《Next Materials》：Optimization of bi-hexagonal crash box design using metal 3D printing technology for enhanced crashworthiness
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本研究对于通过采用选择性激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）金属3D打印技术优化碰撞盒设计、提升车辆耐撞性（crashworthiness）性能具有重要意义。尽管传统碰撞盒具有一定有效性，但为了在冲击过程中实现更优的能量吸收，仍需
本研究对于通过采用选择性激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）金属3D打印技术优化碰撞盒设计、提升车辆耐撞性（crashworthiness）性能具有重要意义。尽管传统碰撞盒具有一定有效性，但为了在冲击过程中实现更优的能量吸收，仍需开发更高效且轻量化的设计。研究所采用的方法包括基于ANSYS的数值模拟以及用于结果验证的实验测试。研究结果表明，优化后的碰撞盒模型获得了最高的能量吸收（Energy Absorption，EA）值24.834 kJ，以及比吸能（Specific Energy Absorption，SEA）142.25 kJ/kg，均高于其他模型。变形模式结果显示，得益于壁厚增加与几何构型优化，优化模型能够产生更受控且更对称的变形。这种改进降低了结构角部的应力，使结构能够发生渐进且稳定的变形，并将突发性结构失效的风险降至最低。本研究对开发更高效、更安全的车辆用碰撞盒设计具有重要贡献。
该论文发表于《Next Materials》，围绕金属增材制造赋能的双六边形碰撞盒耐撞性优化展开，目标是在轻量化约束下提升车辆正向碰撞中的吸能能力与变形稳定性。碰撞盒作为汽车前部关键被动安全部件，其核心功能是在碰撞发生时通过可控塑性屈曲耗散动能，降低传递至车架与乘员舱的载荷。现有常规碰撞盒多采用薄壁单腔管结构，虽然在轴向压溃中具有一定应用基础，但在能量吸收效率、屈曲稳定性以及结构质量控制方面仍存在局限。既有研究虽已发展出多胞、波纹、填充泡沫及折纸启发结构，但对于双六边形（bi-hexagonal）碰撞盒而言，仍面临制造复杂、角部应力集中、冲击角敏感以及实验验证相对不足等问题。尤其是复杂截面构型若采用传统制造方法，往往难以兼顾成形精度、结构整体性与设计自由度，因此有必要引入选择性激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）等金属增材制造（Additive Manufacturing，AM）技术，结合参数优化方法，系统提升双六边形碰撞盒的综合耐撞性。
研究人员以AlSi10Mg铝合金为材料对象，构建双六边形碰撞盒设计—仿真—优化—打印—实验验证的一体化研究框架，重点考察支撑结构长度、内六边形直径、内壁厚与外壁厚等几何参数对吸能性能的影响。研究结果表明，壁厚与支撑长度是影响能量吸收（Energy Absorption，EA）的主导因素，其中内外壁厚同时增加可显著提高结构抗变形能力与吸能水平；优化后的几何组合使模型获得24.834 kJ的EA和142.25 kJ/kg的比吸能（Specific Energy Absorption，SEA），优于初始各设计模型。与此同时，优化构型在冲击过程中呈现更渐进、更对称的折叠模式，角部应力集中得到缓解，从而抑制突发失稳。仿真与准静态实验结果总体吻合，说明该优化策略具有较好的预测能力与工程可行性。论文的重要意义在于证明了SLM与响应面优化相结合可有效开发兼具高吸能效率与结构稳健性的复杂碰撞盒，为汽车尤其是电动车和替代燃料车辆的轻量化安全结构设计提供了新的技术路径。
在技术方法上，研究人员首先基于Johnson–Cook本构模型建立AlSi10Mg材料在塑性变形、应变率及温度效应下的力学响应；随后在ANSYS 2023 R2中开展显式动力学有限元分析，以能量吸收为主要评价指标。参数优化采用Box–Behnken Design（BBD）与响应面法（Response Surface Methodology，RSM），对4个设计变量进行三水平组合设计与回归分析。优化后样件通过EPlus EP-M260金属3D打印机制备，并使用FARO 3D扫描仪进行精度评估，之后实施热处理。最终利用Electromechanical Universal Testing Machine开展2 m/s准静态压缩实验，对最低EA模型、最高EA模型及优化模型进行验证。
在结果部分，论文按照多个小节系统呈现了双六边形碰撞盒的耐撞性表现及优化规律。
3.1. Crash box energy absorption
研究人员完成27组仿真模型后，获得各设计组合的EA、质量与SEA数据。结果显示，Model 10在原始设计集中表现最佳，EA为22.834 kJ，质量为0.1808 kg，SEA为126.3222 kJ/kg；Model 2表现最差，EA为13.1920 kJ，SEA为94.3769 kJ/kg。该结果表明，双六边形碰撞盒的几何参数变化可显著影响冲击吸能能力，其中较优构型更易形成对称折叠并提高能量耗散水平，而较差构型则更易发生非对称屈曲，削弱整体吸能效率。
3.2. Crash box deformation patterns
通过对高EA模型M10与低EA模型M2的变形轮廓进行比较，研究人员分析了不同构型下的压溃机制差异。结果表明，高性能模型在压缩过程中形成更规则、更对称的渐进折叠，说明载荷沿结构传播更均匀，塑性耗能更充分；而低性能模型的折叠模式更不对称，提示局部屈曲和不稳定变形更为显著。这一部分结果说明，吸能差异不仅体现在总能量数值上，也体现在变形路径是否可控。
3.3. Design optimization results
研究人员基于RSM对四个设计因子进行回归建模，发现支撑结构长度A、内壁厚C和外壁厚D对EA具有显著影响，且p值均小于0.05；内直径B的影响较小，但仍达到统计学显著性（p = 0.029）。这一结果说明，双六边形碰撞盒的耐撞性提升主要依赖承载壁厚与支撑尺度的协同调控，而内腔尺度对吸能的直接贡献相对有限。
3.4. ANOVA test results
方差分析（Analysis of Variance，ANOVA）进一步表明，整体回归模型具有显著统计学意义，F值为64.50，p值为0.000。线性项对模型贡献最大，二次项及交互作用项均不显著。该结果说明，在本研究设定的参数范围内，EA对主要几何变量的响应以线性主效应为主，模型能够较好解释仿真数据中的变异，为后续参数寻优提供可靠依据。
3.5. Design parameter optimization
通过响应面优化，研究人员得到最优参数组合：支撑结构长度7 mm、内六边形直径21.3737 mm、内壁厚2.2 mm、外壁厚2.2 mm。该组合对应的最大EA为24.834 kJ，SEA为142.25 kJ/kg，期望度（desirability index）为0.9025。结果表明，同时提高内外壁厚是增强吸能能力的最关键手段，而较长支撑结构有助于碰撞载荷更均匀地传递并诱导稳定折叠。相比之下，内直径主要影响内部空间，对抗压承载能力和吸能提升的作用较弱。
3.6. Verification of optimization results
在获得最优参数后，研究人员使用ANSYS对优化模型进行了验证仿真。结果显示，优化模型沿结构中下部发生逐步且对称的变形，表现出典型的渐进折叠机制。这种变形模式意味着冲击能量通过连续压溃逐渐耗散，能够有效防止整体失稳或突发性屈曲。与M2和M10相比，优化模型在15 m/s条件下获得最高EA与SEA，且仿真值与RSM预测值之间偏差仅为0.33219%，说明构建的优化模型具有较高预测精度和稳定性。
3.7. Quasi-static testing and experimental verification
研究人员进一步在2 m/s条件下开展准静态实验，对M2、M10与优化模型进行对比验证。实验中，M2、M10和优化模型的EA分别为3.062 kJ、5.040 kJ和5.706 kJ；相应仿真值分别为2.925 kJ、4.676 kJ和5.254 kJ，整体误差小于8%，表明仿真模型能够较好表征实际结构行为。优化模型的实验SEA达到38.8481 kJ/kg，显示出最佳单位质量吸能效率。力学参数方面，优化模型实验平均力（Mean Force，MF）为71.3269 kN，峰值压溃力（Peak Crushing Force，PCF）为80.281 kN，压溃力效率（Crush Force Efficiency，CFE）为88.8%，均显示出优于其他模型的稳定压溃特征。研究人员指出，实验与仿真间的差异主要来自增材制造引起的几何偏差、壁厚不均、材料不一致性及摩擦条件差异，但这些差异并未改变优化模型表现最佳这一结论。
在讨论层面，论文表明双六边形碰撞盒的耐撞性提升不仅依赖总材料用量增加，更关键在于几何构型对变形模式的调控。通过SLM实现整体成形，可避免分段连接可能带来的薄弱界面，同时充分释放复杂薄壁结构的设计自由度。BBD与RSM的结合使设计变量影响规律得以量化，显著降低了传统试错式开发成本。研究还说明，对称、渐进折叠相较于非对称失稳更有利于提高EA、SEA及CFE，这为后续复杂拓扑吸能构件的设计提供了明确方向。需要注意的是，本文也指出实验结果仍受成形精度与测试条件限制，后续尚需开展斜向冲击、疲劳耐久及环境效应等研究，以进一步完善工程应用评估。
结论部分可译为：
本研究旨在利用选择性激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）金属3D打印技术对双六边形碰撞盒进行设计优化，以提升其耐撞性（crashworthiness）性能。优化后的碰撞盒模型表现出显著改进，获得了最高24.834 kJ的能量吸收（Energy Absorption，EA）和142.25 kJ/kg的比吸能（Specific Energy Absorption，SEA），其冲击能量吸收效率均优于M10-Highest与M2-Lowest模型。此外，优化设计表现出更受控、更稳定的变形模式，这归因于壁厚增加及几何构型改进，其有效降低了结构角部的应力集中。对包括壁厚和支撑结构长度在内的设计参数变化分析表明，这些因素对能量吸收具有显著影响，其中壁厚的作用最为突出。上述结果已通过仿真以及2 m/s速度下的实验测试得到验证。与常规设计相比，该优化构型具有明显优势，并在电动车（Electric Vehicles，EVs）前部碰撞盒及替代燃料车辆轻量化结构中具有潜在应用价值。然而，实验结果仍受到成形缺陷和测试过程波动等因素限制。未来研究应进一步考察斜碰、疲劳与耐久性测试，以及环境因素对AlSi10Mg的影响，从而持续推动碰撞盒设计面向实际应用的性能提升。
