一种正弦式波纹吸能管的设计方法

摘要

本发明公开了一种正弦式波纹吸能管，该吸能装置是在圆管的基础上，通过基函数控制其轴向的波纹形式。其中，d为基础直径，A为波形的振幅，ω为波形的角速度，为波形的初始相位角，波长为本发明通过正弦式波纹引导其折皱模式，压溃可预见，折皱更密更规则，降低了初始峰值力，提高其吸能的安全性。同时，采用逐级压溃的原理，控制缓冲区及吸能区的振幅与波长的比值，起到降低峰值力，同时提高材料的利用率，从而提高其吸能效果。

说明书

技术领域

本发明属于汽车被动安全技术领域，具体涉及一种正弦式波纹吸能管。

背景技术

随着我国经济的快速发展，国内汽车保有量迅速增加，同时也导致了大量的交通 事故。目前汽车工业的三大主题是：安全、节能、环保，消费者对汽车安全的关注度 越来越高，并直接影响其消费行为。提高汽车安全性能至关重要，而汽车被动安全技 术是汽车安全技术的极其重要的一环，具有重要的现实和经济意义。

保险杠作为汽车重要的吸能部件，分布在保险杠两端的吸能盒是其主要的吸能结 构。吸能盒主要由结构不同的薄壁金属管构成，许多的研究人员通过对薄壁金属管的 结构优化和材料优化提高其吸能特性。这方面也公布了大量的专利，名称为“一种仿 竹结构的仿生吸能管”的专利通过仿照竹子的径向、轴向的结构，利用结构优化设计 出一款新型的吸能管；名称为“一种汽车吸能盒”的专利通过在圆形管外设置特定吸 能槽，并填充聚丙烯泡沫，提高其吸能特性；名称为“一种折痕式碰撞吸能盒”的专 利通过折痕纹路引导变形模型，从而增大吸能量。

以上这些现有的吸能结构，一方面，不能实现对压溃时褶皱模式的控制与预见， 存在很多的不确定性，这在碰撞发生时将会是一种安全隐患；另一方面，对设置诱导 槽或者折痕的工艺比较复杂，大大提高了装置的加工成本与生产时间。为了解决以上 两方面的不足，提出了一种新型的正弦式波纹吸能管。

发明内容

本发明的目的是提供一种正弦式波纹吸能管及设计方法，该装置具有更密更规则 的压溃折皱模式，可实现对折皱模式的预先设计与控制，同时降低初始峰值力。该吸 能装置主要运用于汽车保险杠的吸能盒中，提高汽车的被动安全性。

本发明所采用的技术方案提供一种正弦式波纹吸能管设计方法，其特征在于：

步骤1、确定正弦式波纹吸能管的轴向长度L和基础直径d；

步骤2、利用基函数对正弦式波纹吸能管的外形进行参数分 析；其中，A为波形的振幅，ω为波形的角速度，由角速度可以得出波长为为 波形的初始相位角，单位均为国际单位制；

步骤3、进行有限元参数仿真，分析不同参数下正弦式波纹管的初始峰值力、比 吸能、总吸能及载荷的波动度；

步骤4、对圆形直管和正弦式波纹管进行仿真性能比较；

步骤5、根据仿真数据及比较结果确定缓冲区的波长m与振幅的组合；

步骤6、根据仿真数据及比较结果确定吸能区的波长n与振幅的组合；

步骤7、重复上述步骤3-6的基函数仿真过程；

步骤8、最终确定基函数中对应的各个参数，并按照确定后 的基函数对正弦式波纹吸能管进行加工。

本发明的有益效果

同以往的吸能盒相比，本发明具有以下优点：

1、利用基函数实现对管型的可控加工。

2、通过正弦式波纹引导其折皱模式，压溃模式可预见，折皱更密更规则。正弦 式的波纹结构等效于给圆管进行预变形处理，降低初始峰值力，提高其吸能 的安全性。

3、通过简单的加工制造就可以实现对折皱模式的控制，大大节省生产成本。

4、采用逐级压溃的原理，控制缓冲区及吸能区的振幅与波长的比值，起到降低 峰值力，同时提高材料的利用率，从而提高其吸能效果。

5、在加工工艺上，本发明的波纹管用液压成形的工艺进行加工，这需要根据设 计好的波纹管基函数预先设计好模具，一次性加工成形，大大减少了后续的 修善加工，同时其利用的材料为塑性较好的金属铝合金，也可以在一些复合 材料上进行尝试。

附图说明

图1为正弦式波纹管的外形尺寸示意图；

图2为振幅A与波长的匹配的压溃变形模型点图。

具体实施方式

下面结合附图1-2对本发明作详细的说明。

图1为正弦式波纹管的外形尺寸示意图，图中的L为本发明所述正弦式波纹管的 总长，l为所述波纹管缓冲区的长度，d为正弦式波纹管的基础直径，m为缓冲区的 波长，n为吸能区的波长。

具体的，通过控制波纹管的外形，A为波形的振幅，ω为 波形的角速度，由角速度可以得出波长为为波形的初始相位角，对初始峰值力 影响较大。

图1中可以明显看出，上端的缓冲区的波长小于下端吸能区的波长，这样设计的 目的是，先让上端的缓冲区进行压溃，达到降低峰值力的作用，缓冲区压溃结束后会 引导吸能区进行压溃，并在保证安全的提前下，通过改变吸能区的波长，最大限度的 提高平均力。

此外，通过控制缓冲区及吸能区的振幅与波长的比值，起到降低峰值力，同时提 高材料的利用率，从而提高其吸能效果。同时，正弦式波纹管的压溃褶皱模式比直管 更加密实，更加规律，可以通过预先设计到达对压溃时褶皱模式的控制，从而减少碰 撞吸能过程中造成不确定的破坏模式，避免安全隐患。

本发明提出一种正弦式波纹吸能管设计方法。

步骤1、确定正弦式波纹吸能管的轴向长度L和基础直径d；

具体的，正弦式波纹管的轴向长度L和基础直径d由安装位置决定，实施例中取 L＝200mm，d＝60mm；

步骤2、利用基函数对管的外形进行参数分析；

其中，A为波形的振幅，ω为波形的角速度，由角速度可以得出波长为为波 形的初始相位角，单位均为国际单位制。

步骤3、进行有限元参数仿真，分析不同参数下正弦式波纹管的初始峰值力、比 吸能、总吸能及载荷的波动度；

在设计本发明所述的正弦式波纹管的过程中，需要通过有限元仿真实验来完成， 其中，有限元方真参数设置如下：

正弦式波纹管管壁采用的材料为铝合金6063T6，其密度为2.7g/mm*3，弹性模量 为65GPa，泊松比为0.3，屈服强度为130MPa。在hypermesh软件中进行仿真，选 择24号材料模型。刚性墙以2m/s的恒定速度进行压溃，计算中管采用single surface 接触，静摩擦因数为0.3，动摩擦因数为0.2。同时管与底部钢性墙采用surface to surface 接触，静摩擦因数和动摩擦因数分别为0.3和0.2。

表1仿真实验中正弦式波纹管的参数设置

由表1中可知：波纹管的基础直径d为60mm，厚度t为1mm，管的总长L为200mm， 缓冲区长度l为40mm，吸能区长度m为160mm；缓冲区的波长为4mm，吸能区的 波长由表2所示为4、6、8、10、12、15、16、18、20、30mm这十组不同的波长。 振幅A为1mm。

表2仿真的初始峰值力及比吸能的对比数据：

编号 SEA(KJ/kg) 峰值力(KN) 1 10.903 15.367 2 11.263 14.006 3 12.507 12.721 4 11.490 11.216 5 10.227 12.621 6 9.744 12.509 7 9.880 13.856 8 9.881 11.604 9 9.746 15.544 10 8.442 19.892 11 13.472 31.059

表2中的数据显示，和直管的初始峰值力31.059KN相比，波纹管在这方面的优势具 有明显的优势，不过比吸能有所降低。权衡两者，在牺牲最小比吸能的条件下，吸能 区波长为8mm时，该波纹管可以作为一种理想的吸能盒。

进一步可以得到，直管的力位移曲线波动剧烈，这在汽车碰撞吸能过程中是应当减少 和避免的，而波纹管在这方面表现出相当大的优势，其载荷相对均匀稳定。

步骤4、对圆形直管和正弦式波纹管进行仿真性能比较；

具体的，当A＝0时，波纹管就转变为直径为d的圆直管，比较其吸能特性参数： 初始峰值力、SEA(比吸能)、SE(总吸能)、变形模式及载荷的波动度；直管的吸能 值优于波纹管，不过其不足是变形模型不易控制，初始峰值力大，载荷波动大，而这 些正是波纹管的优势，在满足变形模式稳定、初始峰值力较小，载荷平稳的情况下尽 量提高波纹管的吸能值。

步骤5、根据仿真数据及比较结果确定缓冲区的波长m与振幅的组合；

步骤6、根据仿真数据及比较结果确定吸能区的波长n与振幅的组合；

具体的，由于波长值大了将趋于直管，故波长仿真范围为4、6、8、10、12、15、 16、18、20、30mm；由于振幅过小将趋于直管，振幅过大将大幅度减少其吸能值， 故振幅范围为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0mm。把波长和振幅 在范围类进行随机组合仿真分析。

具体的，由于初始峰值力出现在发生碰撞之后的很短时间内，考虑到时间很难把 握，确定缓冲区长度为管轴向长度L的五分之一，吸能区长度为管轴向长度的五分之 四；

步骤7、重复基函数的仿真实验；

具体的，这是一个寻优的过程，在控制其发生手风琴压溃模式的前提下，以SEA 最大为目标，寻求最佳波长及振幅的组合。

具体的，振幅与波长的匹配压溃变形模式如图2所示，我们可以得出，手风琴模 式为一个区域，在该区域中寻求最佳的参数匹配即为最终得到的基函数参数。

步骤8、最终确定基函数中对应的各个参数，并按照确定后 的基函数对正弦式波纹吸能管进行加工。

进一步的，该波纹管的加工方式采用一次性液压成形的工艺，这要求预先设计好 于正弦式波纹管外形一致的模型，通过液压成形强大的冲击力及较好的均匀受力对管 的外形进行加工。这样可以明显减少外形加工的修缮工艺，大大降低了生产成本。

需要指出的是，以上所述，仅为本发明的具体实施实例，实例中所使用的数据和 图表仅用于说明本方法的具体思路。对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精 神和原则之内，可轻易想到的变化或同等替换、改进等，均应包含在本发明的保护 范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围。