試驗速度和引導(dǎo)角度對鋁合金吸能盒吸能特性影響研究

楊 麗，曲鳳嬌，靜 宇，韓 超，田曉龍，王麗鵬

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽 111003)

汽車已經(jīng)成為改善人們出行方式的重要交通工具之一，汽車在給人們生活帶來諸多便利的同時，其負(fù)面效應(yīng)也十分明顯，如交通事故、環(huán)境污染等嚴(yán)重的社會問題已經(jīng)影響到人們的日常生活[1]。因此，安全、節(jié)能、環(huán)保，是汽車消費者的期待，也是汽車設(shè)計者的使命，已經(jīng)成為汽車工業(yè)發(fā)展的三大主題[2]。汽車保險杠是汽車被動安全裝置的重要組成部分，在減小碰撞事故對行人的傷害、降低低速碰撞事故對車輛的損壞方面起著重要作用[3]，可以說，保險杠在很大程度上決定了汽車的耐撞性與安全性[4]。吸能盒作為汽車保險杠的主要組成和吸能組件，在汽車碰撞中，其通過自身結(jié)構(gòu)壓潰變形吸收能量，將碰撞時的動能轉(zhuǎn)化為自身結(jié)構(gòu)的內(nèi)能[5]，能在短時間內(nèi)吸收大部分的能量，從而保護(hù)駕駛員和乘客的生命安全[6]。與此同時，可以通過合理地采用輕質(zhì)材料及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減輕包括保險杠在內(nèi)的重量，進(jìn)一步提升整車的輕量化水平[7]。

鋁合金因其質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、易加工等優(yōu)點，被越來越廣泛的應(yīng)用于汽車車身結(jié)構(gòu)件。鋁合金吸能盒較傳統(tǒng)鋼制吸能盒有著較好的輕量化水平及耐撞性能[8]。鋁合金擠壓型材用作吸能盒部件時，必須要具有一定的塑性及韌性，一般會通過壓潰試驗進(jìn)行檢測。鋁合金吸能盒的吸能特性好壞要綜合考慮變形、載荷峰值、吸收能量等多種因素。

本文采用軸向壓潰試驗，設(shè)計不同試驗速度和引導(dǎo)角度，研究其對鋁合金吸能盒吸能特性的影響，可為鋁合金吸能盒軸向壓潰試驗研究提供參考。

1 試驗材料與方法

本試驗選用公司生產(chǎn)的某型號鋁合金吸能盒產(chǎn)品，產(chǎn)品壁厚2.2mm，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為，Si 0.59，F(xiàn)e 0.18，Cu 0.11，Mn 0.07，Mg 0.57，Cr 0.005，Zn 0.015，Ti 0.02，Ni 0.003，Al余量；力學(xué)性能為，Rp0.2267MPa，Rm281MPa，伸長率9.5%。試驗選取同一批次鋁合金吸能盒產(chǎn)品，沿擠壓方向截取長度為200 mm的全截面試樣。試驗設(shè)備為AG-X 250KN電子萬能材料試驗機(jī)(最大壓力250kN，測量分辨率0.01N)。分別設(shè)計50mm/min、100mm/min、150mm/min三種試驗速度和0°、10°、20°三種引導(dǎo)角度進(jìn)行試驗。由于鋁合金吸能盒變形穩(wěn)定，可重復(fù)性高，因此本次試驗每種類型試樣做1組試驗，具體試驗方案見表1。圖1為試樣結(jié)構(gòu)形狀。試驗前對試樣兩端用砂紙進(jìn)行打磨，以保證有較好的表面接觸條件，將打磨好的試樣直接放在下壓板上，管端不加其他約束。試驗機(jī)軸向壓頭以設(shè)定的試驗速度對試樣進(jìn)行加載，通過設(shè)備自帶數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄壓潰過程中壓潰力和峰值載荷等數(shù)據(jù)。使用相機(jī)實時記錄鋁合金吸能盒的變形過程。

2 試驗結(jié)果及分析

圖2～圖4分別為0°、10°、20°引導(dǎo)角度試樣在50 mm/min、100 mm/min和150 mm/min三種壓潰試驗速度下的載荷-位移曲線圖。同時，將吸收能量數(shù)據(jù)也一并編入了表中。

表1 試驗方法

圖1 試樣結(jié)構(gòu)形狀示意圖Fig.1 Schematic diagram of sample structure and shape

2.1 載荷峰值結(jié)果與分析

由圖2可以看出，引導(dǎo)角為0°的3個試樣載荷峰值均出現(xiàn)在第一個波峰處。當(dāng)載荷達(dá)到峰值后(分別為222814N、179371N和221990N)，曲線開始驟降至最低點，曲線上存在一個明顯的波峰波谷，且波動較大，因此無法充分發(fā)揮吸能盒的吸能性能，是一種不理想的變形模式。此外，由曲線可以看出，試驗速度對載荷峰值結(jié)果的影響并不明顯。

圖2 引導(dǎo)角為0°的載荷-位移曲線Fig.2 Load-displacement curve with guide angle of 0 degree

由圖3可以看出，在開設(shè)10°引導(dǎo)角后，3個試樣的壓縮變形比較穩(wěn)定，無過大的載荷波動，比較平穩(wěn)。3個試樣的載荷峰值(分別為136395N、151283N和137992N)均出現(xiàn)在第二個波峰處，且與其他波峰相差并不非常明顯，亦無非常明顯的波谷存在。因此，適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)角度有助于提高該鋁合金吸能盒的吸能特性。同樣，由曲線可以看出，試驗速度對載荷峰值結(jié)果的影響并不明顯。

圖3 引導(dǎo)角為10°的載荷-位移曲線Fig.3 Load-displacement curve with guide angle of 10 degree

由圖4可以看出，在開設(shè)20°引導(dǎo)角后，3個試樣的壓縮變形比較穩(wěn)定，無過大的載荷波動，比較平穩(wěn)。3個試樣的載荷峰值(分別為134996N、131487N和124982N)均出現(xiàn)在第二個波峰處，且與其他波峰相差并不非常明顯，亦無非常明顯的波谷存在。因此，適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)角度有助于提高該鋁合金吸能盒的吸能特性。同樣，由曲線可以看出，試驗速度對載荷峰值結(jié)果的影響并不明顯。

由圖3和圖4對比可以看出，引導(dǎo)角為10°和20°的試樣在不同壓潰試驗速度下的載荷峰值比較接近，且引導(dǎo)角為10°時試樣的載荷峰值略高，說明吸能效果相對更好。

2.2 吸收能量結(jié)果與分析

圖5為不同壓潰速度和引導(dǎo)角度試樣吸收能量對比曲線圖。由圖5可以看出，吸收能量隨引導(dǎo)角度的增大而降低，當(dāng)引導(dǎo)角為20°時，吸收能量最低；當(dāng)引導(dǎo)角為0°時吸收能量最高。對于不同引導(dǎo)角度，吸收能量隨壓潰試驗速度的變化趨勢并不相同，且不明顯，說明試驗速度對吸收能量的影響并不明顯。

圖5 不同壓潰速度和引導(dǎo)角度吸收能量對比Fig.5 Comparison of Energy Absorption at Different Crushing Velocities and Guidance Angles

3 結(jié)論

(1)吸收能量隨引導(dǎo)角度的增加而降低，引導(dǎo)角度為0°時，吸收能量最大，但此時試樣載荷波動較大，變形不穩(wěn)定，吸能效果不理想。

(2)引導(dǎo)角為10°和20°時，試樣無過大載荷波動，壓縮變形比較穩(wěn)定，好于0°變形結(jié)果；同時，引導(dǎo)角為10°的載荷峰值和吸收能量略高于引導(dǎo)角為20°時試驗結(jié)果，說明引導(dǎo)角為10°時吸能特性較好，相對理想。

(3)壓潰試驗速度對鋁合金吸能盒的吸能特性影響并不明顯。