泡沫鋁填充門檻橫梁改善汽車側(cè)碰安全性研究

馬聰承，蘭鳳崇，陳吉清，劉慷鑫

（1. 廣州科技貿(mào)易職業(yè)學(xué)院，廣州 511442；2. 華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510640）

汽車碰撞事故中，過(guò)大的加減速度峰值或汽車結(jié)構(gòu)變形壓迫是造成人員傷亡的主要原因，汽車復(fù)雜的碰撞過(guò)程與碰撞速度均會(huì)對(duì)汽車安全造成巨大影響，因此，汽車結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)與碰撞速度對(duì)汽車性能的影響關(guān)系研究具有重要意義。泡沫鋁材料具有輕質(zhì)、吸能力強(qiáng)的優(yōu)良特性，被認(rèn)為是一種最有前途的汽車輕量化材料，設(shè)計(jì)合理的泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)既能達(dá)到降低碰撞加速度的效果，又能滿足汽車輕量化設(shè)計(jì)要求[1-2]。

徐平等[3]通過(guò)在車門防撞梁中使用泡沫鋁材料的方法，起到提高吸能量和抗彎強(qiáng)度的作用。馬聰承等[4]采用設(shè)計(jì)合理的泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)應(yīng)用到汽車門檻橫梁中，達(dá)到了降低車身加速度的目的。VINICIUs 等[5]探討了泡沫鋁材料在恒定載荷模式下的軸向折疊結(jié)構(gòu)吸收沖擊能量的情況，以及管壁間的相互作用關(guān)系等，結(jié)果表明，在汽車、火車和其它運(yùn)輸工具中，泡沫和管壁在能量吸收和載荷傳遞特性下，其相互作用有直接的影響關(guān)系。TENG等[6]為了降低行人頭部傷害，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩中設(shè)計(jì)了碳纖維增強(qiáng)泡沫和鋁強(qiáng)化聚碳酸酯材料結(jié)構(gòu)，起到了很好的吸收碰撞能的作用，從而達(dá)到保護(hù)行人的目的。蘭鳳崇等[7]在改善翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性過(guò)程中使用了泡沫鋁材料，獲得了較好的結(jié)構(gòu)性能。于英華等[8]設(shè)計(jì)了泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)式汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩板，有效地提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的靜態(tài)特性和行人碰撞安全性。MA Congcheng 等[9]分析了泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)汽車前縱梁和門檻橫梁的性能改善特性。

國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)泡沫鋁材料在汽車上的應(yīng)用進(jìn)行了探索，對(duì)泡沫鋁結(jié)構(gòu)填充局部開(kāi)展了研究，但關(guān)于泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)在不同碰撞速度工況下，對(duì)汽車安全性能的影響關(guān)系等研究的文獻(xiàn)并不多見(jiàn)，本課題將對(duì)此進(jìn)行深入研究，旨在推動(dòng)泡沫鋁材料在汽車上的應(yīng)用。

1 泡沫鋁性能研究

泡沫鋁材料在靜壓試驗(yàn)中表現(xiàn)出低水平應(yīng)力、較長(zhǎng)平臺(tái)期特性，泡沫鋁平臺(tái)應(yīng)力由泡沫胞元的失效機(jī)制決定，通過(guò)材料的彈性屈曲、塑性破損或斷裂等復(fù)合狀態(tài)來(lái)呈現(xiàn)。閉孔泡沫鋁胞元的封閉孔中存在初始空氣壓力P0，在壓縮過(guò)程中P0抬高了泡沫鋁材料的平臺(tái)應(yīng)力，外加應(yīng)力必須克服初始空氣壓力P0，從而達(dá)到泡沫鋁胞壁屈曲條件，從理論上分析，此時(shí)所需的外加應(yīng)力可表示為：

外加應(yīng)力克服初始應(yīng)力后，對(duì)泡沫鋁材料繼續(xù)進(jìn)行壓縮，隨著胞元體積的逐步減少，泡沫胞元中的空氣流體將對(duì)胞壁形成更大壓力，此時(shí)用Boyle定律求出數(shù)值模量貢獻(xiàn)，應(yīng)力和應(yīng)變可表示為[10]：

式中：σ為后續(xù)壓潰平臺(tái)應(yīng)力，MPa；ε 為應(yīng)變。在泡沫鋁胞元結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性破損時(shí)，塑性極限彎矩可表示為式 中Ys為胞壁材料的屈服應(yīng)力。則力此時(shí)名義應(yīng)力σP表示為因?yàn)榧吹?/p>

在汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要考慮泡沫鋁材料的限制峰值應(yīng)力或平臺(tái)應(yīng)力，較低的應(yīng)力值更容易滿足汽車吸能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。氣體從泡沫鋁孔洞逸出時(shí)形成氣壓包，氣體的逸出速度受試驗(yàn)沖擊速度的影響，因此壓縮速率是影響泡沫鋁材料應(yīng)變率效應(yīng)的重要因素之一。在低應(yīng)變率100 ～102 s-1壓縮試驗(yàn)中，低孔隙率的閉孔泡沫鋁材料的力學(xué)性能基本上不受應(yīng)變率影響。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在102 ～104 s-1應(yīng)變率和104 ～106 s-1應(yīng)變率的試驗(yàn)中，低孔隙率（約50%～70%）的泡沫鋁材料在壓縮試驗(yàn)中，其壓縮性能明顯受到應(yīng)變率影響。但對(duì)于高孔隙率（大于70%）的泡沫鋁材料在試驗(yàn)中表現(xiàn)出基本不受應(yīng)變率影響的特性[11-14]。

2 結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)sUV 目標(biāo)車的有限元模型進(jìn)行側(cè)面碰撞分析，并與實(shí)車碰撞試驗(yàn)進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證，碰撞試驗(yàn)80 ms 時(shí)和碰撞結(jié)束后車身變形如圖1 所示。側(cè)碰發(fā)生時(shí)主要的承力和變形結(jié)構(gòu)包括車門結(jié)構(gòu)件、B 柱、門檻橫梁，地板第一橫梁和第二橫梁結(jié)構(gòu)件等，這些結(jié)構(gòu)吸收了側(cè)碰中產(chǎn)生的大部分碰撞能。在碰撞試驗(yàn)中，門檻橫梁為主要承力結(jié)構(gòu)件，其變形嚴(yán)重，在碰撞發(fā)生0.04 s 時(shí)y向最大變形量達(dá)到174.0 mm，門檻橫梁中部向主駕駛位置侵入。由于門檻橫梁過(guò)早出現(xiàn)彎曲，導(dǎo)致底部車架傳遞能量無(wú)法發(fā)揮效能，因而有必要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，改善門檻橫梁結(jié)構(gòu)傳遞能量的能力。

圖1 有限元模型碰撞仿真分析與實(shí)車碰撞試驗(yàn)對(duì)比

以側(cè)碰中主要承力結(jié)構(gòu)件門檻橫梁為主要優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)加強(qiáng)板4 和8 作刪減處理，其它部分結(jié)構(gòu)厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的吸收碰撞能的能力，在門檻橫梁中分散布置泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)，既能增加結(jié)構(gòu)剛度又能吸收更多碰撞能。將泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)安裝到門檻橫梁中，門檻橫梁結(jié)構(gòu)與位置如圖2 所示。泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)由厚度為1.0 mm 的薄壁鋁管和密度為0.30 g/cm3的泡沫鋁組合而成，單件復(fù)合結(jié)構(gòu)質(zhì)量為127.7 g，泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)以粘結(jié)方式連接到門檻橫梁中。對(duì)門檻橫梁部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行厚度優(yōu)化和結(jié)構(gòu)刪減，最終優(yōu)化方案共減重761.2 g，以下優(yōu)化方案車型稱為吸能式車身。

圖2 門檻橫梁填充泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

3 有限元模型仿真計(jì)算

對(duì)原車和吸能式車身分別進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，以3 種不同速度進(jìn)行碰撞分析，研究結(jié)構(gòu)侵入量和最大加速度峰值變形規(guī)律，以門檻橫梁相對(duì)座椅中點(diǎn)的侵入量變化和座椅中點(diǎn)加速度峰值為指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。

3.1 20 km/h 速度碰撞結(jié)果分析

分別對(duì)原車和吸能式車身進(jìn)行20 km/h 速度碰撞仿真分析，對(duì)比分析座椅中點(diǎn)的最大加速度峰值，結(jié)果顯示原車最大峰值為117.6 m/s2，吸能式車身為59.3 m/s2，吸能式車身下降了49.1%，兩車座椅中點(diǎn)加速度峰值對(duì)比如圖3a 所示。吸能式車身在整個(gè)碰撞過(guò)程中加速度峰值起伏相差不大，最大值約出現(xiàn)在0.10 s 時(shí)。與原車相比，吸能式車身加速度峰值下降效果明顯，突顯了泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)優(yōu)良的抗撞性能。20 km/h 速度碰撞中，吸能式車身最大侵入量為55.6 mm，比原車最大侵入量169.5 mm 減少了113.9 mm，下降了67.2%，兩車門檻橫梁對(duì)座椅中點(diǎn)的侵入量對(duì)比如圖3b 所示。

圖3 20 km 速度碰撞兩車仿真分析結(jié)果對(duì)比

3.2 50 km/h 速度碰撞結(jié)果分析

分別對(duì)原車與吸能式車身進(jìn)行50 km/h 速度碰撞仿真分析，結(jié)果顯示原車最大加速度峰值為142.1 m/s2，吸能式車身最大加速度峰值為74.9 m/s2，比原車減少67.2 m/s2，下降了47.5%。兩車座椅中點(diǎn)的加速度峰值時(shí)序?qū)Ρ热鐖D4a 所示，吸能式車身加速度峰值整體表現(xiàn)平穩(wěn)，基本保持在較低水平波動(dòng)。

對(duì)比分析兩車門檻橫梁在y方向上對(duì)座椅的侵入量，原車門檻橫梁相對(duì)座椅中點(diǎn)的侵入量為174.0 mm，吸能式車身侵入量為64.0 mm，比原車侵入量減少110.0 mm，下降了63.2%，兩車門檻橫梁相對(duì)座椅中點(diǎn)的侵入量時(shí)序?qū)Ρ热鐖D4b 所示。結(jié)果表明，吸能式車身對(duì)降低乘員倉(cāng)侵入量的效果明顯。

圖4 50 km 速度碰撞兩車仿真分析結(jié)果對(duì)比

3.3 80 km/h 速度碰撞結(jié)果分析

分別對(duì)原車與吸能式車身進(jìn)行80 km/h 速度碰撞仿真分析，對(duì)其加速度峰值和門檻橫梁相對(duì)座椅中點(diǎn)侵入量進(jìn)行對(duì)比，如圖5 所示。

圖5 80 km 速度碰撞兩車仿真分析結(jié)果對(duì)比

吸能式車身加速度峰值為133.3 m/s2，比原車加速度峰值145.0 m/s2減少了11.7 m/s2，下降了7.4%。

分析對(duì)比原車和吸能式車身門檻橫梁相對(duì)座椅中點(diǎn)在y向上的侵入量，吸能式車身最大侵入量為75.1 mm，比原車最大侵入量177.2 mm 減少了101.9 mm，下降了57.6%。

3.4 碰撞結(jié)果對(duì)比分析

對(duì)20 km/h、50 km/h、80 km/h 速度碰撞時(shí)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，比較吸能式車身與原車的最大加速度峰值與車身侵入量大小，碰撞結(jié)果數(shù)據(jù)見(jiàn)表1[11]。

在駕駛座一側(cè)B 柱下方取點(diǎn)B 作為參考點(diǎn)；在駕駛座一側(cè)A 柱下方取點(diǎn)C 作為參考點(diǎn)。吸能式車身在有限元模型仿真碰撞中，車身動(dòng)能的下降比原車快，泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)起到較好的緩沖作用。在20 km/h 碰撞速度中，最大加速度峰值由原車117.6 m/s2下降到59.3 m/s2，下降了49.6%；在50 km/h 碰撞速度中，最大加速度峰值由原車142.1 m/s2下降到74.9 m/s2，下降了47.5%；在80 km/h 速度碰撞時(shí)，最大加速度峰值由原車145.0 m/s2下降到133.3 m/s2，下降了8.1%。相比原車，吸能式車身降低加速度峰值的效果非常明顯。

吸能式車身門檻橫梁相對(duì)座椅中點(diǎn)在y向的侵入量，在20 km/h、50 km/h、80 km/h 碰撞速度中，比原車分別減少了113.9 mm、110.0 mm、102.1 mm，吸能式車身侵入量大幅度減少，起到了較好的保護(hù)乘員的作用[11]。

在3 種速度碰撞試驗(yàn)中，吸能式車身的加速度峰值分別下降了58.3 m/s2、67.6 m/s2、11.8 m/s2，呈現(xiàn)出較好的降低加速度峰值的效果，充分發(fā)揮了泡沫鋁結(jié)構(gòu)的吸能優(yōu)勢(shì)，較好地提高了車身抗撞性能。

表1 20 km/h、50 km/h、80 km/h 碰撞中各項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)比

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)一款實(shí)例車型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究了不同速度碰撞工況下，泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)汽車側(cè)碰安全性能的影響規(guī)律，以橫梁相對(duì)座椅中點(diǎn)的侵入量和座椅中點(diǎn)加速度峰值為指標(biāo)對(duì)原車與吸能式車身進(jìn)行了對(duì)比研究。

（1）通過(guò)有限元模型仿真計(jì)算分析與試驗(yàn)相結(jié)合，研究了泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)在不同速度碰撞中，對(duì)于汽車安全性能的影響變化。在3 種速度下碰撞時(shí)，泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)均能發(fā)揮較好的作用，大幅度減少了車身的侵入量。

（2）泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)使座椅中點(diǎn)加速度峰值明顯降低，在20 km/h、50 km/h、80 km/h 碰撞中，加速度峰值分別下降了49.6%、47.5%、8.1%。

對(duì)車身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)填充到門檻橫梁中，減少了碰撞侵入量并降低了加速度峰值，達(dá)到了提高汽車側(cè)碰安全性和車身輕量化的目的，可為汽車開(kāi)發(fā)人員提供參考。