鋁合金后防護欄的輕量化及強度研究

黃康，王香廷，祝慧，王亮亮

（安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

引言

汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展對汽車節(jié)能、安全、環(huán)保等要求不斷提升，對輕量化技術、材料、工藝的研究和開發(fā)已經(jīng)成為世界各大汽車生產(chǎn)廠家提高競爭力的關鍵項目之一。

鋁合金以其低密度（僅為鋼的 1/3）的優(yōu)越性成為關鍵的輕量化材料，被各大汽車企業(yè)爭相研究，并用于替換原有的鋼制件。在不降低零部件性能的前提下，鋁合金替代傳統(tǒng)鋼制零部件可以實現(xiàn)約30%以上的減重。根據(jù)汽車咨詢機構Duckers調(diào)查，北美、歐盟和日本單車用鋁分別高出中國47%、24%和15%，且持續(xù)增長。隨著鋁合金制造技術的發(fā)展，乘用車領域開始出現(xiàn)部分高端車型對鋁合金板件的應用，如奧迪、捷豹和路虎等；對于商用車領域，鋁合金往往運用于較小尺寸支架和安裝板等，近年來不斷涌現(xiàn)對較大擠壓型材的使用，如油箱、儲氣桶、運輸罐車和防護件等，對整車輕量化貢獻巨大。

1 商用車后防護欄

商用車后防護欄裝置又稱之為后下部防護裝置，要求安裝于N2、N3、O3和O4類車輛，是為了防止轎車或小型貨車與以上車輛發(fā)生碰撞時能夠提供有效的保護，以防止鉆撞。

后防護欄需具有一定的強度，足以抵擋碰撞車輛沖擊，而且，國內(nèi)與國際均有相關強制執(zhí)行標準對該強度作明確要求。根據(jù)標準規(guī)定，后防護欄的強度考察有兩點加載和三點加載兩種方式，加載力分別為滿載狀態(tài)下整車重量的1/2和1/4，該加載力完全依靠后防護欄自身的結構來克服，因此，當使用鋼制后防護欄時，往往需要較厚的鋼板，導致后防護欄自身非常笨重。

2 鋁合金后防護欄的輕量化分析

以某輕卡車型為研究對象，其后防護欄為鋼制冷成型件焊接而成，如圖1所示，其重量14.3kg，為使其強度滿足歐標ECE R58相關條款，安裝支架采用3mm厚Q235A鋼板沖壓成型，橫桿為60mm×120mm截面、壁厚2.5mm矩形管，安裝支架與橫桿之間為二氧化碳氣體保護焊焊接。

圖1 鋼制后防護欄

在不改變后防護欄對于整車的邊界條件的前提下，以鋁合金擠壓型材替代原鋼制零部件，設計出鋁合金材質后防護欄，如圖 2所示，其重量為 7.1kg。所有零部件材質均為6061-T6，相互之間通過惰性氣體保護焊焊接。安裝支架為140mm×45mm、壁厚3mm矩形管型材機加工成型；橫桿為“目”字型截面型材，前后壁厚2.4mm，上下壁厚1.8mm，中間加強筋壁厚1.5mm，外形尺寸為120mm×60mm；安裝支架兩側與橫桿之間有斜支撐板，其截面為“C”字型，外形尺寸80mm×20mm，壁厚2mm。

圖2 鋁合金后防護欄

相對于鋼制件，該鋁合金后防護欄實現(xiàn)降重7.2kg，降重率50.3%，如表1所示。

表1 后防護欄重量對比

3 鋁合金后防護欄的強度分析

該后防護欄應用車型滿載總質量為7t，根據(jù)ECE R58法規(guī)要求，兩點加載力相當 3.5t重量，三點加載力相當 1.75t重量，加載方式如圖3示意圖所示。其中，P1點為兩點加載位置，關于車輛縱向垂直平面左右對稱；P2和P3點為三點加載位置，P2關于車輛縱向垂直平面左右對稱，P3點位于縱向中點（由于P2點和P3點加載力相同，通?？珊雎詫3點的考察）。

對其強度進行理論有限元分析，鈑金件采用 SHELL單元進行離散，螺栓和焊縫采用NodalRigidbody單元模擬，分析中使用的軟件有LS-DYNA和HYPERVIEW。

圖3 后防護欄加載位置示意圖

3.1 鋼制后防護欄有限元分析結果

P1點分析結果如圖4所示，其中，（a）圖為應力分布云圖，圖中顯示應力集中點為支架與橫桿連接處，最大塑性應變?yōu)?.7%，小于Q235A材料的斷裂百分比，處于安全范圍內(nèi)；（b）圖為后防護欄變形距離曲線，圖中顯示在0.3s之前為彈性變形，之后發(fā)生塑性變形，最大變形量為8mm，滿足ECE R58規(guī)定400mm范圍內(nèi)的要求。

圖4 P1點分析結果

P2點分析結果顯示其應力集中點同樣位于支架與橫桿連接處，最大塑性應變?yōu)?.9%，處于安全范圍內(nèi)；最大塑性變形量為11.6mm，如圖5所示，滿足ECE R58的要求。

圖5 P2點分析變形曲線

3.2 鋁合金后防護欄有限元分析結果

以相同的方法對鋁合金后防護欄進行有限元分析，加載應力分布云圖如圖6所示，應力集中點為支架與橫桿連接處。

P1點最大塑性應變?yōu)?.7%，小于6061-T6材料的斷裂百分比，處于安全范圍內(nèi)，最大變形量為3.7mm，如圖7（a）所示，滿足ECE R58的要求；P2點最大塑性應變?yōu)?.8%，處于安全范圍內(nèi)，最大變形量為41.2mm，如圖7（b）所示，滿足ECE R58的要求。

圖6 鋁合金后防護欄加載塑性應變圖

圖7 鋁合金后防護欄分析變形曲線

綜上所述，兩種狀態(tài)后防護欄的強度有限元分析結果對比如表2所示，兩種后防護欄均滿足法規(guī)要求。鋁合金后防護欄P1點加載變形量小于鋼制件，表明其中間點強度優(yōu)于鋼制件；P2點加載變形量大于鋼制件，表明其兩端強度次于鋼制件。

表2 后防護欄強度有限元分析結果對比

4 結論

（1）以某輕卡鋼制后防護欄為研究對象，在不改變其對于整車的邊界條件的前提下，以6061-T6鋁合金型材替代原鋼制零部件，設計出鋁合金后防護欄。

（2）原鋼制后防護欄重量14.3kg，鋁合金后防護欄重量7.1kg，實現(xiàn)降重7.2kg，降重率50.3%。

（3）有限元分析顯示，兩種后防護欄強度均滿足法規(guī)要求。

（4）鋁合金后防護欄中間點強度優(yōu)于鋼制件，兩端強度次于鋼制件。

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