試驗速度和引導角度對鋁合金吸能盒吸能特性影響研究

楊 麗，曲鳳嬌，靜 宇，韓 超，田曉龍，王麗鵬

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

汽車已經成為改善人們出行方式的重要交通工具之一，汽車在給人們生活帶來諸多便利的同時，其負面效應也十分明顯，如交通事故、環境污染等嚴重的社會問題已經影響到人們的日常生活[1]。因此，安全、節能、環保，是汽車消費者的期待，也是汽車設計者的使命，已經成為汽車工業發展的三大主題[2]。汽車保險杠是汽車被動安全裝置的重要組成部分，在減小碰撞事故對行人的傷害、降低低速碰撞事故對車輛的損壞方面起著重要作用[3]，可以說，保險杠在很大程度上決定了汽車的耐撞性與安全性[4]。吸能盒作為汽車保險杠的主要組成和吸能組件，在汽車碰撞中，其通過自身結構壓潰變形吸收能量，將碰撞時的動能轉化為自身結構的內能[5]，能在短時間內吸收大部分的能量，從而保護駕駛員和乘客的生命安全[6]。與此同時，可以通過合理地采用輕質材料及結構優化，減輕包括保險杠在內的重量，進一步提升整車的輕量化水平[7]。

鋁合金因其質量輕、強度高、耐腐蝕、易加工等優點，被越來越廣泛的應用于汽車車身結構件。鋁合金吸能盒較傳統鋼制吸能盒有著較好的輕量化水平及耐撞性能[8]。鋁合金擠壓型材用作吸能盒部件時，必須要具有一定的塑性及韌性，一般會通過壓潰試驗進行檢測。鋁合金吸能盒的吸能特性好壞要綜合考慮變形、載荷峰值、吸收能量等多種因素。

本文采用軸向壓潰試驗，設計不同試驗速度和引導角度，研究其對鋁合金吸能盒吸能特性的影響，可為鋁合金吸能盒軸向壓潰試驗研究提供參考。

1 試驗材料與方法

本試驗選用公司生產的某型號鋁合金吸能盒產品，產品壁厚2.2mm，其化學成分(質量分數，%)為，Si 0.59，Fe 0.18，Cu 0.11，Mn 0.07，Mg 0.57，Cr 0.005，Zn 0.015，Ti 0.02，Ni 0.003，Al余量；力學性能為，Rp0.2267MPa，Rm281MPa，伸長率9.5%。試驗選取同一批次鋁合金吸能盒產品，沿擠壓方向截取長度為200 mm的全截面試樣。試驗設備為AG-X 250KN電子萬能材料試驗機(最大壓力250kN，測量分辨率0.01N)。分別設計50mm/min、100mm/min、150mm/min三種試驗速度和0°、10°、20°三種引導角度進行試驗。由于鋁合金吸能盒變形穩定，可重復性高，因此本次試驗每種類型試樣做1組試驗，具體試驗方案見表1。圖1為試樣結構形狀。試驗前對試樣兩端用砂紙進行打磨，以保證有較好的表面接觸條件，將打磨好的試樣直接放在下壓板上，管端不加其他約束。試驗機軸向壓頭以設定的試驗速度對試樣進行加載，通過設備自帶數據采集系統記錄壓潰過程中壓潰力和峰值載荷等數據。使用相機實時記錄鋁合金吸能盒的變形過程。

2 試驗結果及分析

圖2～圖4分別為0°、10°、20°引導角度試樣在50 mm/min、100 mm/min和150 mm/min三種壓潰試驗速度下的載荷-位移曲線圖。同時，將吸收能量數據也一并編入了表中。

表1 試驗方法

圖1 試樣結構形狀示意圖Fig.1 Schematic diagram of sample structure and shape

2.1 載荷峰值結果與分析

由圖2可以看出，引導角為0°的3個試樣載荷峰值均出現在第一個波峰處。當載荷達到峰值后(分別為222814N、179371N和221990N)，曲線開始驟降至最低點，曲線上存在一個明顯的波峰波谷，且波動較大，因此無法充分發揮吸能盒的吸能性能，是一種不理想的變形模式。此外，由曲線可以看出，試驗速度對載荷峰值結果的影響并不明顯。

圖2 引導角為0°的載荷-位移曲線Fig.2 Load-displacement curve with guide angle of 0 degree

由圖3可以看出，在開設10°引導角后，3個試樣的壓縮變形比較穩定，無過大的載荷波動，比較平穩。3個試樣的載荷峰值(分別為136395N、151283N和137992N)均出現在第二個波峰處，且與其他波峰相差并不非常明顯，亦無非常明顯的波谷存在。因此，適當的引導角度有助于提高該鋁合金吸能盒的吸能特性。同樣，由曲線可以看出，試驗速度對載荷峰值結果的影響并不明顯。

圖3 引導角為10°的載荷-位移曲線Fig.3 Load-displacement curve with guide angle of 10 degree

由圖4可以看出，在開設20°引導角后，3個試樣的壓縮變形比較穩定，無過大的載荷波動，比較平穩。3個試樣的載荷峰值(分別為134996N、131487N和124982N)均出現在第二個波峰處，且與其他波峰相差并不非常明顯，亦無非常明顯的波谷存在。因此，適當的引導角度有助于提高該鋁合金吸能盒的吸能特性。同樣，由曲線可以看出，試驗速度對載荷峰值結果的影響并不明顯。

由圖3和圖4對比可以看出，引導角為10°和20°的試樣在不同壓潰試驗速度下的載荷峰值比較接近，且引導角為10°時試樣的載荷峰值略高，說明吸能效果相對更好。

2.2 吸收能量結果與分析

圖5為不同壓潰速度和引導角度試樣吸收能量對比曲線圖。由圖5可以看出，吸收能量隨引導角度的增大而降低，當引導角為20°時，吸收能量最低；當引導角為0°時吸收能量最高。對于不同引導角度，吸收能量隨壓潰試驗速度的變化趨勢并不相同，且不明顯，說明試驗速度對吸收能量的影響并不明顯。

圖5 不同壓潰速度和引導角度吸收能量對比Fig.5 Comparison of Energy Absorption at Different Crushing Velocities and Guidance Angles

3 結論

(1)吸收能量隨引導角度的增加而降低，引導角度為0°時，吸收能量最大，但此時試樣載荷波動較大，變形不穩定，吸能效果不理想。

(2)引導角為10°和20°時，試樣無過大載荷波動，壓縮變形比較穩定，好于0°變形結果；同時，引導角為10°的載荷峰值和吸收能量略高于引導角為20°時試驗結果，說明引導角為10°時吸能特性較好，相對理想。

(3)壓潰試驗速度對鋁合金吸能盒的吸能特性影響并不明顯。