泡沫鋁填充結構改善汽車低速碰撞耐撞性研究

陳夢園, 秦玉英,宿佳敏

(1.遼寧工業大學汽車與交通工程學院,遼寧 錦州 121000; 2.蘇州奧杰汽車技術股份有限公司,江蘇 蘇州 215000)

泡沫鋁材料具有質輕、比剛度高、吸能效果好等諸多優點,通常作為填充物與汽車結構零件結合,以在汽車發生碰撞時有效吸收沖擊能量,從而達到降低車身變形、保護乘員安全的目的[1]。Kun Yang等[2]對比空方管和泡沫鋁填充方管結構的三點彎曲性能,發現填充泡沫鋁材料可以提高方管結構彎曲變形的承載能力和能量吸收性能。王二冬[3]對原保險杠結構和泡沫鋁填充保險杠進行了臺車低速碰撞數值仿真,發現填充泡沫鋁的保險杠的能量吸收比原保險杠提升了6.61%。

目前泡沫鋁已經正式應用到汽車的保險杠、吸能盒、門檻梁、電池包、B柱等關鍵部位。在實際交通事故中,低速碰撞占絕大多數,前防撞梁是前端低速碰撞的主要受力吸能部件,起到吸收碰撞能量,減小其他零部件變形的作用,因此深入研究泡沫鋁材料以改善前防撞梁的耐撞性具有重要意義。本試驗采用準靜態加載的方法研究鋁空管及泡沫鋁填充管的三點彎曲性能,得到其載荷-位移曲線,驗證泡沫鋁填充管仿真模型的可靠性,并建立前防撞梁總成前端低速碰撞有限元仿真模型,模擬證實泡沫鋁填充前防撞梁本體可大幅改善其耐撞性,為今后泡沫鋁在汽車車身上的研究及應用提供參考。

1 試驗方法

1.1 三點彎曲試驗方法

本試驗選用截面尺寸為30 mm×60 mm,壁厚為2.5 mm的6082T4鋁空管和密度為0.56 g/cm3的閉孔泡沫鋁制備試驗樣件。參考YB/T 5349-2014《金屬材料彎曲力學性能試驗方法》[4]的試樣尺寸要求切割鋁空管。為使泡沫鋁能夠順利填充至鋁空管內,設計泡沫鋁與鋁管接觸面兩側間隙共為0.5 mm,以線切割技術切割泡沫鋁芯體,最終泡沫鋁截面尺寸24.5 mm×54.5 mm,長度為600 mm。

在與鋁管接觸的泡沫鋁表面均勻涂上車用粘接膠,將其填充于鋁空管中得到泡沫鋁填充管,再將泡沫鋁填充管置于密閉箱中,加熱至70 ℃,保持40 min,使兩者固連,試樣尺寸如圖1所示。

圖1 試驗樣件Fig.1 Test sample

三點彎曲試驗按照圖2所示進行,樣件對稱放置于兩支輥上,兩支輥的間距為480 mm,壓輥軸線與樣件縱向中心線垂直。試驗開始前,移動壓輥,直至緊貼樣件上表面。試驗開始時,壓輥以2 mm/min的速度向下運動,當壓輥位移達到50 mm或樣件失效時,壓輥停止運動。試驗結束后,得到試驗輸出的載荷-位移曲線。

圖2 三點彎曲試驗示意圖Fig.2 Diagram of three-point bending test

通過對比載荷峰值、吸能總量及比吸能三個性能指標來評價結構的吸能能力,吸能總量(EA)及比吸能(SEA)的計算公式為

(1)

(2)

式中:

d—壓輥位移,mm;

F—樣件所受載荷,N;

m—吸能結構總質量,g。

1.2 三點彎曲有限元仿真模擬方法

利用有限元仿真軟件,建立與鋁空管與泡沫鋁填充管三點彎曲試驗條件一致的有限元仿真模型。鋁空管與支、壓輥采用二維殼單元劃分,泡沫鋁材料采用三維六面體單元劃分,單元尺寸均為5 mm。網格劃分完成后,將表1、圖3及圖4的材料參數賦予仿真模型,設置支、壓輥與試驗樣件之間為面面接觸,約束支輥在x、y、z方向的移動和轉動及壓輥在x、y、z方向的轉動和x、y方向的移動。為了模擬準靜態試驗過程,通過提高加載速率的方法來縮短計算時間,設置壓輥z向移動速度為100 mm/s,同時忽略應變速率對鋁材應力的影響[5],壓輥最終位移與試驗保持一致,仿真模型如圖5所示。

表1 材料參數Table 1 Material parameters

圖3 鋁空管應力-應變曲線Fig.3 Strain-stress curve of aluminum hollow pipe

圖4 泡沫鋁應力-應變曲線Fig.4 Strain-stress curve of aluminum foam

圖5 三點彎曲有限元仿真模型Fig.5 Three-point bending finite element simulation model

通過對比試驗結果與模擬結果的峰值載荷和平均載荷的誤差值判斷模型準確性,誤差值的計算公式為

(3)

泡沫鋁為多孔結構,其密度對填充結構的吸能性能影響最大,本文應用仿真模型研究不同泡沫鋁密度對填充結構承載能力和吸能性能的影響。

在工業應用中,通常采用孔隙率為75%～90%的泡沫鋁材料,孔隙率換算成密度值為0.27 g/cm3～0.675 g/cm3,從該密度范圍內選取0.32 g/cm3、0.42 g/cm3、0.56 g/cm3、0.67 g/cm3共四種密度的泡沫鋁材料進行泡沫鋁填充管三點彎曲仿真試驗研究[6]。

通過式(4)和式(5)計算得出不同密度的泡沫鋁填充管的吸能總量和比吸能的增長情況,判斷適合實際應用的泡沫鋁密度范圍。吸能總量及比吸能的增長速率可表示為

(4)

(5)

式中:

k1—吸能總量增長速率;

k2—比吸能增長速率;

ΔW—吸能總量增量,J;

Δρ—泡沫鋁密度增量,g/cm3;

ΔE—吸能總量增量,J/g。

2 試驗結果及分析

2.1 模型驗證

圖6與圖7分別為鋁空管和泡沫鋁填充管的三點彎曲試驗與模擬的載荷-位移曲線?？梢钥闯?鋁空管和泡沫鋁填充管的模擬結果與試驗結果的曲線趨勢整體均較接近。

圖6 鋁空管三點彎曲試驗與模擬的載荷-位移曲線Fig.6 Load-displacement curves of aluminum hollow pipe in three-point bending test and simulation

圖7 泡沫鋁填充管三點彎曲試驗與模擬的載荷-位移曲線Fig.7 Load-displacement curves of aluminum foam filled pipe tested and simulated at three points

表2為鋁空管和泡沫鋁填充管模擬結果與試驗結果的峰值載荷和平均載荷。鋁空管模擬結果的峰值載荷誤差值為0.7%,平均載荷誤差值為1.5%;泡沫鋁填充管模擬結果的峰值載荷誤差值為1.3%,平均載荷誤差值為0.5%。

表2 鋁空管與泡沫鋁填充管試驗結果與模擬結果對比Table 2 Comparison of test and simulation results of aluminum hollow pipe and aluminum foam filled pipe

鋁空管與泡沫鋁復合結構的模擬結果與試驗結構誤差均在5%以下,該仿真模型較有效地反映實際結構的變形情況。

2.2 鋁空管及泡沫鋁填充管三點彎曲試驗結果及分析

2.2.1 鋁空管與泡沫鋁填充管三點彎曲試驗結果及分析

圖8為鋁空管和泡沫鋁填充管三點彎曲試驗過程。當壓輥位移為25 mm時,空管變形較泡沫鋁填充管變形明顯;當壓輥位移為50 mm時,空管褶皺變形較泡沫鋁填充管嚴重。

圖8 鋁空管和泡沫鋁填充管三點彎曲試驗過程Fig.8 Quasi-static three-point bending experiment of aluminum hollow pipe and aluminum foam filled pipe

從圖9所示的鋁空管和泡沫鋁填充管的載荷與位移關系可以得出,其三點彎曲試驗過程可分為兩個階段:

圖9 鋁空管與泡沫鋁填充管三點彎曲試驗載荷-位移曲線Fig.9 Load-displacement curves of three-point bending test of aluminum hollow pipe and aluminum foam filled pipe

1)彈性彎曲階段Ⅰ:此階段壓輥施加的載荷小于樣件的屈服強度,樣件不發生塑性變形,此時樣件所受載荷快速增加,并與位移呈線性關系,壓輥位移范圍在0～4.5 mm之間。

2)彎曲變形階段Ⅱ:此階段樣件發生塑性彎曲變形,載荷經歷一定的平臺期后隨著位移的增大而減小,壓輥位移范圍在4.5 mm～50 mm之間。

表3為鋁空管與泡沫鋁填充管三點彎曲試驗結果對比?？梢钥吹?泡沫鋁填充管所受峰值載荷比鋁空管高41.4%,吸能總量提高48.8%,比吸能下降8.6%。

表3 鋁空管與泡沫鋁填充管三點彎曲試驗結果對比Table 3 Comparison of three-point bending test results between aluminum hollow pipe and aluminum foam filled pipe

在X光損傷儀下,鋁空管與泡沫鋁填充管的內部變形情況如圖10所示。鋁空管受力位置及附近結構均向下凹陷,填充管內部泡沫鋁起到一定支撐作用,受力位置的兩側出現起皺現象,測得泡沫鋁填充管變形長度為120 mm(見圖10b)。

在鋁空管內填充泡沫鋁可以大幅提高其承載能力及吸能能力,但未起到承載和吸能作用的泡沫鋁會導致整體填充結構的比吸能下降。以下進行只在承載位置填充120 mm泡沫鋁(部分填充)的泡沫鋁填充管三點彎曲試驗,與全填充的泡沫鋁填充管進行對比研究。

2.2.2 部分填充的泡沫鋁填充管三點彎曲試驗結果及分析

圖11為部分填充的泡沫鋁填充管三點彎曲變形結果。與圖10中全填充的泡沫鋁填充管對比可得,兩者均出現受壓下方部位凹陷,受壓兩側起皺變形的現象。

表4為部分填充的泡沫鋁填充管三點彎曲試驗結果對比。與表3中的全填充的泡沫鋁填充管的試驗結果對比可得,部分填充的泡沫鋁填充管所受峰值載荷下降2.9%,吸能總量下降3.3%,比吸能上升43.8%?？梢缘贸?只在承載位置填充泡沫鋁與全填充相比,對其承載能力和吸能總量的負面影響不大,但比吸能卻大幅提高。

表4 部分填充的泡沫鋁填充管三點彎曲試驗結果Table 4 Three-point bending test results of partially-filled aluminum foam filled pipe

2.3 不同泡沫鋁密度的泡沫鋁填充管三點彎曲仿真試驗及分析

表5為不同泡沫鋁密度的泡沫鋁填充管三點彎曲模擬結果對比?？梢钥吹?構成復合結構的泡沫鋁密度越大,其載荷峰值和吸能總量越大,但因填充管總質量遞增的速度超過能量吸收遞增的速度,導致吸能總量與比吸能的增長速度減緩。

表5 不同泡沫鋁密度的泡沫鋁填充管三點彎曲模擬結果對比Table 5 Comparison of three-point bending simulation results of aluminum foam filled pipes with different aluminum foam densities

表6為不同密度的泡沫鋁填充管吸能總量與比吸能的增長速率對比?？梢钥吹?泡沫鋁密度在0.32 g/cm3～0.56 g/cm3時,泡沫鋁填充管的吸能總量及比吸能增長速度較快;在0.56 g/cm3～0.67 g/cm3時,吸能總量增長速度較慢,比吸能出現負增長。

表6 不同泡沫鋁密度的泡沫鋁填充管吸能總量與比吸能的增長速率對比Table 6 Comparison of the growth rate of total and specific energy absorption of aluminum foam filled pipes with different aluminum foam densities

2.4 基于C-IASI(中國保險汽車安全指數)的低速碰撞模擬結果及分析

以某輕型物流車(N1類)的前防撞梁總成為研究對象,參考C-IASI車輛前端低速結構碰撞試驗方法,建立前防撞梁總成碰撞仿真模型,如圖12所示。

圖12 前防撞梁總成前端低速碰撞有限元仿真模型Fig.12 Finite element simulation model of low speed collision at front end of front anti-collision beam assembly

圖13為原前防撞梁總成低速碰撞能量曲線?？梢钥吹?在碰撞過程中,原防撞梁總成能量均守恒,初始動能相當。在能量變化過程中,總能量保持不變,動能逐漸轉化為內能,沙漏能和滑移界面能均在3%以下,能量變化在要求范圍內。

圖13 原前防撞梁總成低速碰撞能量曲線Fig.13 Low-speed impact energy curves of the original front beam assembly

本文通過對比侵入量和吸能總量兩個指標來評價車輛碰撞耐撞性。選取左側吸能盒內側靠近前防撞梁一點為測點,前防撞梁左連接板一不變形點為參考點。碰撞前,測得測點與參考點在X向的距離為120.6 mm。

圖14為原前防撞梁總成前端低速碰撞模擬結果?？梢钥吹?碰撞后原前防撞梁總成測點與參考點在X向的距離為75.318 mm,可得原前防撞梁總成左側吸能盒在X向的侵入量為45.3 mm,同時測得原前防撞梁左側壓潰部位長160 mm。

圖14 原前防撞梁總成前端低速碰撞模擬結果Fig.14 Simulation results of low-speed collision at the front end of the original front anti-collision beam assembly

基于不同泡沫鋁密度的泡沫鋁填充管的三點彎曲模擬對比結果和原防撞梁總成前端低速碰撞模擬結果,提出將長為160 mm、密度為0.56 g/cm3的泡沫鋁填充至前防撞梁本體左側的方案。圖15為泡沫鋁填充前防撞梁總成低速碰撞能量曲線,能量變化均在要求范圍內。

圖15 泡沫鋁填充前防撞梁總成低速碰撞能量曲線Fig.15 Low-speed impact energy curves of the front anti-collision beam assembly with aluminum foam filled

圖16為泡沫鋁填充前防撞梁總成前端低速碰撞模擬結果?？梢钥吹?碰撞后泡沫鋁填充前防撞梁總成的測點與參考點在X向的距離79.623 mm,可得泡沫鋁填充前防撞梁總成左側吸能盒在X向的侵入量為41.0 mm。

圖16 泡沫鋁填充前防撞梁總成前端低速碰撞模擬結果Fig.16 Simulation results of low-speed collision at the front end of front anti-collision beam assembly with aluminum foam filled

圖17為填充泡沫鋁前后的前防撞梁本體吸能總量對比?？梢钥吹?原防撞梁本體吸能總量為3 631.8 J,泡沫鋁填充前防撞梁吸能總量為4 317.0 J,泡沫鋁填充前防撞本體能夠提高結構的吸能能力。

圖17 前防撞梁本體吸能總量對比Fig.17 Comparison of total energy absorption of front anti-collision beam body

4 結 論

1) 泡沫鋁復合結構的模擬結果與試驗結構誤差均在5%以下,泡沫鋁填充管的有限元仿真模型有效反映了實際結構的變形情況,可用該模擬方法進行其他拓展研究。

2)泡沫鋁填充管的載荷峰值比鋁空管高出41.4%,吸能總量比鋁空管高出48.8%,泡沫鋁填充管在三點彎曲試驗工況下的承載特性與吸能特性均遠優于鋁空管。

3)部分填充泡沫鋁的方式相比于全填充,滿足了在沒有大幅降低泡沫鋁填充管峰值載荷和吸能總量的情況下,提高其比吸能值,實現了降低成本、滿足輕量化要求的目的。

4)泡沫鋁密度在0.32 g/cm3～0.56 g/cm3范圍內,填充結構的吸能總量及比吸能的增長速度均較快。

5)在C-IASI車輛前端低速碰撞模擬試驗工況下,泡沫鋁填充前防撞梁總成左吸能盒的侵入量比原前防撞梁總成的降低9.5%。泡沫鋁填充前防撞梁吸能總量比原防撞梁本體高出18.9%。在前防撞梁本體中填充泡沫鋁可以降低碰撞侵入量、提高結構吸收沖擊能量的能力,改善前防撞梁耐撞性能,從而減少車身部件損壞、保護乘員及行人的安全。