客車碰撞緩沖吸能裝置研究＊

孫明英

（鄭州宇通客車股份有限公司，河南 鄭州 450061）

前言

正面碰撞事故是發生頻率最高的事故模式[1]。發生正面碰撞時，汽車前部結構需要通過自身的變形來減緩碰撞時的沖擊力，并吸收碰撞能量，為保護乘員提供穩定、平緩的加速度環境[2]。

國內外很多學者研究碰撞緩沖吸能裝置種類較多，比如金屬薄壁管結構、磁流變吸能結構、填充泡沫鋁結構、剪斷螺栓式吸能結構以及液壓吸能結構等[3～6]。其中，金屬薄壁管以結構簡單、低成本、性能穩定等優點，廣泛應用于飛機、汽車等幾乎所有交通工具的碰撞沖擊能量耗散系統中。

因此，本文基于客車前部耐撞性結構的性能要求，通過仿真和試驗的方法，對不同截面形狀、加工工藝的鋼制、鋁制碰撞緩沖吸能裝置優化研究。

1 碰撞緩沖吸能裝置結構選型

碰撞緩沖吸能裝置的設計目標為兩個：① 單位質量吸收的能量盡可能大；② 碰撞緩沖吸能裝置的壓潰力曲線波動盡可能平緩。參考乘用車正面碰撞設計思路，初定碰撞緩沖吸能裝置吸收的能量不低于整車碰撞總能量25%。12 米客車碰撞動能約為450kJ，安裝兩個吸能裝置，則單個吸能裝置吸收能量應不低于56kJ。結合客車前部空間限制，有效吸能長度約為130mm，因此吸能裝置平均壓潰力約為430kN。

常見的金屬薄壁緩沖吸能裝置材料為鋼材、鋁合金等。截面形狀常選擇正方形結構、田字型結構、多邊形結構、嵌套結構等，如圖1 所示。一般厚度為2.0-4.0mm。

圖1 常見碰撞緩沖吸能裝置結構型式

鋁制碰撞緩沖吸能裝置多需要模具擠壓成型，能夠制造截面復雜的結構，但模具費用較高；鋼制碰撞緩沖吸能裝置可通過焊接實現，工藝成本較低，但只能制作截面規整的結構。結合設計要求、實車總布置空間、結構特點和生產工藝等，綜合考慮吸能裝置的結構形式、材料及壁厚等參數方案如表1 所示。

表1 碰撞緩沖吸能裝置方案列表

2 有限元仿真分析

圖2 碰撞緩沖吸能裝置靜壓仿真

根據結構設計方案要求，分別建立三種吸能裝置的有限元建模，并進行靜力加壓仿真分析，如圖2 所示，仿真曲線如圖3 和圖4 所示。通過力-位移曲線對比分析可知，鋁制碰撞緩沖吸能裝置壓潰力峰值在550kN 左右，壓潰力曲線較為平緩；田字鋼制碰撞緩沖吸能裝置壓潰力峰值在1000kN 左右，出現第一次潰縮后壓潰力曲線在400kN 左右震蕩；雙目鋼制碰撞緩沖吸能裝置壓潰力峰值在900kN 左右，出現第一次潰縮后壓潰力曲線在400kN 左右震蕩，整體略低于田字鋼制碰撞緩沖吸能裝置。

圖3 鋁制碰撞緩沖吸能裝置靜壓仿真曲線

圖4 鋼制碰撞緩沖吸能裝置靜壓仿真曲線

3 樣件試制及試驗驗證

3.1 試驗樣件試制

根據結構設計方案，采用擠壓成型的工藝試制鋁合金碰撞緩沖吸能裝置型材結構，并在鋁合金碰撞緩沖吸能裝置前部棱邊上增加誘導孔，降低壓潰力的初始峰值。為了便于在車架上安裝，在鋁合金碰撞緩沖吸能裝置的后部焊接封板，并開螺栓孔，如圖4.5 所示。其中，鋁合金分別采用6005、6061 和6063P 三種材料。

圖5 鋁合金碰撞緩沖吸能裝置樣件

采用DP350 的鋼材試制田字型和雙目型鋼碰撞緩沖吸能裝置，鋼制碰撞緩沖吸能裝置外板和內板之間采用塞焊和角焊兩種焊接方式，并在棱邊上增加誘導孔，如圖6 所示。

圖6 鋼制碰撞緩沖吸能裝置樣件

3.2 試驗結果分析

在萬能試驗機上對碰撞緩沖吸能裝置進行靜態壓縮試驗，檢測碰撞緩沖吸能裝置變形情況和壓潰力。在初步方案中鋁合金碰撞緩沖吸能裝置出現了鋁型材結構碎裂，不滿足設計要求。

三種不同材質的鋁合金吸能裝置壓潰對比如圖7 所示。6005 鋁型材吸能裝置在靜壓過程中出現型材碎裂、沒有褶皺變形，變形模式不穩定，不利于碰撞吸能。6061 鋁型材吸能裝置在變形過程中變形模式較好，但出現局部撕裂現象。6063P 鋁型材吸能裝置變形模式穩定，無裂縫出現，吸能效率高。

圖7 幾種鋁型材吸能器壓潰對比

6063P 鋁型材吸能裝置壓潰力如圖8 所示，增加前端誘導孔后，初始峰值降低，有利于產生軸向變形；壓潰力在450kN 左右輕微振蕩，壓潰力穩定。

圖8 6063P 鋁型材壓潰力曲線

圖9 DP 鋼碰撞緩沖吸能裝置變形

DP 鋼碰撞緩沖吸能裝置軸向壓潰變形如圖9 所示。雙目鋼碰撞緩沖吸能裝置和田字型碰撞緩沖吸能裝置軸向變形過程中均出現棱邊焊點、焊縫開裂失效，部分母材撕裂，變 形模式不穩定。從壓潰力曲線上可以看出，雖然在棱邊上增加誘導孔，但DP 鋼碰撞緩沖吸能裝置在變形初始屈服時刻出現了較高的壓潰力峰值，相對于產生軸向變形要有超過初始峰值的壓潰力，對于車架結構的支撐力較高，如圖10。在壓潰變形過程中由于焊點、母材失效，導致壓潰力低于設計的目標值。

圖10 DP 鋼碰撞緩沖吸能裝置壓潰力曲線

4 結論

從鋁合金碰撞緩沖吸能裝置和DP 鋼碰撞緩沖吸能裝置的仿真和試驗結果分析可知：

（1）DP 鋼制吸能裝置雖然工藝成本低，但容易焊縫開裂，變形模式不穩定，壓潰力波動較大，不滿足設計要求。

（2）鋁合金吸能裝置受材料、工藝影響較大，其中6063P鋁合金吸能裝置變形模式穩定，壓潰力曲線平穩且在450kN左右輕微振蕩，滿足設計要求。