角元素增强多胞管轴向耐撞性设计与性能调控研究

《International Journal of Mechanical Sciences》：Axially crashworthiness of multi-celled tubes reinforced with corner elements

本文推荐一项针对薄壁多胞管能量吸收性能的优化研究。为解决传统多胞管盲目增加加强筋导致截面总周长显著增大的问题，研究人员通过引入角元素（Corner Elements）来增加截面连接点能量耗散系数（RT），同时保持截面总周长不变，从而显著提升无量纲控制参数ω（√RT/RG）和结构的耐撞性。结果表明，角元素置于周边的MTRC-P2管表现最佳，其平均压溃力（MCF）较传统方管和多胞方管分别提升63%和31%，且比能量吸收（SEA）亦有显著改善。该研究为高效能量吸收结构的设计提供了新策略。

　　

在汽车、航空航天和轨道交通等领域，轻量化结构与乘员安全是永恒的主题。薄壁管结构因其优异的能量吸收能力和成本效益，被广泛用作碰撞能量吸收装置。然而，传统的单胞薄壁管，如方形管、圆形管，其能量吸收效率有限。为了提升性能，研究人员通常通过增加内部加强筋将单胞管转变为多胞管（Multi-celled Tubes, MCTs），这虽然增加了能量耗散路径，但也往往导致结构截面总周长（与R_G参数相关）显著增加，从而在一定程度上抵消了性能增益。因此，如何在不大幅增加结构总周长（即保持R_G恒定）的前提下，有效提升结构的能量吸收能力，成为一个关键的科学与工程问题。

在此背景下，山东科技大学王亮、刘鹏等研究人员在《International Journal of Mechanical Sciences》上发表论文，提出了一种创新的设计策略：通过在多胞管截面中引入角元素（Corner Elements）来增强其轴向耐撞性。该研究的核心思想基于作者团队先前提出的无量纲参数ω（定义为√R_T/R_G），其中R_T是截面中连接点（junction elements）的能量耗散系数，R_G是管材截面总周长与参考管（具有相同表观截面积和质量）总周长的比值。研究表明，薄壁管的耐撞性随ω值的增大而单调增加。通过引入角元素，可以有效地增加R_T（增加连接点数量），同时保持R_G不变，从而实现ω值和结构耐撞性的提升。

为了验证这一设想，研究人员系统性地开展了研究工作。首先，他们利用有限元（Finite Element, FE）方法分析了五种不同角度（π/4, π/3, π/2, 2π/3, 3π/4）的角元素在轴向压溃下的变形模式和能量吸收特性，发现角度为π/2的角元素表现出最优的耐撞性。在此基础上，他们设计了四种角元素增强多胞管（Multi-celled Tubes Reinforced with Corner Elements, MTRCs），分别将四个π/2角元素布置在方形多胞管的中心（MTRC-C1, MTRC-C2）或周边（MTRC-P1, MTRC-P2），并通过改变角元素顶点的位置（是否在加强筋上）进行区分。作为对比，还研究了原始方管（Original Square Tube, OST）和常规多胞方管（MCT）。所有管材具有相同的表观截面积、高度和质量，确保了对比的公平性。

研究采用了实验测试、数值模拟和理论分析相结合的方法。对MTRC-C2和MTRC-P2进行了准静态轴向压溃实验，并建立了经过实验验证的有限元模型用于系统研究。通过分析力-位移曲线，计算了六个关键的耐撞性指标：有效行程比（ESR）、平均压溃力（MCF）、比能量吸收（SEA）、能量吸收有效性（EEA）、压溃力效率（CFE）和承载能力波动（ULC），以全面评估管材的性能。

主要技术方法概述

本研究综合运用了实验力学、数值模拟和理论推导三种关键技术。实验方面，采用WAW-300万能试验机对MTRC-C2和MTRC-P2试件进行准静态轴向压缩测试。数值模拟方面，使用LS-DYNA软件建立有限元模型，通过网格收敛性分析确定最优网格尺寸，并设置合理的材料模型（铝AA6061-O）和接触条件。理论分析方面，基于简化超折叠单元（Simplified Super Folding Element, SSFE）理论和作者先前提出的无量纲参数（R_G, R_T, ω），推导了所有MTRCs的平均压溃力（MCF）理论预测模型。

研究结果

1. 变形模式分析

数值模拟结果显示，除OST外，MCT和四种MTRCs均表现出稳定、对称的渐进压溃变形模式，有利于压溃力的稳定。角元素的引入显著增加了压溃过程中产生的褶皱（lobes）数量。特别是角元素布置在周边的MTRC-P1和MTRC-P2，其最外层管壁产生的褶皱数量（分别为14和20个）远多于MCT（9个）和角元素置于中心的MTRC-C1、MTRC-C2（均为9个）。更多的褶皱意味着更均匀的能量耗散和更平稳的压溃力曲线。

2. 耐撞性指标对比

耐撞性指标分析表明，MTRC-P2在所有提出的管材中表现最为出色。其平均压溃力（MCF）达到61.35 kN，比能量吸收（SEA）为30.93 J/g，分别比OST高出63%和52.4%，比MCT高出31%和22.7%。同时，MTRC-P2的压溃力效率（CFE）最高（53.8%），承载能力波动（ULC）最低（0.087），说明其压溃力最接近平均值且波动最小，具有优异的稳定性。总体而言，角元素布置在周边（MTRC-P型）的管材性能优于布置在中心（MTRC-C型）的管材。

3. 角元素角度的影响

研究人员还探讨了角元素角度（π/3和2π/3）对MTRCs性能的影响。结果表明，角度对MTRCs的耐撞性有显著影响。尽管不同角度的角元素单独压溃时性能有差异，但当它们被整合到MTRCs中后，其性能排序和相对优势会受到管材整体结构（如角元素位置）的调制。然而，MTRC-P2A（角元素角度为π/3）和MTRC-P2O（角元素角度为2π/3）仍然在各自组别中表现出最佳性能，进一步验证了角元素周边布置策略的有效性。

4. 理论模型验证

基于SSFE理论和无量纲参数，研究人员推导了所有MTRCs的MCF理论公式：MCF = (√(2π) / (4η)) * K * σ₀* L_R^0.5* t_R^1.5* ω。其中，η是有效塑性流动应力系数，K是动态系数，σ₀是流动应力，L_R和t_R是参考管（OST）的总周长和壁厚。理论预测值与模拟值吻合良好，最大绝对误差仅为5.9%，证明了理论模型的准确性。理论计算显示，MTRC-P2具有最大的R_T值（222.12）和ω值（7.45），这直接解释了其最优的MCF和SEA。

5. 与其他多胞管的对比

为了进一步评估MTRC-P2的性能优势，研究将其与几种典型的先进多胞管（如双管结构BT_S、分形结构TFS-S3、分层结构SHLT07等）进行了对比。在保证相同外形尺寸、质量和材料的条件下，MTRC-P2在MCF、SEA和CFE等指标上均表现出不同程度的优势，其MCF比其他多胞管高出1%至57%，SEA高出1%至48%，CFE高出2%至48%。这一对比凸显了角元素增强策略在提升多胞管耐撞性方面的有效性和竞争力。

结论与意义

本研究成功提出并验证了一种通过引入角元素来增强多胞管轴向耐撞性的创新设计策略。核心结论是，通过增加截面连接点能量耗散系数R_T同时保持截面总周长相关参数R_G不变，可以显著提升无量纲控制参数ω，进而单调提高薄壁管的平均压溃力（MCF）和能量吸收效率。在所有设计的管材中，角元素布置在多胞管周边且顶点位于加强筋上的MTRC-P2结构表现最佳，其优异的性能得到了实验、模拟和理论模型的一致证实。

该研究的意义在于：首先，它为解决“如何在不显著增加结构重量和尺寸的前提下有效提升能量吸收能力”这一工程难题提供了新的思路和具体方案。其次，所建立的理论模型能够准确预测复杂截面形状薄壁管的耐撞性，为后续的优化设计提供了有力的理论工具。最后，研究结果表明，基于无量纲参数ω的设计框架具有普适性，可以指导未来开发更多高性能的能量吸收结构。这项研究成果对提升交通工具、防护设施等的碰撞安全性具有重要的理论价值和工程应用前景。