm ≤ T? ≤ 2.5 mm;

　　- 10 mm ≤ P ≤ 20 mm。

　　由于SEA和F?數值量級不同，先進行歸一化處理，再引入權重系數(u=0.7，v=0.3)將多目標問題轉化為單目標優化，最終優化函數為：Max[y(*)=u y? - v y?](y?為歸一化SEA，y?為歸一化F?)。

　　4.2 優化結果驗證

　　響應面模型擬合精度較高(SEA的R²值接近1.000，F?的R²=0.964)，最優參數組合為：

　　- 壁厚(T?)：2.496 mm;

　　- 肋板厚度(T?)：0.826 mm;

　　- 螺距(P)：21.800 mm。

　　優化后模型的吸能性能較原Sq-sc結構顯著提升：

　　- 總能量吸收(EA)：從7838.67 kJ提升至20681.02 kJ，增幅163.83%;

　　- 比吸能(SEA)：從17952.20 J·kg?¹提升至28371.48 J·kg?¹，增幅58.04%;

　　- 初始峰值載荷(F?)：從73.54 kN提升至137.28 kN，增幅86.67%;

　　- 碰撞力效率(CFE)：從0.5330提升至0.7532，增幅41.31%。

　　優化后模型的載荷波動更小，耐撞性和穩定性均得到有效提升。需注意的是，實際應用中需控制吸能管件厚度，避免因厚度過大導致初始峰值載荷過高引發危險。

　　5 結論

　　1. 與傳統普通裸管相比，4種半封閉式薄壁管的耐撞性均顯著提升，其中半封閉方形管(Sq-sc)的比吸能最高(17952.2 J·kg?¹)，相較于方形裸管提高110%。

　　2. 螺距和圈數對半封閉式薄壁結構的耐撞性有顯著影響：初始峰值載荷和總吸能隨螺距、圈數增加而增大(因結構質量增加)，但比吸能隨二者增加而減小(單位質量吸能能力下降)。

　　3. 對稱結構的耐撞性優于非對稱結構，對稱結構受力穩定、載荷波動小;螺距20 mm、圈數2的半封閉方形管具有優異的耐撞性能。

　　4. 基于響應面優化方法，當壁厚2.496 mm、肋厚0.826 mm、螺距21.800 mm時，半封閉式薄壁管的比吸能達到28371.48 J·kg?¹，耐撞性顯著提升，可為實際工程應用提供理論支撐。

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