泡沫鋁填充門檻橫梁改善汽車側碰安全性研究

馬聰承，蘭鳳崇，陳吉清，劉慷鑫

（1. 廣州科技貿易職業學院，廣州 511442；2. 華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣州 510640）

汽車碰撞事故中，過大的加減速度峰值或汽車結構變形壓迫是造成人員傷亡的主要原因，汽車復雜的碰撞過程與碰撞速度均會對汽車安全造成巨大影響，因此，汽車結構安全設計與碰撞速度對汽車性能的影響關系研究具有重要意義。泡沫鋁材料具有輕質、吸能力強的優良特性，被認為是一種最有前途的汽車輕量化材料，設計合理的泡沫鋁復合結構既能達到降低碰撞加速度的效果，又能滿足汽車輕量化設計要求[1-2]。

徐平等[3]通過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度的作用。馬聰承等[4]采用設計合理的泡沫鋁復合結構應用到汽車門檻橫梁中，達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構吸收沖擊能量的情況，以及管壁間的相互作用關系等，結果表明，在汽車、火車和其它運輸工具中，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系。TENG等[6]為了降低行人頭部傷害，在汽車發動機罩中設計了碳纖維增強泡沫和鋁強化聚碳酸酯材料結構，起到了很好的吸收碰撞能的作用，從而達到保護行人的目的。蘭鳳崇等[7]在改善翻轉結構的穩定性過程中使用了泡沫鋁材料，獲得了較好的結構性能。于英華等[8]設計了泡沫鋁層合結構式汽車發動機罩板，有效地提高了發動機的靜態特性和行人碰撞安全性。MA Congcheng 等[9]分析了泡沫鋁復合結構對汽車前縱梁和門檻橫梁的性能改善特性。

國內外文獻對泡沫鋁材料在汽車上的應用進行了探索，對泡沫鋁結構填充局部開展了研究，但關于泡沫鋁復合結構在不同碰撞速度工況下，對汽車安全性能的影響關系等研究的文獻并不多見，本課題將對此進行深入研究，旨在推動泡沫鋁材料在汽車上的應用。

1 泡沫鋁性能研究

泡沫鋁材料在靜壓試驗中表現出低水平應力、較長平臺期特性，泡沫鋁平臺應力由泡沫胞元的失效機制決定，通過材料的彈性屈曲、塑性破損或斷裂等復合狀態來呈現。閉孔泡沫鋁胞元的封閉孔中存在初始空氣壓力P0，在壓縮過程中P0抬高了泡沫鋁材料的平臺應力，外加應力必須克服初始空氣壓力P0，從而達到泡沫鋁胞壁屈曲條件，從理論上分析，此時所需的外加應力可表示為：

外加應力克服初始應力后，對泡沫鋁材料繼續進行壓縮，隨著胞元體積的逐步減少，泡沫胞元中的空氣流體將對胞壁形成更大壓力，此時用Boyle定律求出數值模量貢獻，應力和應變可表示為[10]：

式中：σ為后續壓潰平臺應力，MPa；ε 為應變。在泡沫鋁胞元結構出現塑性破損時，塑性極限彎矩可表示為式 中Ys為胞壁材料的屈服應力。則力此時名義應力σP表示為因為即得

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

2 結構分析與優化設計

對sUV 目標車的有限元模型進行側面碰撞分析，并與實車碰撞試驗進行比對驗證，碰撞試驗80 ms 時和碰撞結束后車身變形如圖1 所示。側碰發生時主要的承力和變形結構包括車門結構件、B 柱、門檻橫梁，地板第一橫梁和第二橫梁結構件等，這些結構吸收了側碰中產生的大部分碰撞能。在碰撞試驗中，門檻橫梁為主要承力結構件，其變形嚴重，在碰撞發生0.04 s 時y向最大變形量達到174.0 mm，門檻橫梁中部向主駕駛位置侵入。由于門檻橫梁過早出現彎曲，導致底部車架傳遞能量無法發揮效能，因而有必要進行結構優化，改善門檻橫梁結構傳遞能量的能力。

圖1 有限元模型碰撞仿真分析與實車碰撞試驗對比

以側碰中主要承力結構件門檻橫梁為主要優化設計目標，根據仿真計算結果進行優化設計，對加強板4 和8 作刪減處理，其它部分結構厚度進行優化設計。泡沫鋁復合結構具有較強的吸收碰撞能的能力，在門檻橫梁中分散布置泡沫鋁復合結構，既能增加結構剛度又能吸收更多碰撞能。將泡沫鋁復合結構安裝到門檻橫梁中，門檻橫梁結構與位置如圖2 所示。泡沫鋁復合結構由厚度為1.0 mm 的薄壁鋁管和密度為0.30 g/cm3的泡沫鋁組合而成，單件復合結構質量為127.7 g，泡沫鋁復合結構以粘結方式連接到門檻橫梁中。對門檻橫梁部分結構進行厚度優化和結構刪減，最終優化方案共減重761.2 g，以下優化方案車型稱為吸能式車身。

圖2 門檻橫梁填充泡沫鋁復合結構優化方案

3 有限元模型仿真計算

對原車和吸能式車身分別進行有限元仿真計算，以3 種不同速度進行碰撞分析，研究結構侵入量和最大加速度峰值變形規律，以門檻橫梁相對座椅中點的侵入量變化和座椅中點加速度峰值為指標進行對比。

3.1 20 km/h 速度碰撞結果分析

分別對原車和吸能式車身進行20 km/h 速度碰撞仿真分析，對比分析座椅中點的最大加速度峰值，結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%，兩車座椅中點加速度峰值對比如圖3a 所示。吸能式車身在整個碰撞過程中加速度峰值起伏相差不大，最大值約出現在0.10 s 時。與原車相比，吸能式車身加速度峰值下降效果明顯，突顯了泡沫鋁復合結構優良的抗撞性能。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%，兩車門檻橫梁對座椅中點的侵入量對比如圖3b 所示。

圖3 20 km 速度碰撞兩車仿真分析結果對比

3.2 50 km/h 速度碰撞結果分析

分別對原車與吸能式車身進行50 km/h 速度碰撞仿真分析，結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%。兩車座椅中點的加速度峰值時序對比如圖4a 所示，吸能式車身加速度峰值整體表現平穩，基本保持在較低水平波動。

對比分析兩車門檻橫梁在y方向上對座椅的侵入量，原車門檻橫梁相對座椅中點的侵入量為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%，兩車門檻橫梁相對座椅中點的侵入量時序對比如圖4b 所示。結果表明，吸能式車身對降低乘員倉侵入量的效果明顯。

圖4 50 km 速度碰撞兩車仿真分析結果對比

3.3 80 km/h 速度碰撞結果分析

分別對原車與吸能式車身進行80 km/h 速度碰撞仿真分析，對其加速度峰值和門檻橫梁相對座椅中點侵入量進行對比，如圖5 所示。

圖5 80 km 速度碰撞兩車仿真分析結果對比

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%。

分析對比原車和吸能式車身門檻橫梁相對座椅中點在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 碰撞結果對比分析

對20 km/h、50 km/h、80 km/h 速度碰撞時的各項數據進行對比分析，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，碰撞結果數據見表1[11]。

在駕駛座一側B 柱下方取點B 作為參考點；在駕駛座一側A 柱下方取點C 作為參考點。吸能式車身在有限元模型仿真碰撞中，車身動能的下降比原車快，泡沫鋁復合結構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，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座椅中點在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，起到了較好的保護乘員的作用[11]。

在3 種速度碰撞試驗中，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，呈現出較好的降低加速度峰值的效果，充分發揮了泡沫鋁結構的吸能優勢，較好地提高了車身抗撞性能。

表1 20 km/h、50 km/h、80 km/h 碰撞中各項數據對比

4 結論

通過對一款實例車型進行優化設計，研究了不同速度碰撞工況下，泡沫鋁復合結構對汽車側碰安全性能的影響規律，以橫梁相對座椅中點的侵入量和座椅中點加速度峰值為指標對原車與吸能式車身進行了對比研究。

（1）通過有限元模型仿真計算分析與試驗相結合，研究了泡沫鋁復合結構在不同速度碰撞中，對于汽車安全性能的影響變化。在3 種速度下碰撞時，泡沫鋁復合結構均能發揮較好的作用，大幅度減少了車身的侵入量。

（2）泡沫鋁復合結構使座椅中點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%。

對車身進行優化設計，將泡沫鋁復合結構填充到門檻橫梁中，減少了碰撞侵入量并降低了加速度峰值，達到了提高汽車側碰安全性和車身輕量化的目的，可為汽車開發人員提供參考。