鋁合金在汽車前防撞梁輕量化中的應用

門立忠 佟磊 王帥

（華晨汽車工程研究院）

汽車前防撞梁一般隱藏在前保險杠里面以及車門內部，在較大沖擊力作用下，彈性材料已經不能緩沖能量，真正起到保護車內乘員的作用，它是車身被動安全系統的一部分，防撞梁其實并不是讓車子“防撞”，它的主要作用是傳力。簡單概括，防撞梁的作用是：低速碰撞能減少維修成本，高速碰撞有助于提高保護性，尤其在復雜真實的環境碰撞中。

1 汽車前防撞梁市場應用情況調查

汽車前防撞梁作為汽車的安全部件，通常采用金屬材質，如高強度鋼材和鋁合金等。它一般由防撞橫梁、吸能盒、吸能盒加強件及連接板組成。圖1示出汽車前防撞梁安裝位置。圖2示出汽車前防撞梁實物圖。

圖1 汽車前防撞梁安裝位置

圖2 汽車前防撞梁實物圖

通過市場調查，共統計65款車型前防撞梁材料應用情況，自主品牌19款車型，其中2款車型應用鋁合金防撞梁；合資品牌46款車型，有10款車型應用鋁合金防撞梁。前防撞梁應用情況統計，如表1所示。

表1 汽車前防撞梁應用情況統計表

調查結果顯示：合資品牌鋁合金防撞梁應用比例高于國內自主品牌2倍多，行業內鋁合金防撞梁應用是發展趨勢。鋁合金防撞梁平均質量4.5 kg，鋼制防撞梁平均質量6.6 kg，差值約32%，可見鋁合金防撞梁輕量化優勢明顯。部分鋁合金前防撞梁應用車型，如表2所示。

表2 部分鋁合金汽車前防撞梁應用車型

2 汽車前防撞梁碰撞仿真對比分析

通過Hyper Mesh軟件建立前防撞梁碰撞模型，模型建好后導入LS-DYNA軟件進行防撞梁性能仿真分析。工況選擇防撞梁正面碰撞，防撞梁材料選用6061系鋁合金，碰撞質量設置為1 700 kg，選用速度為36 km/h，計算時間設置為30 m s。

圖3示出高強鋼汽車前防撞梁碰撞分析圖。圖3b顯示高強鋼汽車前防撞梁碰撞總能量約85 kJ，其中48.2 kJ被吸收轉化為內能，約56.7%的能量被吸收。

圖3 高強鋼汽車前防撞梁碰撞分析圖

圖4顯示鋁合金汽車前防撞梁碰撞總能量約85 kJ,其中58.3 kJ被吸收轉化為內能，約68.6%的能量被吸收。

圖4 鋁合金汽車前防撞梁碰撞分析圖

比吸能即系統單位質量的吸能量，比吸能反映了不同材料和結構的吸能能力。在基于輕量化的結構設計中，希望結構件比吸能值越大越好[1]。圖5顯示在30 m s時鋁合金防撞梁比吸能為11.3 kJ/kg，鋼防撞梁比吸能為5.2 kJ/kg。鋁合金防撞梁的比吸能是鋼防撞梁比吸能的2倍多。

圖5 比吸能對比圖

3 結論

在汽車產品制造中，逐步加大鋁合金材料的應用比例是汽車輕量化的必然趨勢，開發鋁合金防撞梁是實現汽車輕量化主要途徑之一，鋁合金防撞梁經過設計驗證后必將取代鋼制防撞梁。

1）根據仿真分析結果，正面碰撞鋁合金防撞梁吸收能量優于鋼制防撞梁，滿足設計使用要求。

2）鋁合金相比鋼材料有著密度小的優勢，用鋁合金結構代替傳統鋼結構，可使前防撞梁質量減輕30%～50%，輕量化效果顯著[2]。

3）通過對比合資車企與自主車企鋁合金防撞梁應用情況，可發現采用鋁合金防撞梁是汽車輕量化未來趨勢。

4）對比防撞梁比吸能分析結果顯示，鋁合金防撞梁吸能能力明顯優于鋼防撞梁，有助于提高整車安全性。