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汽车结构件上泡沫铝的应用策略

2021-11-15 121 上传者：管理员

摘要：随着工业的发展，汽车的数量与日俱增，车辆的碰撞事故每时每刻都在发生，为了有效降低车辆发生碰撞给乘客造成的伤害，汽车逐步采用吸能结构设计是所有现代乘用车的基本设计思路。吸能设计就是在车身的非关键部位，尽量的形变以吸收动能，来保证车内乘员的生存空间。泡沫铝作为良好的轻质吸能部件在汽车领域被越来越多的应用。

关键词：
吸能设计
汽车工业
汽车撞击
泡沫铝
车身结构
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汽车发生撞击时，会产生巨大的撞击力，如果撞击力直接作用在车身，那么车身会发生大范围变形甚至损坏，此产生的冲击能量如果作用在乘客，乘客会受到严重伤害；现代车身设计大多会考虑吸能设计，其大体分为溃缩吸能和解体吸能两种。为了防止撞击后碎片的二次伤害及对周围环境的次生伤害，民用车大多使用溃缩吸能，赛车等专用车大多使用解体吸能。军用防雷等特殊场景则采用吸能材料直接吸收冲击能，本文主要以民用车进行探讨。

1、车身吸能结构的作用

最早的汽车溃缩设计目的是在发生碰撞时，用车身非关键部位产生变形来吸收碰撞时产生的冲击力。当车辆发生碰撞后突然减速时，乘客仍然在惯性下高速向前，巨大的惯性远远超出人类躯体的承受能力。溃缩设计，就是用来为突然减速提供一定的缓冲，以降低乘客可能遭受到的最大损害。在世界各国的汽车行业，溃缩设计，已经成为了衡量一辆汽车安全与否的重要依据。

2、泡沫金属

在传统的工程材料中，孔洞（宏观或微观的）被认为是一种结构缺陷，因为它们往往是裂纹形成和扩展的核心，对材料的物理性能及力学性能产生不利的影响。但是，当材料中孔洞的数量（即孔隙率）增加到一定程度后，材料就会因孔洞的存在而产生一些特殊的功能，从而形成了一个新的材料门类，这就是所谓的多孔（porous）材料，亦可称为泡沫材料[1,2,3]。泡沫金属具有一系列的优良性能：孔隙率高、高比强度、高比刚度、吸能、阻尼减震性能好、耐腐蚀、耐高温、电磁屏蔽、无毒、易加工、可进行涂装表面处理等等[4,5,6,7]。由于其优异的物理、力学性能，泡沫金属既可作为结构材料应用，也可作为功能材料应用。一般情况下它兼具功能和结构双重作用，是一种功能和结构一体化的性能优异的多功能工程材料。由于泡沫金属本身拥有力学、热学、声学、电磁学上的诸多物理特性[4]。使用泡沫金属结构材料，利用泡孔的超轻结构和缓冲吸能的特性达到吸能作用，目前泡沫铝在我国是研究最广泛的多孔金属，故现在各大主机厂把泡沫铝作为吸能填充材料的优选。

3、铝基泡沫铝特性

铝基泡沫铝具有超低密度，目前国际前沿的泡沫铝工艺技术已经可以实现成型密度在0.25-0.8g/cm3之间进行精确控制，是轻量化的优质金属材料；同时其具有高强度，其抗弯比刚度可以达到钢的1.3-1.5倍；吸能性上能够达到2-10MPa的吸能平台；吸声性能方面经过试验数据测试吸声系数可高达0.9以上，降噪系数0.5；减振性能上能够使机械振动降低2个数量级，阻尼性能经过测算可以达到金属铝合金的5-10倍；防护性能上能够使爆炸冲击波呈指数衰减，其能量吸收能力3-6kJ/cm2。

4、泡沫铝在汽车结构的典型应用场景

4.1 汽车前后防撞单元

汽车前防撞吸能在车头到驾驶室之间，用不同强度的金属材料，从车头开始，设计成阶梯式强度不同的区域，在发生碰撞时，最脆弱的车头先发生溃缩变形，其次是第二段，然后第三段，在依次溃缩变形中，逐步最大化的吸收碰撞产生的冲击能量，保证乘客舱的安全，如图1所示。

基于某乘用车设计一款吸能盒，此吸能盒采用铝基泡沫铝材料作为芯部吸能减震材料，芯部泡沫铝采用厚度20mm，密度0.6g/cm3-0.8g/cm3进行填充；外骨架采用6061铝合金结构，并在外骨架设置溃缩点，二者进行钎焊复合，通过此种方式可以实现轻量化的汽车吸能盒，并具有良好的吸收撞击动能的功能；配合安装点、安装形式等结构设计达到汽车安装要求，如图2所示。

4.2 乘客舱底板

利用铝基泡沫铝具有良好的吸能吸声特性，可以使用一种“三明治”泡沫铝材料制作汽车地板，在保证强度和刚度的同时可以有效达到隔震隔音的效果，相对于实体板材可以降噪2-4倍，从而提升车辆舒适性，大幅度降低车辆行驶过程中的噪音，如图3所示。

4.3 电动汽车电池箱

利用铝基泡沫铝具有优良的振动阻尼，纯电汽车的电池箱在底板和侧围板填充泡沫铝可以有效吸能防震，对电池形成保护。如车身发生碰撞，电池箱的侧围板溃缩吸能，同时通过结构将力进行一定程度转移，有效防止电芯损毁，一定程度上可以降低碰撞后爆炸起火的可能性。同样泡沫铝具有良好的防火特性，经过处理的泡沫铝可以在700℃下可保持25分钟不熔化，即使在电池出现燃烧情况下，也可以有效形成保护，为乘客逃生赢得关键时间。

以某创新设计方案为例，设计一种填充铝基泡沫铝材料的新能源电动汽车的电池箱，经过模拟计算测得约束模态可以实现大于40Hz的第一阶模态；在电池系统布置区域均布电池模组等部件的质量的情况下，模型分别施加Z向4G的加速度，X向±1G的加速度，正X向1G、负Z向1G的加速度，负X向1G、负Z向1G的加速度，正Y向1G、负Z向1G的加速度，负Y向1G、负Z向1G的加速度等多种强度工况，其最终结果能实现底部变形量小于1.5mm，不产生屈服及应力集中；在零部件进行半圆柱体挤压实现的过程中，分别使用半径准50mm、准75mm，高度500mm的直半圆柱体，施加单位载荷进行测试，测试结果电池箱体变形量小于箱体与模组之间的空间间隙，变形量不会对电池组产生影响，综上可见“三明治”结构的电池箱设计方案可以满足设计及使用要求，通过显著的轻量化效果，可以有效提高电池的能力密度，增加车辆的续航能力，如图4所示。

4.4 车身局部吸能结构

随着新能源电动车的发展，车身结构已经从钢结构逐步变成钢铝混合车身，现在全铝车身也日益成熟。如果在铝合金车身填充泡沫铝，刚度预计可以提升1.5-2倍以上，阻尼，防震能力也能提高2倍以上，如图5所示。

5、结语

铝基泡沫铝材料以其超低的密度、高比强度、高比刚度、吸能等特性，能在轻量化车身上作为重要吸能结构件，可以有效提升车身吸能平台，在保证轻量化指标的前提下提升汽车车身刚度；随着工艺的成熟，复合手段的提高，复合泡沫铝材料必将能够在汽车各类结构件带来更大的变革。

参考文献:

[2]杨亚政,杨嘉陵,曾涛,方岱宁.轻质多孔材料研究进展[J].力学季刊,2007,28(4):503-516.

[3]德吉舍尔,克里斯特,左孝青译,周芸译.多孔泡沫金属[M].北京:化学工业出版社,2005.

文章来源：吕学奎,郝俊锋.泡沫铝在汽车结构件上的应用[J].内燃机与配件,2021(21):33-34.