鋁合金吸能盒耐撞性研究

張德偉 張書豪 劉瑞萍 祝哮 王立娟 孫巍

摘 要：為提升汽車安全性能及實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)，對4種不同截面鋁合金吸能盒的耐撞性進(jìn)行對比分析，并研究寬高比及材料強(qiáng)度對耐撞性能的影響。研究表明：雙十字型截面吸能盒耐撞性能最優(yōu)；在汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計中，寬高比要控制在0.7至1.0之間，越接近1.0吸能效率越高；吸能隨材料強(qiáng)度增加而增加，可以通過加強(qiáng)材料減少壁厚進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)輕量化。

關(guān)鍵詞：鋁合金；吸能盒；耐撞性；寬高比；材料

中圖分類號：U445 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7988（2018）17-197-04

Abstract： In order to improve the safety performance of the car and realize the lightweight target， the resistance of four different aluminum alloy crash boxes. was studied in Contrasts， The influence of width height ratio and material strength on impact resistance was analysied. Research results show that： The double cross section suction box has the best crash performance； In automobile structure design， the width ratio should be controlled between 0.7 and 1.0， the closer to 1.0， the higher the efficiency； The absorption increases with the strength of the material， it can be further realized by strengthening the material to reduce the wall thickness.

Keywords： aluminum alloy； aluminum alloy； the resistance； the width ratio； material

CLC NO.： U445 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）17-197-04

前言

截至2017年底，全國汽車保有量已經(jīng)達(dá)到2.17億輛，目前我國汽車銷量每年還在穩(wěn)定增長，2017年我國汽車銷量達(dá)到2888萬輛，已經(jīng)連續(xù)9年全球第一，這使得我國汽車保有量將持續(xù)攀升，車輛維修的經(jīng)濟(jì)性和快捷性成為車輛保險等級的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

車輛保險安全等級作為車型定價及保險費(fèi)用的重要參考指標(biāo)，在歐洲、美國和日本等發(fā)達(dá)地區(qū)，保險行業(yè)開展汽車安全等級已有超過三十年的經(jīng)驗(yàn)積累并廣泛應(yīng)用于汽車和保險行業(yè)，但在中國一直未能建立完整的評價體系，極大地制約了車型定價及保險業(yè)的發(fā)展。為此，在中國保協(xié)行業(yè)協(xié)會的指導(dǎo)下，中國汽車工程研究院與中保研汽車技術(shù)研究院，在借鑒國際RCAR測評體系及美國IIHS測評體系基礎(chǔ)上，并結(jié)合中國汽車保險、車輛安全及道路狀況，在2016年11月發(fā)布中國保險汽車安全指數(shù)（China Insurance Automotive Safety Index簡稱C-IASI）測試評價體系。將極大地促進(jìn)中國汽車安全水平整體提高和商業(yè)車險市場化的健康發(fā)展。

鋁合金具備密度小，回收利用率高，擠壓成型簡單高效等優(yōu)勢，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車保險杠總成，保險杠總成主要由防撞梁、吸能盒、連接板等組成，并通過螺栓連接到車身上，拆卸方便利于維修，整個保險杠系統(tǒng)在低速碰撞中對車輛起到主要的保護(hù)作用，吸能盒在低速碰撞中吸收大部分的能量，是關(guān)鍵的吸能結(jié)構(gòu)，所以在實(shí)現(xiàn)保險杠系統(tǒng)輕量化過程中吸能盒的設(shè)計是關(guān)鍵因素，保證鋁合金吸能盒滿足C-IASI中耐撞性與維修經(jīng)濟(jì)性指數(shù)評價規(guī)程。

1 吸能盒設(shè)計原則與評價準(zhǔn)則

1.1 C-IASI中耐撞性與維修經(jīng)濟(jì)性指數(shù)試驗(yàn)規(guī)程

開展車輛低速結(jié)構(gòu)碰撞測試，旨在評估車輛的耐撞性和維修經(jīng)濟(jì)性。車輛評估包含正面碰撞和追尾碰撞中的車輛損傷計算（物理損傷和維修費(fèi)用）。在正面碰撞中，試驗(yàn)車輛以15km/h 的速度撞擊剛性壁障。固定剛性壁障時，需確保其前端面與測試車輛橫向垂面成10°±1°角。測試車輛與剛性壁障的初始接觸位于駕駛員側(cè)，且剛性壁障前表面與車輛的重疊量為前部車輛寬度的40%±25mm。試驗(yàn)質(zhì)量是在車輛的整備質(zhì)量加一個75±5kg 的假人或等質(zhì)量的配重物，假人或配重物通過標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)式安全帶固定在駕駛員座椅上。如圖1所示。

1.2 吸能盒的設(shè)計原則和評價準(zhǔn)測

車輛在低速碰撞中的傳力通道主要包括防撞梁、吸能盒和縱梁，為保證車輛的耐撞性和維修經(jīng)濟(jì)性，吸能盒的設(shè)計要遵循一下原則：

1）保證吸能盒先變形縱梁后變形的變形次序依次變形；

2）在低速碰撞中不發(fā)生傾倒變形或折彎等不利于吸能的變形模式；

3）在低速碰撞中吸能盒均勻穩(wěn)定的發(fā)生軸向壓潰變形，保證充分吸收碰撞能量；

在研究吸能盒結(jié)構(gòu)碰撞性能時，通常應(yīng)用最大壓潰力、平均壓潰力、總吸能量、單位質(zhì)量吸能、來作為評價準(zhǔn)則。

1.2.1 最大壓潰力

是由材料的彈性模量、屈服強(qiáng)度及截面特性決定的，它是吸能構(gòu)件剛開始發(fā)生屈曲時的最大碰撞力峰值，決定車輛前期最大加速度的大小，加速度越大越有利于在高速碰撞中對乘員的保護(hù)，但需要更高的碰撞力使其變形會使車輛設(shè)計成本增加，所以要依據(jù)車輛的質(zhì)量和安全開發(fā)要求綜合匹配。

1.2.2 平均壓潰力

它決定吸能盒在碰撞過程中的吸收能量的能力和總體壓潰情況，所以要依據(jù)車輛的質(zhì)量和安全開發(fā)要求綜合匹配。

1.2.3 總吸收能量

是指吸能盒在整個碰撞過程中通過軸向壓潰變形而吸收的碰撞總能量。

1.2.4 單位質(zhì)量吸收能量

是總的吸收能量與結(jié)構(gòu)質(zhì)量的比值，它反映了不同材料、截面形狀的吸能能力。在輕量化的優(yōu)化設(shè)計中，結(jié)構(gòu)件單位質(zhì)量吸收的能量越多越好。

2 前防撞梁吸能盒耐撞性分析

結(jié)合目前汽車吸能盒的實(shí)際應(yīng)用及需求，在考慮生產(chǎn)可行性及經(jīng)濟(jì)性基礎(chǔ)上，為匹配不同整備質(zhì)量車型需求，選取四種典型截面鋁合金吸能盒進(jìn)行研究。吸能盒長度為150 mm，寬高比為5：4，厚度為3mm，材料為目前常用的擠壓鋁合金型材6063-T6。

2.1 四種典型截面的鋁合金吸能盒壓潰穩(wěn)定性

為了研究吸能盒軸向壓潰的穩(wěn)定性，吸能盒在完全軸向壓潰和吸能盒偏移5°兩種工況下的變形情況，均勻向下壓縮總長度的60%，如圖3所示。

四種不同截面形狀的吸能盒在完全軸向壓潰和偏移5°兩種工況下的變形如圖4所示，圖中顯示四種不同截面形狀吸能盒在兩種工況作用下都產(chǎn)生穩(wěn)定的褶皺變形，能夠最大限度的吸收能量，可見鋁合金吸能盒的變形穩(wěn)定可靠。

2.2 四種典型截面的鋁合金吸能盒壓潰吸能性

當(dāng)吸能盒在受到軸向沖擊載荷時，如圖5截面力-位移曲線所示，首先在吸能盒前部產(chǎn)生屈曲，載荷迅速增加，出現(xiàn)第一個峰值即為最大壓潰力；之后吸能盒均勻穩(wěn)定地產(chǎn)生褶皺變形，在曲線上表現(xiàn)為波浪式，波動越小，壓潰越穩(wěn)定，波浪越多，產(chǎn)生的褶皺越多，吸能效果越好。四種截面吸能盒的能量-位移曲線如圖6所示，曲線的斜率越大，說明其吸收的能量越多，而且能量曲線上沒有產(chǎn)生波動，說明吸能均勻穩(wěn)定增加。

雙十字型截面鋁合金吸能盒的最大壓潰力最大，說明屈曲穩(wěn)定性最好，產(chǎn)生的變形抗力越大，越有利于吸能；其產(chǎn)生波動最小，而且產(chǎn)生3個穩(wěn)定褶皺變形，其吸能最多。日字型截面鋁合金吸能盒最大壓潰力最小，波動大，只產(chǎn)生2個褶皺變形，其吸能最少。通過分析四種截面鋁合金吸能盒軸向壓潰發(fā)現(xiàn)：雙十字型吸能效果最好，其次是田字型和8字型，日字型吸能最少。

3 寬高比對吸能盒耐撞性的影響

以雙十字型截面鋁合金截面吸能盒為例分析寬高比對吸能盒耐撞性的影響。吸能盒寬高比示意圖如圖7所示。不同寬高比的吸能盒耐撞性能對比情況見表3。寬高比分別為0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1.0時吸能盒壓潰力與寬高比的變化曲線如圖8所示，吸能盒吸能與寬高比的變化曲線如圖9所示。

綜合以上結(jié)果分析，吸能盒隨著寬高比的增加其最大壓潰力逐步減??；寬高比小于0.7時，平均壓潰力隨寬高比增加呈現(xiàn)逐漸減小趨勢，寬高比大于于0.7，平均壓潰力趨于基本穩(wěn)定狀態(tài)，吸能盒吸收的總能量與平均壓潰力的變化趨勢一直，這也再次印證平均壓潰力與總吸收能量的正比關(guān)系；單位質(zhì)量吸收的能量隨著寬高比的增加逐漸增加。從汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計的限制及輕量化要求的角度分析，在一定的尺寸比例可控范圍內(nèi)，保證吸能盒的寬高比在0.7至1.0之間，而且越接近1.0吸能效果越好，越有利于輕量化。

4 材料對吸能盒耐撞性的影響

以雙十字型截面鋁合金截面吸能盒為例分析材料對吸能盒耐撞性的影響。鋁合金牌號分別為6063_T6， 6060_T6， 6082_T6三種材料曲線示意圖如圖10所示。不同材料的吸能盒壓潰力與時間的變化曲線如圖11所示，不同材料的吸能盒吸能與時間的變化曲線如圖12所示。結(jié)果表明，吸能盒隨著材料強(qiáng)度的提升，其最大壓潰力、吸能逐步增加，在設(shè)計過程中適當(dāng)提升材料強(qiáng)度可提升其耐撞性能。

5 結(jié)論

5.1 鋁合金吸能盒在沒有設(shè)計引導(dǎo)槽情況下可以軸向均勻壓潰，而且吸能盒在偏移一定角度范圍內(nèi)仍保持軸向均勻變形，可見鋁合金吸能盒的變形穩(wěn)定可靠，保證吸能盒設(shè)計滿足汽車傳力通道設(shè)計原則，有利于保證鋁合金吸能盒在C-IASI評價中正面低速碰撞穩(wěn)定變形，充分吸收能量。

5.2 依據(jù)吸能盒評價準(zhǔn)測，通過分析四種截面鋁合金吸能盒軸向壓潰發(fā)現(xiàn)：雙十字型吸能效果最好，其次是田字型和8字型，日字型吸能最少。

5.3 在汽車開發(fā)過程中，要綜合考慮研發(fā)成本及輕量化目標(biāo)，保證吸能盒與縱梁強(qiáng)度相匹配，在碰撞過程中吸能盒優(yōu)先發(fā)生潰縮變形，在不同整備質(zhì)量的車型上選擇與之相匹配的截面最優(yōu)的吸能盒，保證變形次序及吸能性。

5.4 在汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，在空間及尺寸允許范圍內(nèi)，盡量保證吸能盒的寬高比在0.7至1.0之間，而且越接近1.0吸能效果越好，吸收的能量越多。

5.5 在汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，保證變形次序的前提下，適當(dāng)提升材料強(qiáng)度有助于吸能盒提升吸能，通過提升材料強(qiáng)度降低壁厚實(shí)現(xiàn)輕量化。

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