铝合金后防护栏的轻量化及强度研究

黄康，王香廷，祝慧，王亮亮

（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

引言

汽车产业的快速发展对汽车节能、安全、环保等要求不断提升，对轻量化技术、材料、工艺的研究和开发已经成为世界各大汽车生产厂家提高竞争力的关键项目之一。

铝合金以其低密度（仅为钢的 1/3）的优越性成为关键的轻量化材料，被各大汽车企业争相研究，并用于替换原有的钢制件。在不降低零部件性能的前提下，铝合金替代传统钢制零部件可以实现约30%以上的减重。根据汽车咨询机构Duckers调查，北美、欧盟和日本单车用铝分别高出中国47%、24%和15%，且持续增长。随着铝合金制造技术的发展，乘用车领域开始出现部分高端车型对铝合金板件的应用，如奥迪、捷豹和路虎等；对于商用车领域，铝合金往往运用于较小尺寸支架和安装板等，近年来不断涌现对较大挤压型材的使用，如油箱、储气桶、运输罐车和防护件等，对整车轻量化贡献巨大。

1 商用车后防护栏

商用车后防护栏装置又称之为后下部防护装置，要求安装于N2、N3、O3和O4类车辆，是为了防止轿车或小型货车与以上车辆发生碰撞时能够提供有效的保护，以防止钻撞。

后防护栏需具有一定的强度，足以抵挡碰撞车辆冲击，而且，国内与国际均有相关强制执行标准对该强度作明确要求。根据标准规定，后防护栏的强度考察有两点加载和三点加载两种方式，加载力分别为满载状态下整车重量的1/2和1/4，该加载力完全依靠后防护栏自身的结构来克服，因此，当使用钢制后防护栏时，往往需要较厚的钢板，导致后防护栏自身非常笨重。

2 铝合金后防护栏的轻量化分析

以某轻卡车型为研究对象，其后防护栏为钢制冷成型件焊接而成，如图1所示，其重量14.3kg，为使其强度满足欧标ECE R58相关条款，安装支架采用3mm厚Q235A钢板冲压成型，横杆为60mm×120mm截面、壁厚2.5mm矩形管，安装支架与横杆之间为二氧化碳气体保护焊焊接。

图1 钢制后防护栏

在不改变后防护栏对于整车的边界条件的前提下，以铝合金挤压型材替代原钢制零部件，设计出铝合金材质后防护栏，如图 2所示，其重量为 7.1kg。所有零部件材质均为6061-T6，相互之间通过惰性气体保护焊焊接。安装支架为140mm×45mm、壁厚3mm矩形管型材机加工成型；横杆为“目”字型截面型材，前后壁厚2.4mm，上下壁厚1.8mm，中间加强筋壁厚1.5mm，外形尺寸为120mm×60mm；安装支架两侧与横杆之间有斜支撑板，其截面为“C”字型，外形尺寸80mm×20mm，壁厚2mm。

图2 铝合金后防护栏

相对于钢制件，该铝合金后防护栏实现降重7.2kg，降重率50.3%，如表1所示。

表1 后防护栏重量对比

3 铝合金后防护栏的强度分析

该后防护栏应用车型满载总质量为7t，根据ECE R58法规要求，两点加载力相当 3.5t重量，三点加载力相当 1.75t重量，加载方式如图3示意图所示。其中，P1点为两点加载位置，关于车辆纵向垂直平面左右对称；P2和P3点为三点加载位置，P2关于车辆纵向垂直平面左右对称，P3点位于纵向中点（由于P2点和P3点加载力相同，通常可忽略对P3点的考察）。

对其强度进行理论有限元分析，钣金件采用 SHELL单元进行离散，螺栓和焊缝采用NodalRigidbody单元模拟，分析中使用的软件有LS-DYNA和HYPERVIEW。

图3 后防护栏加载位置示意图

3.1 钢制后防护栏有限元分析结果

P1点分析结果如图4所示，其中，（a）图为应力分布云图，图中显示应力集中点为支架与横杆连接处，最大塑性应变为4.7%，小于Q235A材料的断裂百分比，处于安全范围内；（b）图为后防护栏变形距离曲线，图中显示在0.3s之前为弹性变形，之后发生塑性变形，最大变形量为8mm，满足ECE R58规定400mm范围内的要求。

图4 P1点分析结果

P2点分析结果显示其应力集中点同样位于支架与横杆连接处，最大塑性应变为3.9%，处于安全范围内；最大塑性变形量为11.6mm，如图5所示，满足ECE R58的要求。

图5 P2点分析变形曲线

3.2 铝合金后防护栏有限元分析结果

以相同的方法对铝合金后防护栏进行有限元分析，加载应力分布云图如图6所示，应力集中点为支架与横杆连接处。

P1点最大塑性应变为1.7%，小于6061-T6材料的断裂百分比，处于安全范围内，最大变形量为3.7mm，如图7（a）所示，满足ECE R58的要求；P2点最大塑性应变为9.8%，处于安全范围内，最大变形量为41.2mm，如图7（b）所示，满足ECE R58的要求。

图6 铝合金后防护栏加载塑性应变图

图7 铝合金后防护栏分析变形曲线

综上所述，两种状态后防护栏的强度有限元分析结果对比如表2所示，两种后防护栏均满足法规要求。铝合金后防护栏P1点加载变形量小于钢制件，表明其中间点强度优于钢制件；P2点加载变形量大于钢制件，表明其两端强度次于钢制件。

表2 后防护栏强度有限元分析结果对比

4 结论

（1）以某轻卡钢制后防护栏为研究对象，在不改变其对于整车的边界条件的前提下，以6061-T6铝合金型材替代原钢制零部件，设计出铝合金后防护栏。

（2）原钢制后防护栏重量14.3kg，铝合金后防护栏重量7.1kg，实现降重7.2kg，降重率50.3%。

（3）有限元分析显示，两种后防护栏强度均满足法规要求。

（4）铝合金后防护栏中间点强度优于钢制件，两端强度次于钢制件。

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