铝合金吸能盒的结构设计及耐撞性分析

于用军，郭永奇，李飞，王帅，黄小征

（华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141）

铝合金吸能盒的结构设计及耐撞性分析

于用军，郭永奇，李飞，王帅，黄小征

（华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141）

为提高整车的安全性能及轻量化水平，研究设计了一种铝合金材料的车用吸能盒。应用显示有限元法对铝合金吸能盒与传统钢制吸能盒的轴向耐撞性能进行了仿真对比分析，结果表明：在相同的碰撞条件下，铝合金吸能盒的比吸能为 23KJ/kg，是传统钢制吸能盒的 2.9倍；铝合金吸能盒的质量为 1.3kg，较传统吸能盒的质量降低了0.8kg。结论：所设计的铝合金吸能盒较传统钢制吸能盒有着较好的轻量化水平及耐撞性能。

吸能盒；轻量化；耐撞性；吸能

前言

汽车的轻量化是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。因此，汽车轻量化是实现节能减排的重要措施之一,对汽车工业的可持续发展具有重要意义[1]。作为车辆主要缓冲吸能装置的吸能盒，其作用是通过自身的压溃变形将碰撞过程中产生的能量转化为内能[2]，同时缓冲碰撞过程中的最大冲击载荷，从而达到降低车辆速度、保护乘员及汽车主要部件安全的目的[3]，因此，吸能盒耐撞性能的研究对车辆被动安全及轻量化设计有着重要意义。

国内外对整车轻量化的研究主要集中在零部件的结构、材料和工艺等方面的研究上。刘海江以某车型的发动机罩板为研究对象，采用拓扑优化方法对发动机罩板进行了结构轻量化设计，并通过有限元法对其力学性能进行了仿真分析[4]。那景新针对细长杆件的轴向承载能力要远大于其他非轴向的承载能力的特性，提出了基于构件内力优化的车身结构轻量化设计理念[5]。Hannes Fuchs对不同工艺下的控制臂性能进行了对比分析，得出了冲压成型的控制臂在重量和制造成本等方面有着较好的性能。全新奥迪A4L车身框架采用了超高强度钢板和铝合金材料混合应用技术，在保证性能的前提下，较大程度的降低了车身质量。在全新7系研发过程中，宝马将碳纤维复合材料与塑料集中应用到上车身的开发中。新捷豹 XF使用激光拼焊、铆接和结构胶粘等先进工艺技术，实现了整车轻量化设计。

研究将铝合金材料应用到吸能盒的轻量化设计中，并对铝合金吸能盒与传统的钢制吸能盒的耐撞性能进行了对比分析。

1 铝合金吸能盒模型建立

1.1 几何模型建立

图1为铝合金吸能盒的几何模型，由图1可知：研究所采用的铝合金吸能盒主要由内管，加强板、外管，连接板四部分组成。内管为直径60mm、壁厚2mm的薄壁圆管，外管为边长60mm、壁厚为3mm的正六边形薄壁管，内管与外管采用壁厚为2.5mm的加强板进行连接，其连接工艺为惰性气体保护焊，连接板采用5mm壁厚的的四边形薄板，起到了将吸能盒与车身通过螺栓紧密连接的作用。

图1 几何模型

1.2 有限元模型建立

图2为铝合金吸能盒轴向碰撞的有限元模型，如图2所示：在耐撞性仿真分析中，将吸能盒的连接板固定在刚性墙2上，为了模拟整车碰撞，对刚性墙1赋予750kg的质量，以20m/s的速度撞击铝合金吸能盒。铝合金吸能盒所采用的材料为6061铝合金，其弹性模量为70 GPa、屈服强度为0.3 GPa、泊松比为0.25、密度为2.7e-6kg·mm-3。

图2 有限元模型

2 耐撞性评价指标

汽车在发生正面低速碰撞时，吸能盒的吸能特性和压缩变形模式将决定着车辆的安全性能，其评价指标为：

1）总吸能：即整个碰撞过程中吸收的总能量。

2）比吸能：即碰撞过程中单位质量铝合金吸能盒吸收的能量。

3）平均载荷：反映铝合金吸能盒的平均承载能力。

4）初始峰值载荷：反映碰撞过程中最大过载情况。

3 铝合金吸能盒的吸能特性分析

图3为铝合金吸能盒与传统钢制吸能盒的总吸能-位移曲线，由图3可知：在相同的碰撞条件下，有效压缩位移为130mm时，铝合金吸能盒吸收的总能量为30KJ，比传统钢制吸能盒吸收总能量提高了 86%，由此可见：铝合金吸能盒较传统钢制吸能盒有着较好的吸能特性。图4为铝合金吸能盒与传统钢制吸能盒的比吸能-位移曲线，由图4可知：铝合金吸能盒的比吸能为23KJ/kg，是传统钢制吸能盒的2.9倍，因此，单位质量的铝合金吸能盒较传统钢制吸能盒吸收更多的能量。通过仿真分析可知：铝合金吸能盒的质量为1.3kg，传统钢制吸能盒的质量为2.1Kg，可见，铝合金吸能盒有着较高的轻量化水平和耐撞性能。

图3 总吸能-位移曲线

图4 比吸能-位移曲线

图5为铝合金吸能盒与传统钢制吸能盒碰撞过程中的载荷-位移曲线，由图5可知：铝合金吸能盒较传统钢制吸能盒有着较高的平均载荷，但铝合金吸能盒的初始峰值载荷为460KN，是钢制吸能盒的6.9倍，通过分析可知：铝合金吸能盒较传统钢制吸能盒有着较好的承载能力，但铝合金吸能盒较高的初始峰值载荷对车辆碰撞过程的安全性能有一定的影响，故应采取一定的改进方法来降低其初始峰值载荷。

图5 载荷-位移曲线

4 降低初始峰值载荷

在碰撞过程中，引导孔起到引导变形，降低碰撞载荷的作用，由于铝合金吸能盒有着较高的初始峰值载荷，为了提高车辆的安全性能，研究采用在铝合金吸能盒上添加引导孔的方法来降低初始峰值载荷，如图6所示。

图6 引导孔铝合金吸能盒

图7为有引导孔和无引导孔的铝合金吸能盒碰撞的载荷-位移曲线，由图7知：有引导孔的铝合金吸能盒的初始峰值载荷为405KN，比无引导孔的铝合金吸能盒初始峰值载荷降低了11%。由图8可知：有引导孔的铝合金吸能盒与无引导孔的铝合金吸能盒吸收的总能量较为接近。由此可见，引导孔的添加使铝合金吸能盒在不影响吸能的情况下，有效的降低了初始峰值载荷，从而提高了车辆的安全性能。

图7 载荷-位移曲线

图8 载荷-总吸能曲线

5 结论

在相同碰撞条件下，研究所设计的铝合金吸能盒的比吸能是传统钢制吸能盒的2.9倍，其质量比传统钢制吸能盒降低了0.8kg。将铝合金材料应用到吸能盒的设计中，可以在轻量化的前提下，有效的提高吸能盒的耐撞性能和吸能特性，为整车安全性能的研究提供了理论依据。

[1] 范子杰,桂良进,苏瑞意.汽车轻量化技术的研究与进展[J].汽车安全与节能学报,2014,5（1）:1-16.

[2] 米林,魏显坤,万鑫铭. 铝合金保险杠吸能盒碰撞吸能特性[J].重庆理工大学学报,2012,26（6）:1-7.

[3] 梁建书,师光耀,骆孟波. 汽车吸能盒的结构优化设计[J].机械设计与制造,2013,3（1）:16-18.

[4] 刘海江,赵磊,李运.应用拓扑优化方法的发动机罩板结构轻量化研究[J].现代制造工程,2009,5(9):4-7.

[5] 那景新,何洪军,闫亚坤,陈立军.基于构件内力优化的车身结构轻量化设计[J].吉林大学工学版,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

于用军，轻量化设计工程师，就职于华晨汽车工程研究院。

CLC NO.:TH16

A

1671-7988(2017)22-55-03