泡沫鋁在汽車結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用

呂學(xué)奎 郝俊鋒

摘要： 隨著工業(yè)的發(fā)展，汽車的數(shù)量與日俱增，車輛的碰撞事故每時每刻都在發(fā)生，為了有效降低車輛發(fā)生碰撞給乘客造成的傷害，汽車逐步采用吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計是所有現(xiàn)代乘用車的基本設(shè)計思路。吸能設(shè)計就是在車身的非關(guān)鍵部位，盡量的形變以吸收動能，來保證車內(nèi)乘員的生存空間。泡沫鋁作為良好的輕質(zhì)吸能部件在汽車領(lǐng)域被越來越多的應(yīng)用。

Abstract： With the development of industry， the number of automobiles is increasing day by day， and vehicle collision accidents occur all the time. In order to effectively reduce the damage caused by vehicle collisions to passengers， the basic idea of automobile design is to gradually adopt energy-absorbing structure design. Energy absorption design is to deform as much as possible to absorb kinetic energy in non-critical parts of the car body to ensure the living space of the occupants in the car. As a good lightweight energy-absorbing component， foamed aluminum is increasingly used in the automotive field.

關(guān)鍵詞： 車身結(jié)構(gòu);吸能;泡沫鋁

Key words： body structure;energy absorption;foamed aluminum

中圖分類號：U463.1????????????????????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A????????????????????????????????? 文章編號：1674-957X（2021）21-0033-02

0? 引言

汽車發(fā)生撞擊時，會產(chǎn)生巨大的撞擊力，如果撞擊力直接作用在車身，那么車身會發(fā)生大范圍變形甚至損壞，此產(chǎn)生的沖擊能量如果作用在乘客，乘客會受到嚴(yán)重傷害;現(xiàn)代車身設(shè)計大多會考慮吸能設(shè)計，其大體分為潰縮吸能和解體吸能兩種。為了防止撞擊后碎片的二次傷害及對周圍環(huán)境的次生傷害，民用車大多使用潰縮吸能，賽車等專用車大多使用解體吸能。軍用防雷等特殊場景則采用吸能材料直接吸收沖擊能，本文主要以民用車進(jìn)行探討。

1? 車身吸能結(jié)構(gòu)的作用

最早的汽車潰縮設(shè)計目的是在發(fā)生碰撞時，用車身非關(guān)鍵部位產(chǎn)生變形來吸收碰撞時產(chǎn)生的沖擊力。當(dāng)車輛發(fā)生碰撞后突然減速時，乘客仍然在慣性下高速向前，巨大的慣性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人類軀體的承受能力。潰縮設(shè)計，就是用來為突然減速提供一定的緩沖，以降低乘客可能遭受到的最大損害。在世界各國的汽車行業(yè)，潰縮設(shè)計，已經(jīng)成為了衡量一輛汽車安全與否的重要依據(jù)。

2? 泡沫金屬

在傳統(tǒng)的工程材料中，孔洞（宏觀或微觀的）被認(rèn)為是一種結(jié)構(gòu)缺陷，因為它們往往是裂紋形成和擴(kuò)展的核心，對材料的物理性能及力學(xué)性能產(chǎn)生不利的影響。但是，當(dāng)材料中孔洞的數(shù)量（即孔隙率）增加到一定程度后，材料就會因孔洞的存在而產(chǎn)生一些特殊的功能，從而形成了一個新的材料門類，這就是所謂的多孔（porous）材料，亦可稱為泡沫材料[1-3]。泡沫金屬具有一系列的優(yōu)良性能：孔隙率高、高比強(qiáng)度、高比剛度、吸能、阻尼減震性能好、耐腐蝕、耐高溫、電磁屏蔽、無毒、易加工、可進(jìn)行涂裝表面處理等等[4-7]。由于其優(yōu)異的物理、力學(xué)性能，泡沫金屬既可作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用，也可作為功能材料應(yīng)用。一般情況下它兼具功能和結(jié)構(gòu)雙重作用，是一種功能和結(jié)構(gòu)一體化的性能優(yōu)異的多功能工程材料。由于泡沫金屬本身擁有力學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、電磁學(xué)上的諸多物理特性[4]。使用泡沫金屬結(jié)構(gòu)材料，利用泡孔的超輕結(jié)構(gòu)和緩沖吸能的特性達(dá)到吸能作用，目前泡沫鋁在我國是研究最廣泛的多孔金屬，故現(xiàn)在各大主機(jī)廠把泡沫鋁作為吸能填充材料的優(yōu)選。

3? 鋁基泡沫鋁特性

鋁基泡沫鋁具有超低密度，目前國際前沿的泡沫鋁工藝技術(shù)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)成型密度在0.25-0.8g/cm3之間進(jìn)行精確控制，是輕量化的優(yōu)質(zhì)金屬材料;同時其具有高強(qiáng)度，其抗彎比剛度可以達(dá)到鋼的1.3-1.5倍;吸能性上能夠達(dá)到2-10MPa的吸能平臺;吸聲性能方面經(jīng)過試驗數(shù)據(jù)測試吸聲系數(shù)可高達(dá)0.9以上，降噪系數(shù)0.5;減振性能上能夠使機(jī)械振動降低2個數(shù)量級，阻尼性能經(jīng)過測算可以達(dá)到金屬鋁合金的5-10倍;防護(hù)性能上能夠使爆炸沖擊波呈指數(shù)衰減，其能量吸收能力3-6kJ/cm2。

4? 泡沫鋁在汽車結(jié)構(gòu)的典型應(yīng)用場景

4.1 汽車前后防撞單元

汽車前防撞吸能在車頭到駕駛室之間，用不同強(qiáng)度的金屬材料，從車頭開始，設(shè)計成階梯式強(qiáng)度不同的區(qū)域，在發(fā)生碰撞時，最脆弱的車頭先發(fā)生潰縮變形，其次是第二段，然后第三段，在依次潰縮變形中，逐步最大化的吸收碰撞產(chǎn)生的沖擊能量，保證乘客艙的安全，如圖1所示。

基于某乘用車設(shè)計一款吸能盒，此吸能盒采用鋁基泡沫鋁材料作為芯部吸能減震材料，芯部泡沫鋁采用厚度20mm，密度0.6g/cm3-0.8g/cm3進(jìn)行填充;外骨架采用6061鋁合金結(jié)構(gòu)，并在外骨架設(shè)置潰縮點(diǎn)，二者進(jìn)行釬焊復(fù)合，通過此種方式可以實(shí)現(xiàn)輕量化的汽車吸能盒，并具有良好的吸收撞擊動能的功能;配合安裝點(diǎn)、安裝形式等結(jié)構(gòu)設(shè)計達(dá)到汽車安裝要求，如圖2所示。

4.2 乘客艙底板

利用鋁基泡沫鋁具有良好的吸能吸聲特性，可以使用一種“三明治”泡沫鋁材料制作汽車地板，在保證強(qiáng)度和剛度的同時可以有效達(dá)到隔震隔音的效果，相對于實(shí)體板材可以降噪2-4倍，從而提升車輛舒適性，大幅度降低車輛行駛過程中的噪音，如圖3所示。

4.3 電動汽車電池箱

利用鋁基泡沫鋁具有優(yōu)良的振動阻尼，純電汽車的電池箱在底板和側(cè)圍板填充泡沫鋁可以有效吸能防震，對電池形成保護(hù)。如車身發(fā)生碰撞，電池箱的側(cè)圍板潰縮吸能，同時通過結(jié)構(gòu)將力進(jìn)行一定程度轉(zhuǎn)移，有效防止電芯損毀，一定程度上可以降低碰撞后爆炸起火的可能性。同樣泡沫鋁具有良好的防火特性，經(jīng)過處理的泡沫鋁可以在700℃下可保持25分鐘不熔化，即使在電池出現(xiàn)燃燒情況下，也可以有效形成保護(hù)，為乘客逃生贏得關(guān)鍵時間。

以某創(chuàng)新設(shè)計方案為例，設(shè)計一種填充鋁基泡沫鋁材料的新能源電動汽車的電池箱，經(jīng)過模擬計算測得約束模態(tài)可以實(shí)現(xiàn)大于40Hz的第一階模態(tài);在電池系統(tǒng)布置區(qū)域均布電池模組等部件的質(zhì)量的情況下，模型分別施加Z向4G的加速度，X向±1G的加速度，正X向1G、負(fù)Z向1G的加速度，負(fù)X向1G、負(fù)Z向1G的加速度，正Y向1G、負(fù)Z向1G的加速度，負(fù)Y向1G、負(fù)Z向1G的加速度等多種強(qiáng)度工況，其最終結(jié)果能實(shí)現(xiàn)底部變形量小于1.5mm，不產(chǎn)生屈服及應(yīng)力集中;在零部件進(jìn)行半圓柱體擠壓實(shí)現(xiàn)的過程中，分別使用半徑？準(zhǔn)50mm、？準(zhǔn)75mm，高度500mm的直半圓柱體，施加單位載荷進(jìn)行測試，測試結(jié)果電池箱體變形量小于箱體與模組之間的空間間隙，變形量不會對電池組產(chǎn)生影響，綜上可見“三明治”結(jié)構(gòu)的電池箱設(shè)計方案可以滿足設(shè)計及使用要求，通過顯著的輕量化效果，可以有效提高電池的能力密度，增加車輛的續(xù)航能力，如圖4所示。

4.4 車身局部吸能結(jié)構(gòu)

隨著新能源電動車的發(fā)展，車身結(jié)構(gòu)已經(jīng)從鋼結(jié)構(gòu)逐步變成鋼鋁混合車身，現(xiàn)在全鋁車身也日益成熟。如果在鋁合金車身填充泡沫鋁，剛度預(yù)計可以提升1.5-2倍以上，阻尼，防震能力也能提高2倍以上，如圖5所示。

5? 結(jié)語

鋁基泡沫鋁材料以其超低的密度、高比強(qiáng)度、高比剛度、吸能等特性，能在輕量化車身上作為重要吸能結(jié)構(gòu)件，可以有效提升車身吸能平臺，在保證輕量化指標(biāo)的前提下提升汽車車身剛度;隨著工藝的成熟，復(fù)合手段的提高，復(fù)合泡沫鋁材料必將能夠在汽車各類結(jié)構(gòu)件帶來更大的變革。

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