泡沫铝在新能源汽车车架减振性能中的应用

王胜永　李育文　王红卫

摘 要：新能源汽车已成为汽车工业领域发展的趋势和研究热点。然而，新能源汽车相比与传统燃油汽车，其车架结构要承载电池组件，从而也对车架结构的减振性能有了更高要求。本文以某型号新能源汽车车架结构为例，进行了泡沫铝填充的车架结构和无泡沫铝填充的车架结构的减振性能比较分析。数值计算结果表明泡沫铝材料应用于新能源汽车车架结构具有较好的减振性能。

关键词：泡沫铝；新能源汽车；车架结构；减振性能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.002

1 概述

随着能源与环保问题的日趋严重，新能源汽车已经成为汽车工业领域发展的热点。然而，长期以来，汽车工业为了满足人们对汽车安全品质的需求，汽车工业普遍采用的钢材作为结构用钢。然而，对于新能源汽车工业来说，车身结构完全采用钢质结构设计，其质量较大，不利于节能。随着轻质、高性能材料的研发，不断的有新材料应用到汽车工业领域。其中，泡沫铝材料作为一种新型材料，不断受到各工业领域的关注。泡沫铝是一种以铝为基体的多孔材料，将连续相铝的金属特性与分离相气孔的孔隙特性结合在一起，具有良好的机械、热学、动力学等特性。尤其是具有轻质、高比强度的泡沫铝材料应用于新能源汽车工业领域，不仅可以实现新能源汽车良好的减振性能，而且可以实现新能源汽车的轻量化[1，2]。对满足汽车工业节能减排的需求，以及降低城市拥挤的交通运输据带来的振动与噪声危害，促进汽车零部件的结构设计优化和车辆整体成型工艺的改进具有重要意义。奥迪研究结果，如果新能源汽车质量减少100Kg，其续航能力可增加7.5%。研究表明，采用粉末密实熔化发泡法制备的泡沫铝在汽车工业轻质结构和吸收冲击零件上得到了应用，并开始进入了小批量生产。例如，大众、宝马等汽车企业应用泡沫铝进行了汽车侧面与前部防撞部件、轴架及车身构件的设计和生产。可见，较好的振动特性和轻量化的新能源汽车车架结构对实现新能源汽车节能环保具有重要意义[3]。

新能源汽车相比于传统燃油汽车，其车架中部结构要承担质量较大的电池组。因而，新能源汽车车架结构的设计应具有自身独特的结构特点。本文根据某型号新能源汽车车架结构，进行泡沫铝填充的车架结构和无泡沫铝填充的车架结构的减振性能初步设计比较分析。验证泡沫铝轻质、高比强度材料在新能源汽车车架结构应用中具有较好的减振性能。

2 泡沫铝及泡沫铝填充钢质方管结构的力学性能

泡沫铝作为一种轻质功能材料，具有较高的孔隙率，一般为60%～95%。与具有孔隙的粉末冶金材料相比，泡沫铝材料的孔径较大，孔径一般为0.1～6mm（图1）。而且孔隙结构主要有两种，通孔和闭孔。孔隙结构不同，性能上也有较大的差异，应用领域也不同。

与块体材料不同，泡沫铝多孔材料的力学性能测试与材料的尺寸有关。对较大试样的泡沫铝材料，可不考虑材料的尺寸效应。但对试样较小的泡沫铝材料，如果不考虑材料的尺寸效应，将发现每次实验的数据，如材料的弹性模量和压缩强度等都不相同，实验缺乏重现性，不能准确表征材料的性能。国内外诸多学者已通过实验和数值模拟的方法分析了开孔泡沫铝和闭孔泡沫铝材料的力学性能随试件尺L、孔径d变化的关系，指出对于开孔泡沫铝L/d>8，闭孔泡沫铝L/d>5，压缩强度趋于稳定峰值，试样的尺寸效应可以忽略； Mukai等的研究发现，当试样厚度大于6mm时，泡沫铝的强度与试样厚度无关。

在准静态压载下，对闭孔泡沫铝材料试样进行压缩，直到材料被压实为止。实验表明，闭孔泡沫铝准静态压缩特性经历三个阶段：（1）线弹性变形阶段；（2）坍塌变形阶段；（3）致密化变形阶段（图2）。而且实验还表明，随着泡沫铝材料的密度增加，闭孔泡沫铝的压缩强度和弹性模量都将增大。

在汽车工业中，泡沫铝作为一种缓冲减振材料，车辆在运行过程中承受的主要是动态载荷，与静态实验研究相比，材料的动态力学行为实验更复杂一些。动态实验测试的方法很多， 例如，可以利用冲击摆锤实现了对泡沫铝材料的冲击加载，通过调整摆杆上的重物质量以及摆杆的起始角度来改变撞击速度及能量。国外相关学者利用冲击小车研究了泡沫铝材料的动态压缩性能，也应用落锤实验研究了泡沫铝的动态力学性能，我国的学者则是利用 Hopkinson压杆技术研究了泡沫铝材料的力学性能。图3是闭孔泡沫铝材料的动态压缩特征曲线，从图中可以看到，与静态压缩时的特征一样，也出现了三个变形阶段：线弹性变形阶段、坍塌变形阶段、致密化变形阶段。

对比图2、图3中曲线可以看到，动态与静态的压缩应力一应变有着明显的差异，主要表现在：动态压缩的应力一应变曲线更加光滑，没有的平台区域；随若应变的增加，应力增加先快后慢再快，但一直处于增加的趋势，且在阶段Ⅱ没有出现静态压缩时的应力突降现象；动态压缩的平台应力比静态压缩的平台应力大，且随着密度的逐渐增加，平台应力的差异也在缩小，应力-应变曲线也逐渐趋于一致。

由于泡沫铝具有刚度大、韧性小的力学性能，单一应用泡沫铝作为新能源汽车结构承载部件，泡沫铝极易发生裂纹扩展而失效。如果将泡沫铝填充韌性较好的钢质方管中，在承载过程中，泡沫铝与钢质方管发生耦合变形，不仅优化钢质方管载荷传递路径，而且可以有效的阻止泡沫铝裂纹扩展。因而，填充泡沫铝的钢质方管将具有更好是力学性能。

泡沫铝材料由于具有多孔的结构特征，相比于铝基体具有较高的阻尼性能。而且，较高的阻尼对降低结构振动响应起着关键作用。根据徐平对泡沫铝填充薄壁钢质方管的力学性能实验结果。一阶频率时，无粘结泡沫铝填充方管的阻尼分别是粘结泡沫铝填充方管及空方管阻尼的2倍和4倍[4]。

3 新能源汽车车架结构数值模型与模态分析

选用某型号新能源汽车车架结构，由于原型车架结构较为复杂，焊接点、小倒角等装配及加工工艺比较多，在建立该新能源汽车车架结构有限元模型过程中要对真实结构进行一些必要的简化。但是该新能源汽车车架结构的简化机理是要满足结构和结构动力特性的真实性，既要满足车架有限元数值模型结构与原型车架结构几何形状的真实性，又要满足车架结构振动性能上的真实性。

车架结构承载整个车辆的质量。因而，该新能源汽车车架结构的简化主要集中在车身、附件、电机、电池、乘坐人员的质量，其中电池的质量在整个车辆质量中占较大的比重，在有限元模型中可以简化为质量均匀分布在车架结构的承重梁上（图4所示）。该车架结构宽1350mm，长度4200mm，轴距2600mm。无泡沫铝填充时车架结构阻尼取0.3，泡沫铝填充车架结构时阻尼取1.2。

车架为薄壁钢管通过焊接或螺栓连接在一起的几何结构。正常行驶过程中，路面载荷激励传递给4个车轮，车轮再通过悬架将振动能量传递给车架。因而，在悬架与车架连接处施加自由度约束。通过新能源汽车车架结构的有限元模型模态分析可以确定车架结构的振动特性，在车架结构受到外部载荷激励时，可以确定特定方向上某个振型在多大程度上参与了振动和振动能量的分布情况。表1为新能源汽车车架有限元模型计算得到了填充泡沫铝车架和无泡沫铝填充车架的前三阶振动频率。

由表1可以看出，填充泡沫铝的车架结构较无泡沫铝填充的车架的振动频率有所提高。对于车架结构在外载荷激励作用下，车架在其固有振动频率处所获得的振动动能由式（1）可以计算[5]。

（1）

式中：A为车架振动幅值，为车架振动频率。可以看出，在悬架结构传递给车架结构振动能量一定时，提高车架振动频率，可以降低车架的振动幅值。因而，填充泡沫铝的车架结构动力性能得到了提高。

4 减振性能比较分析

为了验证新能源汽车车架结构填充泡沫铝时的减振性能，对车架有限元模型的悬架支撑处施加正弦激励载荷以进行谐响应振动分析。在车架的4个悬架支撑处分别施加垂直于车架结构的单位间谐激励载荷，选取车架驾驶员位置的垂直与车架方向的动力响应结果进行比较分析（图5、图6）。可以看出，该车架行驶过程中，在路面载荷激励作用下，无泡沫铝填充的车架结构振动幅值（1.25×10-5）是填充泡沫铝的车架结构振动幅值响应（4.8×10-6）的2.6倍。因而，同等路面载荷激励下，填充泡沫铝的车架结构振动响应比较小，抗振性能更好，更能满足新能源汽车舒适性的要求。

5 结论

新能源汽车日益成为汽车工业领域发展的趋势。其中新能源汽车车架结构设计对保障电池组安全及实现节约能源起着重要作用。通过泡沫铝填充及无泡沫铝填充的新能源车架结构的动力响应分析，可以看出新能源汽车车架结构填充泡沫铝后，在同样的路面载荷激励作用下，相比于无泡沫铝填充的车架结构，其振动响应性能得了提高。然而，新能源汽车工业的发展还存在诸多瓶颈问题，尚需要开展进一步的研究工作。

参考文献：

[1]胡清寒.适用于更轻量化车辆的泡沫铝材料[J].汽车工艺与材料，2008（05）：28.

[2]程涛，向宇，李健，余玲.泡沫铝在汽车工业中的应用[J].轻金属材料，2009（08）：71.

[3]方炬，关健鑫.轻量化与轻金属材料应用[J].中国金属通报，2011

（25）：18-21.

[4]楊昆，徐平.泡沫铝填充方钢管的连接方式对其阻尼性能的影响研究[J].2018（01）：11-14.

[5]于英华，宋海，吴雪娜，谈海南.泡沫铝填充汽车车架的抗振性研究[J].2012，26（05）：144-146.

基金项目：河南省科技开放合作项目（172106000070）；河南省高等学校重点科研项目计划（15A460036）；博士科研启动项目（2014）

作者简介：王胜永（1980-），男，河南周口人，讲师，从事汽车结构力学分析与安全保障研究。