高強(qiáng)度鋁合金型材防撞梁碰撞性能研究

劉云剛 王鵬 曹海龍 夏廣明 井琦 田宇興

（1. 中鋁材料應(yīng)用研究院有限公司，北京 102209；2. 中國第一汽車股份有限公司材料與輕量化研究院，長春 130011）

1 前言

在全球節(jié)能減排的發(fā)展趨勢下，降低燃料消耗和限制尾氣排放已經(jīng)被列為汽車技術(shù)發(fā)展的重要目標(biāo)，而車身輕量化是一項重要的技術(shù)途徑。在眾多輕量化材料中，如果以材料的整個生命周期考量，鋁合金具有極大優(yōu)勢和競爭力。鋁合金具有高比強(qiáng)度、高耐蝕性、可回收再利用的優(yōu)異性能，以板材、型材、鍛件和鑄件的形式廣泛應(yīng)用于汽車零部件。與歐美、日本等國家的汽車公司相比，我國自主品牌汽車在鋁合金應(yīng)用領(lǐng)域起步較晚，在鋁合金的選擇、新合金開發(fā)、設(shè)計制造、應(yīng)用技術(shù)和性能測評方面還處于跟跑或并跑階段。

目前，鋁合金擠壓型材應(yīng)用于汽車零部件相對比較成熟，防撞梁總成、前縱梁等車身結(jié)構(gòu)件主要應(yīng)用6XXX 系、7XXX 系鋁合金。此類零部件均為碰撞安全相關(guān)的承力構(gòu)件，開發(fā)的關(guān)鍵是以性能需求為導(dǎo)向開展正向設(shè)計與性能評價，而這種技術(shù)手段在我國零部件供應(yīng)端還沒有完整地建立起來。鋁型材零部件的設(shè)計包括合金牌號的選擇、斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計、外形結(jié)構(gòu)設(shè)計、總成剛度與強(qiáng)度校核、碰撞性能預(yù)測[1]；性能評價包括彎曲試驗、碰撞試驗、扭轉(zhuǎn)試驗。隨著計算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展，鋁型材零部件的開發(fā)已經(jīng)將仿真模擬和試驗驗證緊密結(jié)合起來[2]。

本研究通過仿真模擬的方法，研究不同性能的鋁型材防撞橫梁和吸能盒組合匹配對防撞梁總成綜合性能的影響；通過臺車碰撞試驗，研究鋁合金防撞梁總成的綜合性能，為新型高強(qiáng)度防撞梁總成開發(fā)提供參考數(shù)據(jù)。

2 碰撞性能分析方法

2.1 CAE分析方法

采用有限元模擬方法，根據(jù)某鋁合金防撞梁結(jié)構(gòu)，采用殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，考慮計算時間效率及精度，單元平均尺寸設(shè)定為5 mm。根據(jù)RCAR 低速結(jié)構(gòu)碰撞測試協(xié)議，建立基于RCAR 低速碰撞模型，開展鋁合金防撞梁總成的低速碰撞CAE 分析，建立低速碰撞性能與材料性能的關(guān)系。型材采用殼單元并賦予實際料厚；壁障采用實體單元；碰撞速度試驗要求為（15±1）km/h，考慮最惡劣工況，碰撞速度設(shè)置為16 km/h[3]。低速碰撞時，因為乘員安全沒有受到威脅，所以要求保護(hù)車輛主體，即防撞梁變形盡可能減小，以降低車輛碰撞損傷修復(fù)所需要的費用，因此主要考察指標(biāo)包括侵入量及吸能量。

基于C-NCAP 法規(guī)開展防撞橫梁總成100%正面剛性墻碰撞模擬，建立高速碰撞性能與材料性能的關(guān)系。鋁合金防撞梁型材采用殼單元，剛性壁障采用Rigidwall 定義；防撞梁系統(tǒng)與剛性壁障設(shè)置自動面面接觸，防撞梁系統(tǒng)建立自動單面接觸；碰撞速度設(shè)置為50 km/h。高速碰撞時，以最大程度保護(hù)乘員安全為目的，即要求乘員空間不受影響的前提下，防撞梁盡量變形，防撞梁傳遞到后端的力越小越好，因此主要考察指標(biāo)為吸能量及吸能盒后端最大截面力。

本研究所用材料均為6XXX 系鋁合金，防撞橫梁型材和吸能盒型材所用化學(xué)成分范圍見表1。經(jīng)化學(xué)成分和微觀組織調(diào)控，獲得不同力學(xué)性能的“日”字型橫梁型材和“目”字型吸能盒型材，力學(xué)性能見表2。

表1 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

表2 室溫拉伸性能

2.2 試驗方法

臺車碰撞試驗條件為：總成安裝水平位置與臺車車體主體結(jié)構(gòu)處于同一平面；臺車側(cè)端和頂部各有一臺高速攝像，記錄碰撞過程共布置6 個加速度傳感器，臺車試驗安裝如圖1 所示。試驗?zāi)繕?biāo)是對防撞梁總成樣件變形行為和吸能特性進(jìn)行綜合評價。

圖1 鋁合金防撞梁總成臺車試驗安裝

3 結(jié)果與分析

3.1 鋁合金防撞梁總成低速碰撞分析

為研究橫梁和吸能盒所用鋁型材性能與碰撞性能的關(guān)系，開展了基于RCAR 的前防撞梁低速碰撞CAE 分析，力學(xué)性能按照表2 中所列賦予，不同橫梁與吸能盒組合的防撞梁總成低速碰撞性能模擬結(jié)果見圖2。由圖2a 可見，在橫梁抗拉強(qiáng)度為380 MPa 的條件下，增大吸能盒抗拉強(qiáng)度（從220 MPa 增大到280 MPa），最大侵入量明顯降低，降幅約為15 mm，這對低速碰撞性能有利；同時由于吸能盒強(qiáng)度增大，低速碰撞導(dǎo)致的變形量有限，導(dǎo)致其吸能量有減小趨勢；由于外界輸入總能量不變，橫梁的吸能量有增大趨勢。由圖2b 可見，在吸能盒抗拉強(qiáng)度為250 MPa 的條件下，增大橫梁強(qiáng)度（從340 MPa 增大到400 MPa），最大侵入量等性能參數(shù)的變化均不明顯。這表明在低速碰撞條件下，橫梁的強(qiáng)度對防撞梁總成的綜合性能不敏感；而吸能盒強(qiáng)度與低速碰撞性能密切相關(guān)。為提升防撞梁低速碰撞性能，即在碰撞時減小防撞梁變形，理論上要求在滿足吸能的條件下提高吸能盒的強(qiáng)度。

圖2 不同橫梁與吸能盒組合的防撞梁總成低速碰撞性能

3.2 鋁合金防撞梁總成高速碰撞分析

除了計算低速碰撞外，防撞梁總成的設(shè)計還要結(jié)合高速碰撞結(jié)果而選擇合理的方案。高速碰撞時，以最大程度保護(hù)乘員安全為目的，即要求乘員空間影響較小的前提下，防撞梁盡量發(fā)生變形而吸收能量，以減小防撞梁傳遞到縱梁的力，從而減小對乘員的沖擊。圖3 是不同橫梁與吸能盒組合的防撞梁總成高速碰撞性能模擬結(jié)果。

從圖3a 可見，橫梁抗拉強(qiáng)度為380 MPa 的條件下，吸能盒抗拉強(qiáng)度從220 MPa 升高到280 MPa，防撞梁高速碰最大吸能量增大，同時吸能盒最大截面力明顯增大，傳到后方縱梁的力增大。這表明吸能盒材料強(qiáng)度提高將導(dǎo)致防撞梁高速碰撞吸能量會增大，但吸能盒后端最大截面力明顯增大，表明縱梁受力增大。由于吸能盒壓潰應(yīng)提前于縱梁，吸能盒強(qiáng)度應(yīng)低于縱梁的強(qiáng)度，因此吸能盒強(qiáng)度應(yīng)在一定范圍內(nèi)，使防撞梁保持一定的吸能量，同時使得吸能盒后端的截面力不能過大。從圖3b可見，吸能盒抗拉強(qiáng)度為250 MPa 的條件下，橫梁強(qiáng)度從340 MPa 增大380 MPa，吸能盒的吸能量保持不變，但橫梁的吸能量略有增大，吸能盒最大截面力顯著減小，可見在高速碰撞工況下，橫梁強(qiáng)度提升有利于防撞梁高速碰撞性能。

圖3 不同橫梁與吸能盒組合的防撞梁總成的高速碰撞性能

3.3 高強(qiáng)度鋁合金型材開發(fā)

基于仿真模擬結(jié)論，即提高橫梁的強(qiáng)度對高速碰撞至關(guān)重要，高速碰撞條件下高強(qiáng)度的橫梁有利于乘員保護(hù)，因此采用更高強(qiáng)度的鋁型材是汽車防撞梁總成性能提升的關(guān)鍵。具有易擠壓、低成本和可焊性優(yōu)勢的6XXX 型材正逐步開展高強(qiáng)度化開發(fā)，當(dāng)前350 MPa 以上強(qiáng)度級別的6XXX鋁合金已初步完成開發(fā)[3-4]，并將逐漸推向應(yīng)用。

本研究在表1 所示化學(xué)成分范圍內(nèi)，以時效工藝調(diào)控為主要手段，制備了抗拉強(qiáng)度380 MPa 的6XXX 系擠壓型材，延伸率不低于12%。圖4a 為175 ℃時效溫度條件下，時效時間-力學(xué)性能曲線。考慮到型材在碰撞過程中發(fā)生彎曲變形，彎曲抗力是重要的參數(shù)[5-6]。圖4b 為380 MPa 級型材切片彎曲試驗的載荷-位移曲線，可見高強(qiáng)度6XXX 型材的極限彎曲抗力高于常規(guī)6082 型材，盡管失效時間有所提前，但抵抗彎曲力所吸收的能量大于常規(guī)6082 合金。

圖4 高強(qiáng)度型材的力學(xué)性能

高強(qiáng)度6XXX系鋁型材除了在成分和時效工藝進(jìn)行調(diào)控外，還在晶粒組織上進(jìn)行優(yōu)化。圖5為中強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度365 MPa）和高強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度380 MPa）6XXX 型材的金相組織，中強(qiáng)型材和高強(qiáng)型材采用的成分和時效工藝一致，中強(qiáng)型材主要是粗大的帶狀晶粒，且含有少量等軸再結(jié)晶組織；而高強(qiáng)度型材是細(xì)小的帶狀晶粒?？梢娫诔煞趾蜁r效工藝一致的前提下，通過優(yōu)化微觀晶粒組織，形成細(xì)小的帶狀晶粒在一定程度上能夠提高型材強(qiáng)度。

圖5 6XXX擠壓型材的金相組織

3.4 防撞梁總成性能測評

基于碰撞仿真模擬結(jié)果和高強(qiáng)度型材的制備，進(jìn)一步開展高性能防撞梁總成的性能測評。由于高強(qiáng)度吸能盒有利于低速碰撞性能，而高強(qiáng)度橫梁有利于高速碰撞性能；考慮到高強(qiáng)度防撞梁系統(tǒng)最主要功能在于高速狀態(tài)提供安全保護(hù)。因此，制備了2 組性能配合的防撞梁總成，研究高強(qiáng)度橫梁的碰撞試驗效果，兩組防撞梁總成材料性能對比詳見表3。

表3 兩組防撞梁總成材料性能對比

防撞梁碰撞試驗力-時間曲線見圖6?？梢钥闯?，具有高強(qiáng)度橫梁的總成在碰撞過程中車體所受碰撞力明顯低于強(qiáng)度較低橫梁的總成，最高碰撞力降低近100 kN；即高強(qiáng)度橫梁的大塑性變形引起的較大吸能量降低了車體所受的外界沖擊力。速度-時間曲線見圖7。從速度變化曲線可見，2 款防撞梁的從碰撞開始到最終速度衰減為零，所用的時間基本相等，但防撞梁最大變形量即壓縮量存在差異，高強(qiáng)度防撞梁總成的最大壓縮量小于較低強(qiáng)度的防撞梁總成。從碰撞力曲線、變形量-時間曲線來看，高強(qiáng)度橫梁有利于提高防撞梁總成的力學(xué)性能，有利于車內(nèi)乘員的安全保護(hù)。

圖6 兩款防撞梁總成的碰撞力時間曲線

圖7 兩款防撞梁總成的速度-時間及變形量-時間曲線

4 結(jié)論

以鋁合金型材典型應(yīng)用構(gòu)件—前防撞梁總成為研究對象，通過仿真模擬研究了防撞梁總成基于RCAR 的低速碰撞性能和基于C-NCAP 的高速碰撞性能；基于高強(qiáng)度型材的開發(fā)和防撞梁總成制備，通過臺車碰撞驗證了高強(qiáng)度型材橫梁在防撞梁總成中的作用，結(jié)論如下。

a.在低速碰撞條件下，橫梁的強(qiáng)度對防撞梁總成的綜合性能不敏感；而吸能盒強(qiáng)度與低速碰撞密切相關(guān)，提高吸能盒強(qiáng)度有利于提高低速碰撞性能。

b.在高速碰撞條件下，增大橫梁強(qiáng)度使其吸能量增大，傳遞到吸能盒后端最大截面力顯著減小，橫梁材料強(qiáng)度提升有利于防撞梁高速碰撞性能。

c.基于臺車碰撞試驗獲得的碰撞力曲線、變形量-時間曲線，高強(qiáng)度橫梁有利于提高防撞梁總成的力學(xué)性能，有利于車內(nèi)乘員的安全保護(hù)。