【技术帖】汽车防撞栏仿竹薄壁管结构的能量吸收特性

薄壁结构作为多孔结构中的一种，具有轻量化、低成本以及较优的吸能特性，广泛应用于航空航天、车辆工程和国防军事等领域［1-4］。在过去的研究中，相关学者就薄壁结构展开了诸多研究。人们主要从其基体材料和截面几何形状入手。在材料方面，如钢材、铝合金及复合材料等已经被众多研究人员应用于薄壁结构上［5-6］。在截面几何形状方面，如圆形、三角形、方形及多边形等薄壁管结构也已被国内外研究人员进行了系列深入研究［7-8］。

由于人工设计往往有所局限，近年来，为进一步提高薄壁结构的能量吸收性能，研究人员将目光转向了历经漫长进化生物样本众多的自然界。在自然界中，薄壁多孔结构的生物原型主要分为植物类和动物类两大块。其中，植物类主要包括木贼属植物、竹子、植物果实外壳等［9-10］；动物类主要包括动物角、蜂窝、昆虫外骨骼等［11-12］。SHARMA D 等［13］以曲霉菌为研究对象，提出了两种仿生薄壁管结构，并以晶胞长度、高度和加载类型为变量，进行了参数化研究。PALOMBINI F L 等［14］基于竹子维管束结构的特殊几何形状，提出了仿生相应仿生结构，并分别探讨了该仿生管结构在轴向、横向和三点弯曲加载下的能量吸收能力。MOHAMMADI H 等［15］分析了仿生蜂窝薄壁结构设计的主要影响因素，总结了提高仿生结构耐撞性的设计方法。范晓文等［16］以骨单元的微观尺度上的结构特征为研究对象，提出了仿骨单元薄壁结构，并借助非线性模拟方法分析了仿生结构的变形模式和能量吸收特性，验证了仿生结构的有效性。王勇辉等［17］借助荷叶脉络的分支特征，提出了仿生薄壁结构，进一步地，还通过数值模拟对比了仿生结构和传统薄壁结构在三点弯曲下的性能。邓敏杰等［18］注意到了植物茎秆优越的力学性能，并以马尾草为原型，提出了一种仿生薄壁结构，为进一步提升仿生结构的性能，还利用响应面法进行了优化设计。

竹子具有优秀的力学性能，能够适应各种复杂自然条件，其比刚度甚至强于常规金属材料。基于此，本文拟从宏观和微观两个尺度出发，对竹子的结构形貌特征进行观测；再将此类有助于增强结构吸能特性的特征提取出来，应用至薄壁管结构的设计中；并借助有限元方法来对比分析仿生竹结构与传统圆形薄壁结构的吸能特性；进一步地，通过参数化分析来研究加载角度、壁厚属性α 及截面属性β 对结构性能的影响。

1.1 仿竹薄壁结构设计

如图1 所示，为基于宏观结构特征的仿竹薄壁结构设计过程。图1（a）展示了自然界中的竹子。可以发现，竹子的纵横比惊人，但其依然能够抵抗自然界的极端风雨载荷。由图1（b）可以发现，其纵截面结构与一般植物的空心结构不同，是由壁厚梯度变化的薄壁和起加强作用的竹节所组成的薄壁圆管结构。因此，在前述分析的基础上，提出了一种新型带加强节的变壁厚薄壁管结构（Tube-a），如图1（c）所示。Tube-a 结构中，设置内圆直径D1 为50 mm，D2 为55 mm，D3 为60 mm，壁厚T1 为10 mm，T2 为5 mm，T3 为2.5 mm，t为2 mm。

图1 基于宏观结构特征的仿竹薄壁结构设计
Fig.1 Design of bamboo-like thin-walled structures based on macrostructural features

如图2 所示，为基于微观结构特征的仿竹薄壁结构设计过程。由图2（b）可以发现，其横截面结构主要由竹子的基体组织和均匀分布的维管束组织组成。可以推测，这些独特的空心维管束是竹子具有高强度和韧性的关键所在。基于此，提出了一种新型双圆带肋的仿竹薄壁管结构（Tube-b）如图2（c）所示。Tube-b结构中，设置外圆直径d1 为65 mm，d2 为16 mm，壁厚t1 为2.5 mm，t2 为1 mm。

图2 基于微观结构特征的仿竹薄壁结构设计
Fig.2 Design of bamboo-like thin-walled structures based on microstructural features

1.2 吸能特性评估指标

为便于分析Tube-a 结构和Tube-b 结构的能量吸收特性，本研究引入了包括吸能总量EA、比吸能SEA、峰值破碎力PCF、吸能效率CFE 等指标［19-21］。

EA 表示加载过程中结构吸收的总能量，计算式为

式中，δ 为压头的有效加载位移；F 为瞬时冲击力。SEA 表示加载过程中，每单位质量结构所吸收的能量，计算式为

式中，M 为结构的总质量。PCF 为加载过程中的峰值作用力，计算式为

CFE 为加载过程中的稳定性，计算式为式中，MCF 为平均压缩力。

2.1 有限元模型的建立

借助Abaqus 有限元软件来分析仿生结构在准静态加载下的能量吸收特性。为便于对比分析，还引入了常规圆管结构。3 种结构的轴向长度均设置为600 mm，圆管结构外圆直径为65 mm，壁厚为5 mm。薄壁结构的材料选择了铝合金6061T6，其材料属性如表1 所示。由于铝合金材料对于应变率不敏感，故可以忽略其影响。所建立的有限元模型如图3 所示。刚性压头和固定支座均为刚性壳体单元。底部两固定支座之间的跨距为450 mm。顶部的刚性压头仅保留竖直方向的自由度，其上施加有竖直向下的80 mm 位移载荷。各部件间的接触均定义为通用接触，切向接触为罚接触，系数为0.3；法向接触为硬接触。采用线性六面体单元（C3D8R）对各部件进行网格划分，网格灵敏性分析结果如表2 所示，发现2.5 mm 尺寸的网格兼具准确性和便捷性。网格划分方式为扫描，采用沙漏控制结合中性轴算法进行划分［22］106546。

表1 铝合金6061T6 的材料参数
Tab.1 Material parameters of aluminum alloy 6061T6

表2 网格灵敏性分析结果
Tab.2 Results of mesh sensitivity analysis

图3 有限元模型
Fig.3 Finite element model

2.2 有限元模型的验证

为验证本研究中所建立有限元模型的有效性，参考了文献［22］106546 中的三点弯曲准静态加载实验过程。其 中，加载结 构为圆 柱压头，加载速度为3 mm／min。待加载结构为薄壁圆管，直径为35 mm，壁厚为2 mm，长度为250 mm；底部两支座跨距为150 mm，加载距离为60 mm。对比该文献中的结构参数设置，所得模拟结果与实验结果的对比情况如图4所示。显然，仿真结果的力-位移曲线与实验结果的吻合度较高。此外，实验与仿真在压头和支座处的变形也是十分接近的。仿真与实验的最大差异为4.57%，小于5%，这在工程中是允许的。因此，使用上述有限元模型来研究仿竹薄壁结构的能量吸收特性是合理且有效的。

图4 实验与仿真结果的对比
Fig.4 Comparison of experiment and simulation result

3.1 评估指标对比分析

图5 所示为仿竹薄壁结构Tube-a 和Tube-b 与常规圆管结构在三点弯曲加载下的吸能性能对比结果。图5 表明，两种仿竹薄壁管结构的总体性能均优于传统圆管结构。其中，Tube-a 和Tube-b 的PCF 较传统圆管结构分别降低了约3.104%和18.396%；SEA 较传统圆管结构分别提升了约7.009%和50.8%；CFE 较传统圆管结构分别提升了约25.564%和38.797%。可见，Tube-b 对结构吸能性能的提升更为显著。

图5 不同结构性能对比
Fig.5 Comparison of the performance of different structures

3.2 变形模式分析

三点弯曲下的变形结果如图6 所示，各分图中上半部分为正向视图，下半部分为X 平面视图切割结果。由图6（a）可以发现，常规圆管结构在三点弯曲测试时，随着压头的下移，其底部向两侧拉伸，顶部向中间挤压。随着压头的进一步下压，其底部和顶部的变形趋势进一步增加。尤其在其顶部由于变形挤压加剧，出现了一些变形褶皱。由图6（b）可以发现，Tube-a 结构在三点弯曲测试时的变形模式和常规圆管结构相似，不同之处在于，褶皱出现阶段要早于常规圆管结构，且在最终阶段的屈曲变形更剧烈。这印证了前述评估指标对比分析中Tube-a 的各项指标要优于常规圆管结构。从图6（c）可以发现，Tube-b结构在三点弯曲测试时的变形模式与常规圆管结构也相似。其不同在于：褶皱出现阶段较早且数量较多；最终屈曲变形更剧烈；应力集中现象较前两者不明显。由此可以推测，这就是Tube-b 吸能性能提高较显著且吸能效率较高的原因。因此，可以认为本研究提出的仿竹薄壁结构是有效提高结构吸能特性的方法。

图6 不同结构在三点弯曲下的变形模式
Fig.6 Deformation patterns of different structures under the three-point bending

为更深入地了解仿竹薄壁结构在三点弯曲测试下的吸能特性，对其进行参数化分析是十分必要的。又由于Tube-b 对结构吸能性能的提升更为显著，故以其为研究对象。以图2 中的结构布置为参考，用α 来表示壁厚属性，定义α＝t1／t2；用β 来表示截面属性，定义β ＝d1／d2。本节拟研究加载角度、壁厚属性α 和截面属性β 的影响。

4.1 加载角度的影响

以图2（c）中的截面布置为基准0°，逆时针方向为加载角度变换方向。壁厚属性α 和截面属性β 分别保持原始值2.5 和4.1 不变。图7、图8 分别展示了不同角度影响下结构的吸能特性及其变形模式。由图7 可以发现，当加载角度增加至20°的过程中，其CFE 先增后减，而其SEA、MCF、PCF 均先减后增。结合图8 中的变形结果可知，这主要是因为在该过程中应力集中面积先增后减，使得CFE 相应变化。而结构中变形褶皱的数量先减后增，使其吸能能力也随之变化。严重的屈曲变形引发较大的PCF。当加载角度增加至40°时，其PCF 不断上升，而其SEA、MCF、CFE 均不断下降。结合变形结果可知，这主要是因为在该过程中产生了较大的屈曲变形，从而引发了较高的PCF，导致CFE 下降。而结构中的褶皱数量减少，导致了吸能效果较差。综合上述分析可得，Tube-b 结构的最佳加载角度在0°～20°。

图7 不同角度对结构性能的影响
Fig.7 Effect of different angles on structural performance

图8 不同角度影响下结构的变形模式
Fig.8 Deformation patterns of structures under the influence of different angles

4.2 α 的影响

以壁厚属性α ＝1.5 为起始点，增量步长为0.5，增加至α ＝3.5 时结束。加载角度和截面属性β 分别保持原始值0°和4.1 不变。图9、图10 分别展示了不同α 影响下结构的吸能特性及其变形模式。由图9 可以发现。在α 增加至2.5 的过程中，其PCF 先减后增，其SEA 不断增加，而其MCF、CFE 均不断下跌。结合图10 中的变形结果可知，在α 增加至2.5 的过程中，其屈曲程度先减后增，导致PCF 相应变化，过大的PCF 会降低CFE。而由于屈曲程度的加深和结构质量的减少导致其SEA 不断增加。在α 增加至3.5 的过程中，其PCF 呈下降趋势，而其SEA、MCF、CFE 均呈上涨趋势。结合图10 可知，这主要是因为在该过程中屈曲程度在减缓，导致PCF 下降，进而使得CFE 上涨。而该过程中结构质量的减少和褶皱数量的增加导致了SEA、MCF 增加。综合上述分析可得，合理增大壁厚属性α 能够有效提升Tube-b 的吸能特性。

图9 不同α 对结构性能的影响
Fig.9 Effect of different α on structural performance

图10 不同α 影响下结构的变形模式
Fig.10 Deformation patterns of structures under the influence of different α

4.3 β 的影响

以截面属性β ＝3.9 为起始点，增量步长为0.1，增加至β ＝4.3 时结束。加载角度和壁厚属性α 分别保持原始值0°和2.5 不变。图11、图12 分别展示了不同β 影响下结构的吸能特性及变形模式。由图11可以发现。在β 增加至4.1 的过程中，其PCF 呈上涨趋势，而其SEA、MCF、CFE 均呈下跌趋势。观察图12可知，这主要是因为在此过程中结构中的屈曲变形加剧，导致了较大的PCF，进而使得CFE 下跌。又由于结构中的褶皱数量减少，SEA、MCF 也出现下跌。在β 增加至4.3 的过程中，其PCF 先降后升，而其SEA、MCF、CFE 均先升后降。结合图12 可知，此过程中，结构中的屈曲变形先加剧后渐缓，导致PCF 相应变化，使得CFE 反向变化。而结构中的褶皱数量先多后少，使得SEA、MCF 出现先升后降。综合上述分析可得，适当减小截面属性β 能够有效提升Tube-b 的吸能特性。

图11 不同β 对结构性能的影响
Fig.11 Effect of different β on structural performance

图12 不同β 影响下结构的变形模式
Fig.12 Deformation patterns of structures under the influence of different β

本研究以竹子独特的空心薄壁结构为研究对象，分别从宏、微观两个观测尺度出发，分别设计出了带加强节的变壁厚薄壁管结构（Tube-a）和双圆带肋的仿竹薄壁管结构（Tube-b）。借助有限元工具Abaqus 建立了两种仿生结构和对比常规圆管在三点弯曲下的仿真模型，并验证了其有效性。进一步地分析了加载角度、壁厚属性α 和截面属性β 对仿生结构性能的影响。主要结论如下：

1）设计了两种新型仿竹薄壁结构，其性能均优于常规圆管结构。其中，Tube-a 的PCF 较圆管结构降低了约3.104%，其SEA、CFE 分别提升了约7.009%、25.564%。Tube-b 的PCF 较圆管结构降低了约18.396%，其SEA、CFE 分别提升了约50.8%、38.797%。

2）参数化分析表明，Tube-b 结构的最佳加载角度在0°～20°。

3）壁厚属性α 和截面属性β 对Tube-b 的吸能特性影响显著，合理增大壁厚属性α 以及适当减小截面属性β 均可有效提升结构的吸能特性。