泡沫鋁在新能源汽車車架減振性能中的應(yīng)用

王勝永　李育文　王紅衛(wèi)

摘 要：新能源汽車已成為汽車工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的趨勢(shì)和研究熱點(diǎn)。然而，新能源汽車相比與傳統(tǒng)燃油汽車，其車架結(jié)構(gòu)要承載電池組件，從而也對(duì)車架結(jié)構(gòu)的減振性能有了更高要求。本文以某型號(hào)新能源汽車車架結(jié)構(gòu)為例，進(jìn)行了泡沫鋁填充的車架結(jié)構(gòu)和無泡沫鋁填充的車架結(jié)構(gòu)的減振性能比較分析。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明泡沫鋁材料應(yīng)用于新能源汽車車架結(jié)構(gòu)具有較好的減振性能。

關(guān)鍵詞：泡沫鋁；新能源汽車；車架結(jié)構(gòu)；減振性能

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

1 概述

隨著能源與環(huán)保問題的日趨嚴(yán)重，新能源汽車已經(jīng)成為汽車工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)。然而，長(zhǎng)期以來，汽車工業(yè)為了滿足人們對(duì)汽車安全品質(zhì)的需求，汽車工業(yè)普遍采用的鋼材作為結(jié)構(gòu)用鋼。然而，對(duì)于新能源汽車工業(yè)來說，車身結(jié)構(gòu)完全采用鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其質(zhì)量較大，不利于節(jié)能。隨著輕質(zhì)、高性能材料的研發(fā)，不斷的有新材料應(yīng)用到汽車工業(yè)領(lǐng)域。其中，泡沫鋁材料作為一種新型材料，不斷受到各工業(yè)領(lǐng)域的關(guān)注。泡沫鋁是一種以鋁為基體的多孔材料，將連續(xù)相鋁的金屬特性與分離相氣孔的孔隙特性結(jié)合在一起，具有良好的機(jī)械、熱學(xué)、動(dòng)力學(xué)等特性。尤其是具有輕質(zhì)、高比強(qiáng)度的泡沫鋁材料應(yīng)用于新能源汽車工業(yè)領(lǐng)域，不僅可以實(shí)現(xiàn)新能源汽車良好的減振性能，而且可以實(shí)現(xiàn)新能源汽車的輕量化[1，2]。對(duì)滿足汽車工業(yè)節(jié)能減排的需求，以及降低城市擁擠的交通運(yùn)輸據(jù)帶來的振動(dòng)與噪聲危害，促進(jìn)汽車零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化和車輛整體成型工藝的改進(jìn)具有重要意義。奧迪研究結(jié)果，如果新能源汽車質(zhì)量減少100Kg，其續(xù)航能力可增加7.5%。研究表明，采用粉末密實(shí)熔化發(fā)泡法制備的泡沫鋁在汽車工業(yè)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)和吸收沖擊零件上得到了應(yīng)用，并開始進(jìn)入了小批量生產(chǎn)。例如，大眾、寶馬等汽車企業(yè)應(yīng)用泡沫鋁進(jìn)行了汽車側(cè)面與前部防撞部件、軸架及車身構(gòu)件的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。可見，較好的振動(dòng)特性和輕量化的新能源汽車車架結(jié)構(gòu)對(duì)實(shí)現(xiàn)新能源汽車節(jié)能環(huán)保具有重要意義[3]。

新能源汽車相比于傳統(tǒng)燃油汽車，其車架中部結(jié)構(gòu)要承擔(dān)質(zhì)量較大的電池組。因而，新能源汽車車架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)具有自身獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。本文根據(jù)某型號(hào)新能源汽車車架結(jié)構(gòu)，進(jìn)行泡沫鋁填充的車架結(jié)構(gòu)和無泡沫鋁填充的車架結(jié)構(gòu)的減振性能初步設(shè)計(jì)比較分析。驗(yàn)證泡沫鋁輕質(zhì)、高比強(qiáng)度材料在新能源汽車車架結(jié)構(gòu)應(yīng)用中具有較好的減振性能。

2 泡沫鋁及泡沫鋁填充鋼質(zhì)方管結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能

泡沫鋁作為一種輕質(zhì)功能材料，具有較高的孔隙率，一般為60%～95%。與具有孔隙的粉末冶金材料相比，泡沫鋁材料的孔徑較大，孔徑一般為0.1～6mm（圖1）。而且孔隙結(jié)構(gòu)主要有兩種，通孔和閉孔?？紫督Y(jié)構(gòu)不同，性能上也有較大的差異，應(yīng)用領(lǐng)域也不同。

與塊體材料不同，泡沫鋁多孔材料的力學(xué)性能測(cè)試與材料的尺寸有關(guān)。對(duì)較大試樣的泡沫鋁材料，可不考慮材料的尺寸效應(yīng)。但對(duì)試樣較小的泡沫鋁材料，如果不考慮材料的尺寸效應(yīng)，將發(fā)現(xiàn)每次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，如材料的彈性模量和壓縮強(qiáng)度等都不相同，實(shí)驗(yàn)缺乏重現(xiàn)性，不能準(zhǔn)確表征材料的性能。國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者已通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法分析了開孔泡沫鋁和閉孔泡沫鋁材料的力學(xué)性能隨試件尺L、孔徑d變化的關(guān)系，指出對(duì)于開孔泡沫鋁L/d>8，閉孔泡沫鋁L/d>5，壓縮強(qiáng)度趨于穩(wěn)定峰值，試樣的尺寸效應(yīng)可以忽略； Mukai等的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)試樣厚度大于6mm時(shí)，泡沫鋁的強(qiáng)度與試樣厚度無關(guān)。

在準(zhǔn)靜態(tài)壓載下，對(duì)閉孔泡沫鋁材料試樣進(jìn)行壓縮，直到材料被壓實(shí)為止。實(shí)驗(yàn)表明，閉孔泡沫鋁準(zhǔn)靜態(tài)壓縮特性經(jīng)歷三個(gè)階段：（1）線彈性變形階段；（2）坍塌變形階段；（3）致密化變形階段（圖2）。而且實(shí)驗(yàn)還表明，隨著泡沫鋁材料的密度增加，閉孔泡沫鋁的壓縮強(qiáng)度和彈性模量都將增大。

在汽車工業(yè)中，泡沫鋁作為一種緩沖減振材料，車輛在運(yùn)行過程中承受的主要是動(dòng)態(tài)載荷，與靜態(tài)實(shí)驗(yàn)研究相比，材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為實(shí)驗(yàn)更復(fù)雜一些。動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法很多， 例如，可以利用沖擊擺錘實(shí)現(xiàn)了對(duì)泡沫鋁材料的沖擊加載，通過調(diào)整擺桿上的重物質(zhì)量以及擺桿的起始角度來改變撞擊速度及能量。國(guó)外相關(guān)學(xué)者利用沖擊小車研究了泡沫鋁材料的動(dòng)態(tài)壓縮性能，也應(yīng)用落錘實(shí)驗(yàn)研究了泡沫鋁的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，我國(guó)的學(xué)者則是利用 Hopkinson壓桿技術(shù)研究了泡沫鋁材料的力學(xué)性能。圖3是閉孔泡沫鋁材料的動(dòng)態(tài)壓縮特征曲線，從圖中可以看到，與靜態(tài)壓縮時(shí)的特征一樣，也出現(xiàn)了三個(gè)變形階段：線彈性變形階段、坍塌變形階段、致密化變形階段。

對(duì)比圖2、圖3中曲線可以看到，動(dòng)態(tài)與靜態(tài)的壓縮應(yīng)力一應(yīng)變有著明顯的差異，主要表現(xiàn)在：動(dòng)態(tài)壓縮的應(yīng)力一應(yīng)變曲線更加光滑，沒有的平臺(tái)區(qū)域；隨若應(yīng)變的增加，應(yīng)力增加先快后慢再快，但一直處于增加的趨勢(shì)，且在階段Ⅱ沒有出現(xiàn)靜態(tài)壓縮時(shí)的應(yīng)力突降現(xiàn)象；動(dòng)態(tài)壓縮的平臺(tái)應(yīng)力比靜態(tài)壓縮的平臺(tái)應(yīng)力大，且隨著密度的逐漸增加，平臺(tái)應(yīng)力的差異也在縮小，應(yīng)力-應(yīng)變曲線也逐漸趨于一致。

由于泡沫鋁具有剛度大、韌性小的力學(xué)性能，單一應(yīng)用泡沫鋁作為新能源汽車結(jié)構(gòu)承載部件，泡沫鋁極易發(fā)生裂紋擴(kuò)展而失效。如果將泡沫鋁填充韌性較好的鋼質(zhì)方管中，在承載過程中，泡沫鋁與鋼質(zhì)方管發(fā)生耦合變形，不僅優(yōu)化鋼質(zhì)方管載荷傳遞路徑，而且可以有效的阻止泡沫鋁裂紋擴(kuò)展。因而，填充泡沫鋁的鋼質(zhì)方管將具有更好是力學(xué)性能。

泡沫鋁材料由于具有多孔的結(jié)構(gòu)特征，相比于鋁基體具有較高的阻尼性能。而且，較高的阻尼對(duì)降低結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)起著關(guān)鍵作用。根據(jù)徐平對(duì)泡沫鋁填充薄壁鋼質(zhì)方管的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果。一階頻率時(shí)，無粘結(jié)泡沫鋁填充方管的阻尼分別是粘結(jié)泡沫鋁填充方管及空方管阻尼的2倍和4倍[4]。

3 新能源汽車車架結(jié)構(gòu)數(shù)值模型與模態(tài)分析

選用某型號(hào)新能源汽車車架結(jié)構(gòu)，由于原型車架結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，焊接點(diǎn)、小倒角等裝配及加工工藝比較多，在建立該新能源汽車車架結(jié)構(gòu)有限元模型過程中要對(duì)真實(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行一些必要的簡(jiǎn)化。但是該新能源汽車車架結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化機(jī)理是要滿足結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的真實(shí)性，既要滿足車架有限元數(shù)值模型結(jié)構(gòu)與原型車架結(jié)構(gòu)幾何形狀的真實(shí)性，又要滿足車架結(jié)構(gòu)振動(dòng)性能上的真實(shí)性。

車架結(jié)構(gòu)承載整個(gè)車輛的質(zhì)量。因而，該新能源汽車車架結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化主要集中在車身、附件、電機(jī)、電池、乘坐人員的質(zhì)量，其中電池的質(zhì)量在整個(gè)車輛質(zhì)量中占較大的比重，在有限元模型中可以簡(jiǎn)化為質(zhì)量均勻分布在車架結(jié)構(gòu)的承重梁上（圖4所示）。該車架結(jié)構(gòu)寬1350mm，長(zhǎng)度4200mm，軸距2600mm。無泡沫鋁填充時(shí)車架結(jié)構(gòu)阻尼取0.3，泡沫鋁填充車架結(jié)構(gòu)時(shí)阻尼取1.2。

車架為薄壁鋼管通過焊接或螺栓連接在一起的幾何結(jié)構(gòu)。正常行駛過程中，路面載荷激勵(lì)傳遞給4個(gè)車輪，車輪再通過懸架將振動(dòng)能量傳遞給車架。因而，在懸架與車架連接處施加自由度約束。通過新能源汽車車架結(jié)構(gòu)的有限元模型模態(tài)分析可以確定車架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，在車架結(jié)構(gòu)受到外部載荷激勵(lì)時(shí)，可以確定特定方向上某個(gè)振型在多大程度上參與了振動(dòng)和振動(dòng)能量的分布情況。表1為新能源汽車車架有限元模型計(jì)算得到了填充泡沫鋁車架和無泡沫鋁填充車架的前三階振動(dòng)頻率。

由表1可以看出，填充泡沫鋁的車架結(jié)構(gòu)較無泡沫鋁填充的車架的振動(dòng)頻率有所提高。對(duì)于車架結(jié)構(gòu)在外載荷激勵(lì)作用下，車架在其固有振動(dòng)頻率處所獲得的振動(dòng)動(dòng)能由式（1）可以計(jì)算[5]。

（1）

式中：A為車架振動(dòng)幅值，為車架振動(dòng)頻率。可以看出，在懸架結(jié)構(gòu)傳遞給車架結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量一定時(shí)，提高車架振動(dòng)頻率，可以降低車架的振動(dòng)幅值。因而，填充泡沫鋁的車架結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能得到了提高。

4 減振性能比較分析

為了驗(yàn)證新能源汽車車架結(jié)構(gòu)填充泡沫鋁時(shí)的減振性能，對(duì)車架有限元模型的懸架支撐處施加正弦激勵(lì)載荷以進(jìn)行諧響應(yīng)振動(dòng)分析。在車架的4個(gè)懸架支撐處分別施加垂直于車架結(jié)構(gòu)的單位間諧激勵(lì)載荷，選取車架駕駛員位置的垂直與車架方向的動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行比較分析（圖5、圖6）?？梢钥闯?，該車架行駛過程中，在路面載荷激勵(lì)作用下，無泡沫鋁填充的車架結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅值（1.25×10-5）是填充泡沫鋁的車架結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅值響應(yīng)（4.8×10-6）的2.6倍。因而，同等路面載荷激勵(lì)下，填充泡沫鋁的車架結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)比較小，抗振性能更好，更能滿足新能源汽車舒適性的要求。

5 結(jié)論

新能源汽車日益成為汽車工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的趨勢(shì)。其中新能源汽車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)保障電池組安全及實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源起著重要作用。通過泡沫鋁填充及無泡沫鋁填充的新能源車架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析，可以看出新能源汽車車架結(jié)構(gòu)填充泡沫鋁后，在同樣的路面載荷激勵(lì)作用下，相比于無泡沫鋁填充的車架結(jié)構(gòu)，其振動(dòng)響應(yīng)性能得了提高。然而，新能源汽車工業(yè)的發(fā)展還存在諸多瓶頸問題，尚需要開展進(jìn)一步的研究工作。

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基金項(xiàng)目：河南省科技開放合作項(xiàng)目（172106000070）；河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目計(jì)劃（15A460036）；博士科研啟動(dòng)項(xiàng)目（2014）

作者簡(jiǎn)介：王勝永（1980-），男，河南周口人，講師，從事汽車結(jié)構(gòu)力學(xué)分析與安全保障研究。