鋁合金后防護欄的輕量化及強度研究

黃康，王香廷，祝慧，王亮亮

（安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

引言

汽車產業的快速發展對汽車節能、安全、環保等要求不斷提升，對輕量化技術、材料、工藝的研究和開發已經成為世界各大汽車生產廠家提高競爭力的關鍵項目之一。

鋁合金以其低密度（僅為鋼的 1/3）的優越性成為關鍵的輕量化材料，被各大汽車企業爭相研究，并用于替換原有的鋼制件。在不降低零部件性能的前提下，鋁合金替代傳統鋼制零部件可以實現約30%以上的減重。根據汽車咨詢機構Duckers調查，北美、歐盟和日本單車用鋁分別高出中國47%、24%和15%，且持續增長。隨著鋁合金制造技術的發展，乘用車領域開始出現部分高端車型對鋁合金板件的應用，如奧迪、捷豹和路虎等；對于商用車領域，鋁合金往往運用于較小尺寸支架和安裝板等，近年來不斷涌現對較大擠壓型材的使用，如油箱、儲氣桶、運輸罐車和防護件等，對整車輕量化貢獻巨大。

1 商用車后防護欄

商用車后防護欄裝置又稱之為后下部防護裝置，要求安裝于N2、N3、O3和O4類車輛，是為了防止轎車或小型貨車與以上車輛發生碰撞時能夠提供有效的保護，以防止鉆撞。

后防護欄需具有一定的強度，足以抵擋碰撞車輛沖擊，而且，國內與國際均有相關強制執行標準對該強度作明確要求。根據標準規定，后防護欄的強度考察有兩點加載和三點加載兩種方式，加載力分別為滿載狀態下整車重量的1/2和1/4，該加載力完全依靠后防護欄自身的結構來克服，因此，當使用鋼制后防護欄時，往往需要較厚的鋼板，導致后防護欄自身非常笨重。

2 鋁合金后防護欄的輕量化分析

以某輕卡車型為研究對象，其后防護欄為鋼制冷成型件焊接而成，如圖1所示，其重量14.3kg，為使其強度滿足歐標ECE R58相關條款，安裝支架采用3mm厚Q235A鋼板沖壓成型，橫桿為60mm×120mm截面、壁厚2.5mm矩形管，安裝支架與橫桿之間為二氧化碳氣體保護焊焊接。

圖1 鋼制后防護欄

在不改變后防護欄對于整車的邊界條件的前提下，以鋁合金擠壓型材替代原鋼制零部件，設計出鋁合金材質后防護欄，如圖 2所示，其重量為 7.1kg。所有零部件材質均為6061-T6，相互之間通過惰性氣體保護焊焊接。安裝支架為140mm×45mm、壁厚3mm矩形管型材機加工成型；橫桿為“目”字型截面型材，前后壁厚2.4mm，上下壁厚1.8mm，中間加強筋壁厚1.5mm，外形尺寸為120mm×60mm；安裝支架兩側與橫桿之間有斜支撐板，其截面為“C”字型，外形尺寸80mm×20mm，壁厚2mm。

圖2 鋁合金后防護欄

相對于鋼制件，該鋁合金后防護欄實現降重7.2kg，降重率50.3%，如表1所示。

表1 后防護欄重量對比

3 鋁合金后防護欄的強度分析

該后防護欄應用車型滿載總質量為7t，根據ECE R58法規要求，兩點加載力相當 3.5t重量，三點加載力相當 1.75t重量，加載方式如圖3示意圖所示。其中，P1點為兩點加載位置，關于車輛縱向垂直平面左右對稱；P2和P3點為三點加載位置，P2關于車輛縱向垂直平面左右對稱，P3點位于縱向中點（由于P2點和P3點加載力相同，通常可忽略對P3點的考察）。

對其強度進行理論有限元分析，鈑金件采用 SHELL單元進行離散，螺栓和焊縫采用NodalRigidbody單元模擬，分析中使用的軟件有LS-DYNA和HYPERVIEW。

圖3 后防護欄加載位置示意圖

3.1 鋼制后防護欄有限元分析結果

P1點分析結果如圖4所示，其中，（a）圖為應力分布云圖，圖中顯示應力集中點為支架與橫桿連接處，最大塑性應變為4.7%，小于Q235A材料的斷裂百分比，處于安全范圍內；（b）圖為后防護欄變形距離曲線，圖中顯示在0.3s之前為彈性變形，之后發生塑性變形，最大變形量為8mm，滿足ECE R58規定400mm范圍內的要求。

圖4 P1點分析結果

P2點分析結果顯示其應力集中點同樣位于支架與橫桿連接處，最大塑性應變為3.9%，處于安全范圍內；最大塑性變形量為11.6mm，如圖5所示，滿足ECE R58的要求。

圖5 P2點分析變形曲線

3.2 鋁合金后防護欄有限元分析結果

以相同的方法對鋁合金后防護欄進行有限元分析，加載應力分布云圖如圖6所示，應力集中點為支架與橫桿連接處。

P1點最大塑性應變為1.7%，小于6061-T6材料的斷裂百分比，處于安全范圍內，最大變形量為3.7mm，如圖7（a）所示，滿足ECE R58的要求；P2點最大塑性應變為9.8%，處于安全范圍內，最大變形量為41.2mm，如圖7（b）所示，滿足ECE R58的要求。

圖6 鋁合金后防護欄加載塑性應變圖

圖7 鋁合金后防護欄分析變形曲線

綜上所述，兩種狀態后防護欄的強度有限元分析結果對比如表2所示，兩種后防護欄均滿足法規要求。鋁合金后防護欄P1點加載變形量小于鋼制件，表明其中間點強度優于鋼制件；P2點加載變形量大于鋼制件，表明其兩端強度次于鋼制件。

表2 后防護欄強度有限元分析結果對比

4 結論

（1）以某輕卡鋼制后防護欄為研究對象，在不改變其對于整車的邊界條件的前提下，以6061-T6鋁合金型材替代原鋼制零部件，設計出鋁合金后防護欄。

（2）原鋼制后防護欄重量14.3kg，鋁合金后防護欄重量7.1kg，實現降重7.2kg，降重率50.3%。

（3）有限元分析顯示，兩種后防護欄強度均滿足法規要求。

（4）鋁合金后防護欄中間點強度優于鋼制件，兩端強度次于鋼制件。

參考文獻

[1] 胡啟建,趙娟妮,王青春.新材料在商用車上的應用[J].重型汽車,2016,6∶21-22.

[2] ECE R58,Concerning the adoption of uniform conditions of approval and reciprocal recognition of approval for motor vehicle equipment and parts.United Nations,2008,9.

[3] GB 7258-2004,機動車運行安全技術條件[S].北京∶中國標準出版社, 2004.

[4] 馬訊,郝琪,周宗良.汽車后防護裝置的碰撞仿真分析[J].公路交通科技,2009,26（4）∶133-137.

[5] 袁泉,李一兵.基于碰撞相容性評價指標及改進分析[J].機械工程與自動化,2010,（2）∶119-121.

[6] 張昕,陸善彬,劉海立,張君媛.一種新型載貨汽車后部防護裝置的設計[J].汽車技術,2011（6）∶19-23.

[7] 凡樂.汽車后防護裝置的碰撞仿真研究[D].武漢∶武漢理工大學圖書館,2012.

[8] Belytschko T,Tsay C S.A stabilization procedure for the quadri lateral plate[J].Element with One-Point Quadrature,1986(1)∶8-12.

[9] Forsberg J.The optimisatio process of an energy absorbing Journal of Vehicle Design,2008(2)∶271-293.

[10] 喬維高,李章宏,凡樂,饒紫微.新型汽車后防護裝置的碰撞仿真研究[J].武漢理工大學學報,2014,26（1）∶52-56.