鋁合金薄壁橢圓管替代傳統(tǒng)吸能泡沫材料的保險杠吸能結構改進

韋孟洲，莫 毅，王彰云

(1.廣西工業(yè)職業(yè)技術學院 汽車工程系，廣西 南寧 530001；2.廣西工業(yè)職業(yè)技術學院 中興通訊網絡學院，廣西 南寧 530001)

汽車保險杠是汽車的重要部件之一，它有美觀裝飾和安全保護等多項功能，其性能好壞直接關系到汽車的行駛安全[1-2]。低速碰撞性能是影響汽車保險杠保護功能的關鍵因素之一，國內專家對此進行了大量研究[3-5]，例如清華大學依據汽車與行人碰撞安全性測試方法與規(guī)則，對汽車碰撞部件進行了沖擊試驗研究；湖南大學采用計算機仿真技術針對人車碰撞事故中行人下肢碰撞安全性保護評價進行了改進研究等。

目前，由于汽車保險杠的吸能結構存在成本過高、制造工藝復雜等問題，使得高性能吸能結構在汽車保險杠的設計制造中無法得到普及應用[6-7]。金屬薄壁結構其本身的比吸能值較高、結構較為簡單，同時在面臨汽車碰撞沖擊后依然能夠保持較穩(wěn)定的扭曲、彎曲變形效果[8]，因此成為近些年來世界各國針對汽車保險杠的吸能結構的一個新研究方向[9]。本項目以某乘用車的保險杠為研究對象，針對原汽車保險杠在人車碰撞時的小腿保護性能、低速碰撞性能進行分析研究，然后結合研究結果以鋁合金薄壁管為基礎對其保險杠的吸能結構參數進行設計優(yōu)化，為汽車保險杠的保護功能改進提供參考。

1 原汽車保險杠的小腿保護性能及低速碰撞性能分析

1.1 原汽車保險杠的結構分析

以某乘用車為研究對象，其保險杠系統(tǒng)組成內容涵蓋蒙皮結構、縱梁結構、橫梁結構、吸能泡沫等，該結構系統(tǒng)的主要參數(材料密度、彈性模量、泊松比、屈服應力)如表1所示。

表1 保險杠主要零部件及相關參數Table 1 Main parts and related parameters of bumpers

1.2 原汽車保險杠的行人小腿保護性能分析

本研究用有限元模型為分析方法、以歐盟行人保護法規(guī)EEVC為依據開展實物試驗，所用實物為外覆泡沫剛性件組成的小腿沖擊器模型，其中小腿股骨為鋼質剛性件、小腿脛骨為鋁質剛性件、膝關節(jié)結構為可變形鋼質材料。小腿肌肉由25 mm厚度的泡沫材料組成、小腿皮膚則由6 mm橡膠層材料組成。研究中所用小腿沖擊器總重量為13.4 kg，包含小腿結構4.8 kg、大腿結構8.6 kg；小腿沖擊器模型總長度為(926±5)mm，包括小腿直徑(70±1)mm、大腿直徑(70±1)mm。實物試驗過程為人車碰撞過程。

通過仿真分析可得到小腿沖擊器在人車碰撞時所吸收的能量曲線，如圖1所示。

結合圖1可發(fā)現(xiàn)，本次實物試驗中整個碰撞過程共產生了827 kJ能量，且能量保持較為穩(wěn)定的變化趨勢，同時碰撞過程中產生的沙漏能量為34.3 kJ，

占據變形吸能總量的4.1%，說明碰撞過程中對沙漏能量控制效果良好。此外，碰撞過程中產生的最大內能為781.6 kJ，內能變化趨勢為迅速增大并直至峰值后緩慢下降，后續(xù)變化過程中逐漸保持穩(wěn)定；碰撞過程中產生的最大動能為802.4 kJ，動能迅速下降至最低點后緩慢上升，后續(xù)變化過程中逐漸保持穩(wěn)定。

對本次實物試驗中的碰撞過程進行具體分析，小腿沖擊器模型與保險杠蒙皮最先發(fā)生接觸，接觸時間為碰撞后0.006 s；碰撞后0.018 s小腿沖擊器模型與保險杠發(fā)生碰撞，對保險杠產生相應的壓縮、擠壓反應，此時保險杠系統(tǒng)所承受的內能為整個碰撞過程中的最高值；碰撞后0.04 s小腿沖擊器模型與保險杠脫離，此時保險杠所承受的內能已經下降至穩(wěn)定趨勢、動能則增長至穩(wěn)定趨勢。以小腿沖擊器模型在整個碰撞過程中的加速度g為基礎繪制時間曲線，可知小腿沖擊器模型在整個碰撞過程中其最大加速度峰值為151.3g，與歐盟行人保護法規(guī)EEVC要求對比明顯超出閾值，因此當前汽車保險杠在與行人發(fā)生碰撞的過程中可能導致行人小腿骨折等嚴重安全事故。

1.3 原汽車保險杠的低速碰撞性能分析

本研究以我國汽車前后端保護裝置法規(guī)(GB17354)中規(guī)定的低俗碰撞評價法則為依據，同時以顧立強等人發(fā)表的汽車固定保險杠簡單碰撞等效轉換法則為基礎，通過有限元仿真方法構建汽車低速碰撞模型，并進行了仿真。仿真得到碰撞能量隨時間的變化曲線如圖2所示。

從圖2中可知，整個碰撞過程中碰撞系統(tǒng)所產生的總能量為508.5 kJ，其中內能最大值為421.7.1 kJ、沙漏能最大值為6.9 kJ，沙漏能與內能最大值的比例為1.4%，此過程中沙漏能符合GB17354中的規(guī)定要求。同時碰撞過程中在碰撞系統(tǒng)總能量始終未發(fā)生較大變化的基礎上，保險杠在碰撞后其動能減小時內能增加、動能升高時內能降低。結合碰撞能量與時間的變化曲線可得知，碰撞后0.134 s碰撞系統(tǒng)與保險杠蒙皮結構開始接觸；碰撞后0.154 s保險杠吸能泡沫開始產生擠壓反應；碰撞后0.204 s保險杠所承受的擠壓值達到最大。整個碰撞過程中，保險杠蒙皮結構產生的最大變形位移為54.7 mm，但在碰撞過程結束后0.3 s基本恢復原有形狀。結合有限元分析結果可知，有限元模型節(jié)點15631處為橫梁變形最大值，其位于有限元模型中間階段且最大變形位移為15.9 mm。另外結合原汽車保險杠橫梁與散熱器等部件的距離來看，分析結果遠小于70 mm的實際距離。由低速碰撞性能測驗結果可知：當前汽車保險杠在發(fā)生低速碰撞時其保險杠橫梁結構不會對后續(xù)零部件產生破壞性影響，汽車低速碰撞性能符合法律規(guī)定。

2 以鋁合金薄壁管為基礎對其保險杠的吸能結構進行優(yōu)化

依據原汽車保險杠的小腿保護性能與低速碰撞性能的分析結果，同時以鋁合金薄壁管為基礎對其保險杠結構進行優(yōu)化，在保證原汽車保險杠的吸能低速碰撞性能的基礎上，提升原汽車保險杠的小腿保護性能。結合原汽車保險杠的結構組成進行分析，發(fā)現(xiàn)保險杠中縱梁結構為吸能部件，但剛度較高，與汽車保險杠整體的小腿保護性能存在沖突之處；吸能泡沫是汽車保險杠的主要吸能裝置，且直接影響到汽車保險杠的小腿保護性能，由于其基本形狀和結構均已確定，不利于進行大幅度改造。因此本次研究決定采用以鋁合金薄壁橢圓管為基礎對保險杠的吸能結構進行全面改進和優(yōu)化。

2.1 吸能結構的優(yōu)化

2.1.1 材料選擇

當前汽車行業(yè)在保險杠的吸能結構的材料選擇中多以鋼鐵類金屬材料為主，而鋁合金材料因具有密度較低、吸能性好、延展性好等諸多優(yōu)點，是當前汽車保險杠在金屬薄壁結構設計中常用的材料類型。此外，鋁合金還具有較好的擠壓成型特性，能夠基于設計者的不同思路而制作成相應的結構形狀，因此，本研究選擇6061-T6鋁合金作為主要材料，其性能參數為：密度2.7×103kg/m3，彈性模量70 GPa、屈服強度110 N/mm2、抗拉強度213 N/mm2、伸長率19%。

2.1.2 結構設計

本項目采用鋁合金薄壁管結構作為吸能元件的主要結構類型。同時選擇徑向沖擊薄壁鋁合金管結構作為吸能緩沖結構，以滿足對原保險杠小腿保護性能的提升需求。結合前人對橢圓截面薄壁管的特性研究結果[8-9]，選擇長半徑/短半徑為2的橢圓薄壁管長徑方向裝置作為吸能結構的主要結構類型。

2.1.3 尺寸設計

原汽車保險杠前端泡沫填充物體積測量結果為長1 000 mm、寬120 mm、高120 mm。同時結合原汽車保險杠前端泡沫填充物的實際安裝便捷性，于橢圓長半徑方向設計上下兩端的安裝槽，最終保險杠的吸能結構如圖3所示。

2.2 吸能結構的參數優(yōu)化

2.2.1 橢圓薄壁管設計參數對其性能的影響分析

本項目以鋁合金橢圓薄壁管的長度數值、厚度數值作為具體的測試參數，結合汽車保險杠碰撞沖擊測試結構對其設計參數進行全面分析。首先對橢圓薄壁管厚度與其碰撞性能的關系進行分析測驗，以橢圓薄壁管長度50 mm為基礎數據，分別測驗橢圓薄壁管在1 mm、1.2 mm、1.6 mm、2.0 mm厚度情況下的碰撞性能；其次針對橢圓薄壁管長度與其碰撞性能的關系進行分析測驗，以橢圓薄壁管厚度0.8 mm為基礎數據，分別測驗橢圓薄壁管在60 mm、80 mm、100 mm、120 mm長度情況下的碰撞性能。碰撞過程中需要將橢圓薄壁管通過安裝槽安裝于剛性塊中，對其后端6個方向的自由度進行固定約束，以前端為自由端并伴隨質量塊的沖擊進行碰撞。

結合橢圓薄壁管在碰撞試驗中的變形情況可以得知：鋁合金橢圓薄壁管其長軸方向受到撞擊時會以長徑方向為對稱軸出現(xiàn)彎曲、變形等現(xiàn)象。對于不同厚度、不同長度的橢圓薄壁管的碰撞能量隨時間的變化曲線分別如圖4、圖5所示。

結合其仿真分析結果可知：本測試結果中鋁合金橢圓薄壁管最大吸能值隨薄壁管本身厚度與長度的增加而不斷升高直至其最大吸能值，同時，單位時間內橢圓薄壁管本身吸能環(huán)結構的吸能值伴隨薄壁管厚度與長度的增加而不斷升高。橢圓薄壁管內能在升高至最大值后存在明顯下降趨勢，此時橢圓薄壁管在碰撞過程中出現(xiàn)回彈現(xiàn)象。而橢圓薄壁管內能曲線發(fā)生小幅度波動的原因在于薄壁管吸能環(huán)結構在碰撞結束后自發(fā)出現(xiàn)振動。

另外，在本測試中，橢圓薄壁管仍然處于可壓縮范圍的情況下其壓縮位移不斷增加，同時薄壁管的吸能值也處于上升趨勢，且薄壁管能量吸收效果在初始階段所引發(fā)的位移相較于后續(xù)階段更大。在橢圓薄壁管位移變化相同的情況下，薄壁管的厚度、長度越大，則其在碰撞過程中能夠吸收的能量峰值越高。因此總體來說，提升橢圓薄壁管的長度和厚度，是提升橢圓薄壁管碰撞能量吸收效果的有效措施。

2.2.2 仿真模型分析

對鋁合金橢圓薄壁管的參數設計如表2所示。對汽車保險杠改進后的小腿保護性能、配低速碰撞性能進行仿真分析，以小腿沖擊器模型碰撞過程中的小腿加速度值、低速碰撞過程中的橫梁入侵位移數值作為基礎參數，以小腿沖擊器模型碰撞過程中的最大吸能值作為參考數據，同時針對橫梁位移、小腿加速度值、變形吸能值進行擬合計算，提取小腿最大加速度值G、橫梁位移入侵值L、變形吸能值W、薄壁管長度n，薄壁管厚度m得到相應的擬合函數，針對計算結果結合橢圓薄壁管填充結構的模型參數進行優(yōu)化計算。其優(yōu)化目的在于使汽車保險杠在碰撞過程中的比吸能值提升至最高、小腿加速度值符合規(guī)定、低速碰撞過程中橫梁位移入侵量低于之前原有保險杠數值，因此其優(yōu)化計算公式模型如公式(1)所示。

表2 鋁合金橢圓薄壁管的參數設計Table 2 Parameter design of the aluminum alloy elliptical thin-walled tube

MaximizeW(m,n)

s.t.G(m,n)≤150g

L(m,m)≤160

1≤n≤2

50≤m≤120

(1)

最終上述函數擬合后通過Matlab優(yōu)化工具進行最優(yōu)解計算，通過的優(yōu)化得到性能最佳時的m為2.34 mm，n為120 mm，W為582 kJ，L為4.00 mm。

對上述函數結果進行圓整處理，由結果可知：當吸能環(huán)厚度為2 mm、長度為120 mm時，汽車保險杠在碰撞過程中所獲得的緩沖吸能效果是最好的。此時汽車保險杠系統(tǒng)在小腿沖擊器模型低速碰撞過程中吸收的能量為558.20 kJ，小腿沖擊器模型在低速碰撞中的加速度值為132g，但低于原汽車保險杠低速碰撞試驗中的152g，橫梁位移入侵量為3.98 mm低于原汽車保險杠低速碰撞試驗中的16.2 mm。由此可見，研究改進后的汽車保險杠吸能結構在小腿保護性能、低速碰撞性能上均有顯著進步，且均符合歐盟行人保護法規(guī)EEVC中的相關規(guī)定。

3 結束語

汽車保險杠對汽車行駛過程中的行人保護功能、汽車零件保護功能等均有重要影響。對某乘用車保險杠系統(tǒng)的結構組成、保護性能等進行了分析測驗，同時以鋁合金橢圓薄壁管為基礎對其保險杠系統(tǒng)進行了優(yōu)化改進，將改造重點集中在保險杠吸能泡沫結構材料與結構參數的改進上，最終以鋁合金橢圓薄壁管長度和厚度參數的分析優(yōu)化為基礎，得到新型保險杠的結構參數最優(yōu)解，仿真結果顯示經過改進后的新型保險杠在小腿保護性能、低速碰撞性能上均有顯著改善。