鋁合金吸能盒的結構設計及耐撞性分析

于用軍，郭永奇，李飛，王帥，黃小征

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

鋁合金吸能盒的結構設計及耐撞性分析

于用軍，郭永奇，李飛，王帥，黃小征

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

為提高整車的安全性能及輕量化水平，研究設計了一種鋁合金材料的車用吸能盒。應用顯示有限元法對鋁合金吸能盒與傳統鋼制吸能盒的軸向耐撞性能進行了仿真對比分析，結果表明：在相同的碰撞條件下，鋁合金吸能盒的比吸能為 23KJ/kg，是傳統鋼制吸能盒的 2.9倍；鋁合金吸能盒的質量為 1.3kg，較傳統吸能盒的質量降低了0.8kg。結論：所設計的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。

吸能盒；輕量化；耐撞性；吸能

前言

汽車的輕量化是在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。因此，汽車輕量化是實現節能減排的重要措施之一,對汽車工業的可持續發展具有重要意義[1]。作為車輛主要緩沖吸能裝置的吸能盒，其作用是通過自身的壓潰變形將碰撞過程中產生的能量轉化為內能[2]，同時緩沖碰撞過程中的最大沖擊載荷，從而達到降低車輛速度、保護乘員及汽車主要部件安全的目的[3]，因此，吸能盒耐撞性能的研究對車輛被動安全及輕量化設計有著重要意義。

國內外對整車輕量化的研究主要集中在零部件的結構、材料和工藝等方面的研究上。劉海江以某車型的發動機罩板為研究對象，采用拓撲優化方法對發動機罩板進行了結構輕量化設計，并通過有限元法對其力學性能進行了仿真分析[4]。那景新針對細長桿件的軸向承載能力要遠大于其他非軸向的承載能力的特性，提出了基于構件內力優化的車身結構輕量化設計理念[5]。Hannes Fuchs對不同工藝下的控制臂性能進行了對比分析，得出了沖壓成型的控制臂在重量和制造成本等方面有著較好的性能。全新奧迪A4L車身框架采用了超高強度鋼板和鋁合金材料混合應用技術，在保證性能的前提下，較大程度的降低了車身質量。在全新7系研發過程中，寶馬將碳纖維復合材料與塑料集中應用到上車身的開發中。新捷豹 XF使用激光拼焊、鉚接和結構膠粘等先進工藝技術，實現了整車輕量化設計。

研究將鋁合金材料應用到吸能盒的輕量化設計中，并對鋁合金吸能盒與傳統的鋼制吸能盒的耐撞性能進行了對比分析。

1 鋁合金吸能盒模型建立

1.1 幾何模型建立

圖1為鋁合金吸能盒的幾何模型，由圖1可知：研究所采用的鋁合金吸能盒主要由內管，加強板、外管，連接板四部分組成。內管為直徑60mm、壁厚2mm的薄壁圓管，外管為邊長60mm、壁厚為3mm的正六邊形薄壁管，內管與外管采用壁厚為2.5mm的加強板進行連接，其連接工藝為惰性氣體保護焊，連接板采用5mm壁厚的的四邊形薄板，起到了將吸能盒與車身通過螺栓緊密連接的作用。

圖1 幾何模型

1.2 有限元模型建立

圖2為鋁合金吸能盒軸向碰撞的有限元模型，如圖2所示：在耐撞性仿真分析中，將吸能盒的連接板固定在剛性墻2上，為了模擬整車碰撞，對剛性墻1賦予750kg的質量，以20m/s的速度撞擊鋁合金吸能盒。鋁合金吸能盒所采用的材料為6061鋁合金，其彈性模量為70 GPa、屈服強度為0.3 GPa、泊松比為0.25、密度為2.7e-6kg·mm-3。

圖2 有限元模型

2 耐撞性評價指標

汽車在發生正面低速碰撞時，吸能盒的吸能特性和壓縮變形模式將決定著車輛的安全性能，其評價指標為：

1）總吸能：即整個碰撞過程中吸收的總能量。

2）比吸能：即碰撞過程中單位質量鋁合金吸能盒吸收的能量。

3）平均載荷：反映鋁合金吸能盒的平均承載能力。

4）初始峰值載荷：反映碰撞過程中最大過載情況。

3 鋁合金吸能盒的吸能特性分析

圖3為鋁合金吸能盒與傳統鋼制吸能盒的總吸能-位移曲線，由圖3可知：在相同的碰撞條件下，有效壓縮位移為130mm時，鋁合金吸能盒吸收的總能量為30KJ，比傳統鋼制吸能盒吸收總能量提高了 86%，由此可見：鋁合金吸能盒較傳統鋼制吸能盒有著較好的吸能特性。圖4為鋁合金吸能盒與傳統鋼制吸能盒的比吸能-位移曲線，由圖4可知：鋁合金吸能盒的比吸能為23KJ/kg，是傳統鋼制吸能盒的2.9倍，因此，單位質量的鋁合金吸能盒較傳統鋼制吸能盒吸收更多的能量。通過仿真分析可知：鋁合金吸能盒的質量為1.3kg，傳統鋼制吸能盒的質量為2.1Kg，可見，鋁合金吸能盒有著較高的輕量化水平和耐撞性能。

圖3 總吸能-位移曲線

圖4 比吸能-位移曲線

圖5為鋁合金吸能盒與傳統鋼制吸能盒碰撞過程中的載荷-位移曲線，由圖5可知：鋁合金吸能盒較傳統鋼制吸能盒有著較高的平均載荷，但鋁合金吸能盒的初始峰值載荷為460KN，是鋼制吸能盒的6.9倍，通過分析可知：鋁合金吸能盒較傳統鋼制吸能盒有著較好的承載能力，但鋁合金吸能盒較高的初始峰值載荷對車輛碰撞過程的安全性能有一定的影響，故應采取一定的改進方法來降低其初始峰值載荷。

圖5 載荷-位移曲線

4 降低初始峰值載荷

在碰撞過程中，引導孔起到引導變形，降低碰撞載荷的作用，由于鋁合金吸能盒有著較高的初始峰值載荷，為了提高車輛的安全性能，研究采用在鋁合金吸能盒上添加引導孔的方法來降低初始峰值載荷，如圖6所示。

圖6 引導孔鋁合金吸能盒

圖7為有引導孔和無引導孔的鋁合金吸能盒碰撞的載荷-位移曲線，由圖7知：有引導孔的鋁合金吸能盒的初始峰值載荷為405KN，比無引導孔的鋁合金吸能盒初始峰值載荷降低了11%。由圖8可知：有引導孔的鋁合金吸能盒與無引導孔的鋁合金吸能盒吸收的總能量較為接近。由此可見，引導孔的添加使鋁合金吸能盒在不影響吸能的情況下，有效的降低了初始峰值載荷，從而提高了車輛的安全性能。

圖7 載荷-位移曲線

圖8 載荷-總吸能曲線

5 結論

在相同碰撞條件下，研究所設計的鋁合金吸能盒的比吸能是傳統鋼制吸能盒的2.9倍，其質量比傳統鋼制吸能盒降低了0.8kg。將鋁合金材料應用到吸能盒的設計中，可以在輕量化的前提下，有效的提高吸能盒的耐撞性能和吸能特性，為整車安全性能的研究提供了理論依據。

[1] 范子杰,桂良進,蘇瑞意.汽車輕量化技術的研究與進展[J].汽車安全與節能學報,2014,5（1）:1-16.

[2] 米林,魏顯坤,萬鑫銘. 鋁合金保險杠吸能盒碰撞吸能特性[J].重慶理工大學學報,2012,26（6）:1-7.

[3] 梁建書,師光耀,駱孟波. 汽車吸能盒的結構優化設計[J].機械設計與制造,2013,3（1）:16-18.

[4] 劉海江,趙磊,李運.應用拓撲優化方法的發動機罩板結構輕量化研究[J].現代制造工程,2009,5(9):4-7.

[5] 那景新,何洪軍,閆亞坤,陳立軍.基于構件內力優化的車身結構輕量化設計[J].吉林大學工學版,2010,40(6):1492-1496.

Structure Design and Crashworthiness Analysis of Aluminum Alloy Energy-absorbing Box

Yu Yongjun, Guo Yongqi, Li Fei, Wang Suai, Huang Xiaozheng
( Brilliance automobile engineering research institute, Liaoning Shenyang 110141 )

In order to improve the safety performance and the level of light weight of the vehicle, the research designed a kind of aluminum alloy energy-absorbing box. The finite element method was used to simulate the axial crashworthiness of the aluminum alloy energy-absorbing box and traditional steel energy-absorbing box.The result showed that in the same collision conditions, the specific energy-absorption of the aluminum alloy energy-absorbing box was 23KJ/kg, which was 2.9 times of the traditional steel energy-absorbing box. The mass of the aluminum alloy energy-absorbing box was 1.3kg, which was 0.8kg lower than the traditional energy-absorbing box. Conclusion: The designed aluminum alloy energy-absorbing box has better lightweight level and crashworthiness than the traditional steel energy-absorbing box.

energy-absorbing box; lightweight; crashworthiness; energy-absorption

TH16

A

1671-7988(2017)22-55-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.22.019

于用軍，輕量化設計工程師，就職于華晨汽車工程研究院。

CLC NO.:TH16

A

1671-7988(2017)22-55-03