铝合金吸能盒耐撞性研究

张德伟 张书豪 刘瑞萍 祝哮 王立娟 孙巍

摘 要：为提升汽車安全性能及实现轻量化目标，对4种不同截面铝合金吸能盒的耐撞性进行对比分析，并研究宽高比及材料强度对耐撞性能的影响。研究表明：双十字型截面吸能盒耐撞性能最优；在汽车结构设计中，宽高比要控制在0.7至1.0之间，越接近1.0吸能效率越高；吸能随材料强度增加而增加，可以通过加强材料减少壁厚进一步实现轻量化。

关键词：铝合金；吸能盒；耐撞性；宽高比；材料

中图分类号：U445 文献标识码：A 文章编号：1671-7988（2018）17-197-04

Abstract： In order to improve the safety performance of the car and realize the lightweight target， the resistance of four different aluminum alloy crash boxes. was studied in Contrasts， The influence of width height ratio and material strength on impact resistance was analysied. Research results show that： The double cross section suction box has the best crash performance； In automobile structure design， the width ratio should be controlled between 0.7 and 1.0， the closer to 1.0， the higher the efficiency； The absorption increases with the strength of the material， it can be further realized by strengthening the material to reduce the wall thickness.

Keywords： aluminum alloy； aluminum alloy； the resistance； the width ratio； material

CLC NO.： U445 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）17-197-04

前言

截至2017年底，全国汽车保有量已经达到2.17亿辆，目前我国汽车销量每年还在稳定增长，2017年我国汽车销量达到2888万辆，已经连续9年全球第一，这使得我国汽车保有量将持续攀升，车辆维修的经济性和快捷性成为车辆保险等级的一项重要内容。

车辆保险安全等级作为车型定价及保险费用的重要参考指标，在欧洲、美国和日本等发达地区，保险行业开展汽车安全等级已有超过三十年的经验积累并广泛应用于汽车和保险行业，但在中国一直未能建立完整的评价体系，极大地制约了车型定价及保险业的发展。为此，在中国保协行业协会的指导下，中国汽车工程研究院与中保研汽车技术研究院，在借鉴国际RCAR测评体系及美国IIHS测评体系基础上，并结合中国汽车保险、车辆安全及道路状况，在2016年11月发布中国保险汽车安全指数（China Insurance Automotive Safety Index简称C-IASI）测试评价体系。将极大地促进中国汽车安全水平整体提高和商业车险市场化的健康发展。

铝合金具备密度小，回收利用率高，挤压成型简单高效等优势，目前已经广泛应用于汽车保险杠总成，保险杠总成主要由防撞梁、吸能盒、连接板等组成，并通过螺栓连接到车身上，拆卸方便利于维修，整个保险杠系统在低速碰撞中对车辆起到主要的保护作用，吸能盒在低速碰撞中吸收大部分的能量，是关键的吸能结构，所以在实现保险杠系统轻量化过程中吸能盒的设计是关键因素，保证铝合金吸能盒满足C-IASI中耐撞性与维修经济性指数评价规程。

1 吸能盒设计原则与评价准则

1.1 C-IASI中耐撞性与维修经济性指数试验规程

开展车辆低速结构碰撞测试，旨在评估车辆的耐撞性和维修经济性。车辆评估包含正面碰撞和追尾碰撞中的车辆损伤计算（物理损伤和维修费用）。在正面碰撞中，试验车辆以15km/h 的速度撞击刚性壁障。固定刚性壁障时，需确保其前端面与测试车辆横向垂面成10°±1°角。测试车辆与刚性壁障的初始接触位于驾驶员侧，且刚性壁障前表面与车辆的重叠量为前部车辆宽度的40%±25mm。试验质量是在车辆的整备质量加一个75±5kg 的假人或等质量的配重物，假人或配重物通过标准三点式安全带固定在驾驶员座椅上。如图1所示。

1.2 吸能盒的设计原则和评价准测

车辆在低速碰撞中的传力通道主要包括防撞梁、吸能盒和纵梁，为保证车辆的耐撞性和维修经济性，吸能盒的设计要遵循一下原则：

1）保证吸能盒先变形纵梁后变形的变形次序依次变形；

2）在低速碰撞中不发生倾倒变形或折弯等不利于吸能的变形模式；

3）在低速碰撞中吸能盒均匀稳定的发生轴向压溃变形，保证充分吸收碰撞能量；

在研究吸能盒结构碰撞性能时，通常应用最大压溃力、平均压溃力、总吸能量、单位质量吸能、来作为评价准则。

1.2.1 最大压溃力

是由材料的弹性模量、屈服强度及截面特性决定的，它是吸能构件刚开始发生屈曲时的最大碰撞力峰值，决定车辆前期最大加速度的大小，加速度越大越有利于在高速碰撞中对乘员的保护，但需要更高的碰撞力使其变形会使车辆设计成本增加，所以要依据车辆的质量和安全开发要求综合匹配。

1.2.2 平均壓溃力

它决定吸能盒在碰撞过程中的吸收能量的能力和总体压溃情况，所以要依据车辆的质量和安全开发要求综合匹配。

1.2.3 总吸收能量

是指吸能盒在整个碰撞过程中通过轴向压溃变形而吸收的碰撞总能量。

1.2.4 单位质量吸收能量

是总的吸收能量与结构质量的比值，它反映了不同材料、截面形状的吸能能力。在轻量化的优化设计中，结构件单位质量吸收的能量越多越好。

2 前防撞梁吸能盒耐撞性分析

结合目前汽车吸能盒的实际应用及需求，在考虑生产可行性及经济性基础上，为匹配不同整备质量车型需求，选取四种典型截面铝合金吸能盒进行研究。吸能盒长度为150 mm，宽高比为5：4，厚度为3mm，材料为目前常用的挤压铝合金型材6063-T6。

2.1 四种典型截面的铝合金吸能盒压溃稳定性

为了研究吸能盒轴向压溃的稳定性，吸能盒在完全轴向压溃和吸能盒偏移5°两种工况下的变形情况，均匀向下压缩总长度的60%，如图3所示。

四种不同截面形状的吸能盒在完全轴向压溃和偏移5°两种工况下的变形如图4所示，图中显示四种不同截面形状吸能盒在两种工况作用下都产生稳定的褶皱变形，能够最大限度的吸收能量，可见铝合金吸能盒的变形稳定可靠。

2.2 四种典型截面的铝合金吸能盒压溃吸能性

当吸能盒在受到轴向冲击载荷时，如图5截面力-位移曲线所示，首先在吸能盒前部产生屈曲，载荷迅速增加，出现第一个峰值即为最大压溃力；之后吸能盒均匀稳定地产生褶皱变形，在曲线上表现为波浪式，波动越小，压溃越稳定，波浪越多，产生的褶皱越多，吸能效果越好。四种截面吸能盒的能量-位移曲线如图6所示，曲线的斜率越大，说明其吸收的能量越多，而且能量曲线上没有产生波动，说明吸能均匀稳定增加。

双十字型截面铝合金吸能盒的最大压溃力最大，说明屈曲稳定性最好，产生的变形抗力越大，越有利于吸能；其产生波动最小，而且产生3个稳定褶皱变形，其吸能最多。日字型截面铝合金吸能盒最大压溃力最小，波动大，只产生2个褶皱变形，其吸能最少。通过分析四种截面铝合金吸能盒轴向压溃发现：双十字型吸能效果最好，其次是田字型和8字型，日字型吸能最少。

3 宽高比对吸能盒耐撞性的影响

以双十字型截面铝合金截面吸能盒为例分析宽高比对吸能盒耐撞性的影响。吸能盒宽高比示意图如图7所示。不同宽高比的吸能盒耐撞性能对比情况见表3。宽高比分别为0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1.0时吸能盒压溃力与宽高比的变化曲线如图8所示，吸能盒吸能与宽高比的变化曲线如图9所示。

综合以上结果分析，吸能盒随着宽高比的增加其最大压溃力逐步减小；宽高比小于0.7时，平均压溃力随宽高比增加呈现逐渐减小趋势，宽高比大于于0.7，平均压溃力趋于基本稳定状态，吸能盒吸收的总能量与平均压溃力的变化趋势一直，这也再次印证平均压溃力与总吸收能量的正比关系；单位质量吸收的能量随着宽高比的增加逐渐增加。从汽车结构设计的限制及轻量化要求的角度分析，在一定的尺寸比例可控范围内，保证吸能盒的宽高比在0.7至1.0之间，而且越接近1.0吸能效果越好，越有利于轻量化。

4 材料对吸能盒耐撞性的影响

以双十字型截面铝合金截面吸能盒为例分析材料对吸能盒耐撞性的影响。铝合金牌号分别为6063_T6， 6060_T6， 6082_T6三种材料曲线示意图如图10所示。不同材料的吸能盒压溃力与时间的变化曲线如图11所示，不同材料的吸能盒吸能与时间的变化曲线如图12所示。结果表明，吸能盒随着材料强度的提升，其最大压溃力、吸能逐步增加，在设计过程中适当提升材料强度可提升其耐撞性能。

5 结论

5.1 铝合金吸能盒在没有设计引导槽情况下可以轴向均匀压溃，而且吸能盒在偏移一定角度范围内仍保持轴向均匀变形，可见铝合金吸能盒的变形稳定可靠，保证吸能盒设计满足汽车传力通道设计原则，有利于保证铝合金吸能盒在C-IASI评价中正面低速碰撞稳定变形，充分吸收能量。

5.2 依据吸能盒评价准测，通过分析四种截面铝合金吸能盒轴向压溃发现：双十字型吸能效果最好，其次是田字型和8字型，日字型吸能最少。

5.3 在汽车开发过程中，要综合考虑研发成本及轻量化目标，保证吸能盒与纵梁强度相匹配，在碰撞过程中吸能盒优先发生溃缩变形，在不同整备质量的车型上选择与之相匹配的截面最优的吸能盒，保证变形次序及吸能性。

5.4 在汽车结构设计过程中，在空间及尺寸允许范围内，尽量保证吸能盒的宽高比在0.7至1.0之间，而且越接近1.0吸能效果越好，吸收的能量越多。

5.5 在汽车结构设计过程中，保证变形次序的前提下，适当提升材料强度有助于吸能盒提升吸能，通过提升材料强度降低壁厚实现轻量化。

参考文献

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