鋁合金后防護(hù)欄的輕量化及強(qiáng)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(shù)中心，安徽 合肥 230601）

引言

汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展對(duì)汽車節(jié)能、安全、環(huán)保等要求不斷提升，對(duì)輕量化技術(shù)、材料、工藝的研究和開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為世界各大汽車生產(chǎn)廠家提高競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵項(xiàng)目之一。

鋁合金以其低密度（僅為鋼的 1/3）的優(yōu)越性成為關(guān)鍵的輕量化材料，被各大汽車企業(yè)爭(zhēng)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(tǒng)鋼制零部件可以實(shí)現(xiàn)約30%以上的減重。根據(jù)汽車咨詢機(jī)構(gòu)Duckers調(diào)查，北美、歐盟和日本單車用鋁分別高出中國(guó)47%、24%和15%，且持續(xù)增長(zhǎng)。隨著鋁合金制造技術(shù)的發(fā)展，乘用車領(lǐng)域開(kāi)始出現(xiàn)部分高端車型對(duì)鋁合金板件的應(yīng)用，如奧迪、捷豹和路虎等；對(duì)于商用車領(lǐng)域，鋁合金往往運(yùn)用于較小尺寸支架和安裝板等，近年來(lái)不斷涌現(xiàn)對(duì)較大擠壓型材的使用，如油箱、儲(chǔ)氣桶、運(yùn)輸罐車和防護(hù)件等，對(duì)整車輕量化貢獻(xiàn)巨大。

1 商用車后防護(hù)欄

商用車后防護(hù)欄裝置又稱之為后下部防護(hù)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(fā)生碰撞時(shí)能夠提供有效的保護(hù)，以防止鉆撞。

后防護(hù)欄需具有一定的強(qiáng)度，足以抵擋碰撞車輛沖擊，而且，國(guó)內(nèi)與國(guó)際均有相關(guān)強(qiáng)制執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該強(qiáng)度作明確要求。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，后防護(hù)欄的強(qiáng)度考察有兩點(diǎn)加載和三點(diǎn)加載兩種方式，加載力分別為滿載狀態(tài)下整車重量的1/2和1/4，該加載力完全依靠后防護(hù)欄自身的結(jié)構(gòu)來(lái)克服，因此，當(dāng)使用鋼制后防護(hù)欄時(shí)，往往需要較厚的鋼板，導(dǎo)致后防護(hù)欄自身非常笨重。

2 鋁合金后防護(hù)欄的輕量化分析

以某輕卡車型為研究對(duì)象，其后防護(hù)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(qiáng)度滿足歐標(biāo)ECE R58相關(guān)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?xì)怏w保護(hù)焊焊接。

圖1 鋼制后防護(hù)欄

在不改變后防護(hù)欄對(duì)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(shè)計(jì)出鋁合金材質(zhì)后防護(hù)欄，如圖 2所示，其重量為 7.1kg。所有零部件材質(zhì)均為6061-T6，相互之間通過(guò)惰性氣體保護(hù)焊焊接。安裝支架為140mm×45mm、壁厚3mm矩形管型材機(jī)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(qiáng)筋壁厚1.5mm，外形尺寸為120mm×60mm；安裝支架兩側(cè)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(hù)欄

相對(duì)于鋼制件，該鋁合金后防護(hù)欄實(shí)現(xiàn)降重7.2kg，降重率50.3%，如表1所示。

表1 后防護(hù)欄重量對(duì)比

3 鋁合金后防護(hù)欄的強(qiáng)度分析

該后防護(hù)欄應(yīng)用車型滿載總質(zhì)量為7t，根據(jù)ECE R58法規(guī)要求，兩點(diǎn)加載力相當(dāng) 3.5t重量，三點(diǎn)加載力相當(dāng) 1.75t重量，加載方式如圖3示意圖所示。其中，P1點(diǎn)為兩點(diǎn)加載位置，關(guān)于車輛縱向垂直平面左右對(duì)稱；P2和P3點(diǎn)為三點(diǎn)加載位置，P2關(guān)于車輛縱向垂直平面左右對(duì)稱，P3點(diǎn)位于縱向中點(diǎn)（由于P2點(diǎn)和P3點(diǎn)加載力相同，通常可忽略對(duì)P3點(diǎn)的考察）。

對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行理論有限元分析，鈑金件采用 SHELL單元進(jìn)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(hù)欄加載位置示意圖

3.1 鋼制后防護(hù)欄有限元分析結(jié)果

P1點(diǎn)分析結(jié)果如圖4所示，其中，（a）圖為應(yīng)力分布云圖，圖中顯示應(yīng)力集中點(diǎn)為支架與橫桿連接處，最大塑性應(yīng)變?yōu)?.7%，小于Q235A材料的斷裂百分比，處于安全范圍內(nèi)；（b）圖為后防護(hù)欄變形距離曲線，圖中顯示在0.3s之前為彈性變形，之后發(fā)生塑性變形，最大變形量為8mm，滿足ECE R58規(guī)定400mm范圍內(nèi)的要求。

圖4 P1點(diǎn)分析結(jié)果

P2點(diǎn)分析結(jié)果顯示其應(yīng)力集中點(diǎn)同樣位于支架與橫桿連接處，最大塑性應(yīng)變?yōu)?.9%，處于安全范圍內(nèi)；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(diǎn)分析變形曲線

3.2 鋁合金后防護(hù)欄有限元分析結(jié)果

以相同的方法對(duì)鋁合金后防護(hù)欄進(jìn)行有限元分析，加載應(yīng)力分布云圖如圖6所示，應(yīng)力集中點(diǎn)為支架與橫桿連接處。

P1點(diǎn)最大塑性應(yīng)變?yōu)?.7%，小于6061-T6材料的斷裂百分比，處于安全范圍內(nèi)，最大變形量為3.7mm，如圖7（a）所示，滿足ECE R58的要求；P2點(diǎn)最大塑性應(yīng)變?yōu)?.8%，處于安全范圍內(nèi)，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(hù)欄加載塑性應(yīng)變圖

圖7 鋁合金后防護(hù)欄分析變形曲線

綜上所述，兩種狀態(tài)后防護(hù)欄的強(qiáng)度有限元分析結(jié)果對(duì)比如表2所示，兩種后防護(hù)欄均滿足法規(guī)要求。鋁合金后防護(hù)欄P1點(diǎn)加載變形量小于鋼制件，表明其中間點(diǎn)強(qiáng)度優(yōu)于鋼制件；P2點(diǎn)加載變形量大于鋼制件，表明其兩端強(qiáng)度次于鋼制件。

表2 后防護(hù)欄強(qiáng)度有限元分析結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

（1）以某輕卡鋼制后防護(hù)欄為研究對(duì)象，在不改變其對(duì)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(shè)計(jì)出鋁合金后防護(hù)欄。

（2）原鋼制后防護(hù)欄重量14.3kg，鋁合金后防護(hù)欄重量7.1kg，實(shí)現(xiàn)降重7.2kg，降重率50.3%。

（3）有限元分析顯示，兩種后防護(hù)欄強(qiáng)度均滿足法規(guī)要求。

（4）鋁合金后防護(hù)欄中間點(diǎn)強(qiáng)度優(yōu)于鋼制件，兩端強(qiáng)度次于鋼制件。

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