泡沫铝结构改善汽车侧碰安全性研究

马聪承 ，兰凤崇 ，陈吉清

1 引言

高孔隙率的泡沫铝材料具有高比吸能和轻质的特点，在压缩实验中表现出较长的应力平台期和较低的最大极限应力峰值的特征，是一种优秀的汽车吸能元件结构材料。但泡沫铝材料具有承受压应力而几乎不承受拉应力的特性，因此在工程应用中必须与抗拉强度大的材料配合设计为复合结构[1]。如何在汽车结构设计中应用泡沫铝材料与复合结构，以达到提高汽车防撞能力，其应用效果评估与衡量的方法，成为泡沫铝材料应用研究中必须解决的难题，是极须解决的研究问题。

文献[2-3]对泡沫铝材料的机械性能展开了研究；文献[4]表明不同的碰撞速度下保险杠吸能盒材料会影响汽车内部结构的损坏程度；研究[5]将泡沫材料填充在吸能盒中进行压缩性实验，分析汽车在低速碰撞中吸收冲击能的特性，结果表明，在冲击吸能过程中出现5层塌陷屈曲时模型吸能状态最理想，达到提高汽车耐冲击的目的。研究[6]将泡沫铝材料填充到某型号皮卡车车架中进行仿真分析，结果加速度峰值下降了24.6%，但加速度均值上升了13%，车架整体表现更平稳，车架变形的侵入量也有所减少。

研究[7]使用碳纤维增强泡沫和铝强化聚碳酸酯材料设计了发动机罩结构，用于减少行人头部损伤，结果表明这些结构起到了较好地吸收碰撞能的效果。研究[8]用泡沫铝材料改善了翻转结构的稳定性；研究[9]表明在汽车门槛梁内部加装吸能柱可以改善汽车的侧碰安全性；研究[10]分析了泡沫铝材料在汽车结构中的适用性，将优化设计后的复合结构填充到汽车前纵梁和门槛横梁中，改善了汽车的正面和侧面碰撞安全性，达到了降低汽车加速度峰值和减少侵入量的效果，实现了轻量化和高吸能的目标。

国内外相关文献研究大多是在汽车局部结构中进行填充的尝试，仅限于实验室里的试验，缺乏深入地探讨泡沫铝复合结构的形状与汽车碰撞安全性的关系，以及对汽车加速度、侵入量的影响等问题的研究，研究将对相关问题进行深入研究探讨，对泡沫铝材料在汽车上的应用与推广具有深远的重要意义。

2 泡沫铝及复合结构特性研究

薄壁金属管与泡沫铝圆管在压溃实验中表现出近似的长应力平台期，但又各具特点。薄壁金属圆管在承受轴向冲击时，具有良好的能量吸收效应，金属管在压缩应力作用下发生一系列有规律的圆环变形，直到整个管子屈曲；其表现的载荷位移-曲线呈现三个阶段，有线弹性载荷区，较长的相对较恒定的压缩载荷，逐渐压实后的压力上升阶段。对比薄壁金属管与泡沫铝的压缩特征，在恒定的压缩作用力下，泡沫铝管在孔壁发生弯曲和屈曲直至破碎时所表现出的吸能行为，应力变化的三阶段特性与薄壁金属圆管表现的三个阶段位移曲线特征大致相同[11]。

对填充泡沫铝复合结构进行准静态轴压实验时，薄壁管和泡沫铝之间的相互作用，提高了填充结构的吸能能力，其能量吸收的平台经验公式表达为：

σf—平台应力；

ρf—泡沫密度；

σf0—铝基体屈服应力；

ρf0—泡沫基体密度。

文献[12]对这种材料的性能和压缩特点进行研究分析，提出的经验式（1）成为分析泡沫铝及其复合结构吸能性能的基本理论。

理论上薄壁圆管模型被填充泡沫铝后，泡沫铝和管壁之间的交互作用将进一步增强能量吸收能力，当泡沫铝芯体与管壁之间无粘接或者只有微弱粘接时，由泡沫铝提供的内部约束使管壁自由地向外弯曲，并且圆管的塑性皱褶长度将会减小，向内弯曲所占的比例也会减少，减少的比例依据泡沫芯体密度的增加而减少。对填充泡沫圆管的能量吸收可分为泡沫与薄壁管，其中薄壁管平均力Pmt计算表达为：

式中：θ—皱褶形成时与轴心的夹角；

H—皱褶的半长；

M0—单位宽度的塑性极限弯矩。

一个皱褶的完成状态可以表示为：

材料泡沫的压实应变与其相对密度（ρf/ρf0）有关。

泡沫填充圆管完成整个皱褶过程的平均外力Pm可以表达为：

式中：Pf—泡沫的压溃力。

泡沫铝材料吸能总和包括塑性变形期和平台期终了，直至压实化区域点达到压实应变εd，压实应变可以表达为：

式中：ES—泡沫铝胞壁材料的弹性模量；

P0—初始气体应力；

Patm—大气压力。

当泡沫铝填充到金属管内部后，可以增强管子的抗冲击能力，实际上是管子与泡沫相互作用而增强了，从而吸收了更多的附加能量。因为泡沫铝在管子内部的支撑作用，缩短了管子的屈曲波长，使得单位管子长度内产生了更多的塑性皱褶，从而提高了整体的吸能能力，适当选择合适的泡沫铝密度，将会是影响整体表现及吸能量的关键指标。

3 原车侧面碰撞关键结构研究

汽车在侧面碰撞实验中起传递动力与吸收能量的主要结构包括车门结构、B柱、车身底架、顶架等结构部件，因此在改善汽车侧碰安全性时，往往以门槛横梁、车门防撞杆、A柱、B柱、车顶架结构、车底架结构等作为优化部位，提高结构的刚度或选用较高强度钢板等策略以获得理想效果。在研究SUV车身的碰撞安全性时，由于车身顶架各部位为非直接撞击区，且出现变形量较小，在此不作为主要研究区域。汽车碰撞的直接撞击区域为主驾驶座侧车门、B柱与门槛横梁。

结合汽车侧面碰撞的结构变形特点，此处重点考察变形量较大的区域，包括车门、车门防撞杆、B柱结构件1～4、车身底架门槛横梁、地板第2、3横梁等结构。车底架在侧碰中起主要的承力作用，其各部件结构与变形，如图1所示。车门与车身底架结构中的门槛梁、地板第2横梁部件1的变形较大。

图1 车身底架的主要承力结构Fig.1 The Main Bearing Structure of the Chassis

对侧碰中主要的受力部件共14个结构进行研究分析，其中车身底架受撞击后门槛横梁变形严重，出现两个明显折弯，对驾驶仓侵入量较大，在碰撞60ms时达到最大侵入量，此时门槛横梁相对座椅中点的侵入量为174.0mm。门槛横梁过早地严重折弯，将使传递路径不能有效发挥作用，不利于整车的吸能抗撞，因而在后续工作中重点将以门槛横梁为研究对象进行优化。此外，地板第2横梁部件1也出现了较大弯曲，部件1使用采料为B280/440DP，在材料强度上要低于门槛梁的其它主要承力部件，故在发生侧面碰撞时，相对比较容易发生弯曲。结构元件发生严重弯曲可以吸收更多碰撞能，但过度弯曲致使侵入量过大时，则容易致使车乘人员受到压迫而伤亡。部件1设计厚度为1.6mm。为了减少其碰撞变形量，在优化方案中拟采用增大结构厚度的方法。

4 汽车侧碰安全性改善分析

4.1 实例车型门槛横梁实验样件制作

以目标车型结构为原型制作了门槛横梁结构样件，验证吸能式门槛横梁结构的吸能效果与抗撞性能。试验制作了两根门槛梁，一根保持原车结构原型，一根为吸能式泡沫铝复合结构门槛梁。泡沫铝复合结构外形，如图2所示。样件总长度1200.0mm，B柱部位保留约200.0mm高，内部安装了5件泡沫铝复合结构，呈离散状分布在长度为700.0mm的横梁内部空间中，形状分布与位置距离以碰撞仿真分析设计方案为基准，采用粘结工艺进行固定连接。

图2 门槛横梁样件Fig.2 Test Sample of Door Beam

组成泡沫铝复合结构的泡沫铝芯体体材料孔隙率为88%，即密度 0.30（g/cm）3，芯体结构尺寸 φ48.0×90.0mm3；铝管厚度为1.0mm，结构尺寸为φ50.0×90.0×1.0mm3。吸能式门槛横梁内部分布了5件泡沫铝复合结构，单件复合结构质量为0.0879kg，5件复合结构共重0.44kg。

4.2 门槛横梁实验与变形特征分析

实验数据采集平台采用DH5922动态信号测试多通道分析系统，系统可完成应力-应变、振动、加速度、速度、位移、冲击、声学、温度、压力、流量、扭矩、等各种特物理量的测试和分析，实现多通道并行同步高速长时间连续采样。实验中采用加速度传感器、位移传感器、压力传感器、速度传感器等测量设备。各参数，灵敏度和量程等信息，如表1所示。加速度传感器最大量程为500g，从理论分析上满足本实验要求的量程范围。

表1 传感器参数Tab.1 Sensor Parameters

对门槛横梁结构样件进行高速落锤冲击实验，落锤冲击后的样件结果，如图3所示。试件受到冲击压馈而变形。极限冲击实验后，原车门槛梁与吸能式门槛梁均被完全压实变形，从外形上看变形特征基本一致，主要受夹具设计与外形的影响。

图3 门槛横梁冲击实验结果Fig.3 Impact Test Results of Door Beam

4.3 主要实验数据分析

4.3.1 加速度时域信号对比

利用多通道数据采集系统采集数据，对落锤冲击门槛横梁实验结果进行处理，冲击锤头上布置两个侧点位置的加速度传感器，进行门槛横梁冲击时，两传感器信号波形基本一致。原车门槛横梁加速度传感器输出时域信号信号，如图4（a）所示，时域信号结果显示加速度的变化分个两时段，分别在28.64ms和28.66ms前后出现两波最大峰值，第2峰加速度值比第1峰更大，对应分析试件受冲击情况，第1波峰值是锤头冲击左侧车门槛横梁产生，由横梁压溃变形吸收部分能量，在横梁被压实后，锤头继续冲击下方垫块，产生第2波加速度峰值。吸能式门槛横梁时域信号，如图4（b）所示。与原车门槛横梁时域信号相比，吸能式门槛梁的加速度峰值明显较为集中，均匀地分布在时间顺序前端，整体加速度峰值变化缓慢，大峰值出现在（27.775～27.79）5ms之间，时间分布长，加速度峰值均匀平缓。

观察吸能式门槛横梁的冲击变形时序结果，当锤头落在门槛横梁后极大冲击引起横梁变形，但在门槛横梁与泡沫铝复合结构变形吸收大部分碰撞能量后，加速度峰值下降，当泡沫铝复合结构被压实后，已经吸收了大部分的冲击碰撞能量。而整个泡沫铝复合结构的压溃过程平缓，泡沫铝复合结构的力-位移长平台特性表现出很好的吸能优势，在复合结构吸能后，剩余的冲击力未能再激起第二波加速度峰值，与原车门槛横梁冲击实验比起来，吸能式门槛梁没有出现第2波峰值。

图4 冲击实验加速度时域信号Fig.4 Acceleration Time Domain Signal of Impact Test

4.3.2 加速度功率谱密度对比

加速度功率谱密度峰值范围较宽，由于被测波段主要集中在3000Hz以下的范围，截取上限频率为3000Hz的密度值进行数据处理。两个侧点位置加速度传感器DH131E-141913R和DH131E-141914R的功率谱密度值基本相同，测量值有微小差异，但基本趋势保持一致。原车与吸能式门槛横梁加速度功率谱密度对比，如图5所示。吸能式门槛横梁加速度功率谱密度均匀分布在原车门槛横梁的密度值下方，即填充了泡沫铝复合结构的吸能式门槛横梁的功率谱密度能量更低，突出表现了泡沫铝复合结构优良的吸能特性。

图5 加速度功率谱密度对比Fig.5 Acceleration Power Spectral Density Comparison

4.4 汽车有限元模型侧碰结构侵入量分析

吸能式车身底架主要受力结构在侧面碰撞试验中，门槛横梁与地板第二横梁部件1是主要的变形结构。60ms时，原车门槛横梁已经出现两个严重折弯，地板第二横梁部件1也出现部分折弯；对比之下，吸能式车身门槛横梁却未出现折弯情况。120ms时，原车门槛横梁与地板第二横梁部件1的局部变形严重，而吸能式车身则没有出现局部过度变形的情况。

吸能式车身门槛横梁的变形明显小于原车，原车的两个折弯位部位得到有效改善，吸能式车身减少了对乘员仓的侵入。吸能式车身门槛横梁与原车门槛梁变形对比，如图6所示。在侧碰试验80ms时，吸能式门槛梁与原车门变形特征表现出明显差异。吸能式车身在碰撞后出现弯曲变形，横梁内部的泡沫铝复合结构被压溃。

图6 车身底架变形对比Fig.6 Body Chassis Deformation Comparison

吸能式车身并未出现明显侵入驾驶仓空间的状况，门槛横梁整体呈现弯曲，有效地将碰撞能传递或耗散到车身底架及其它结构中。泡沫铝复合结构被撞击时受力呈轴向压溃模式，跟随门槛横梁的弯曲而被压溃。

位于不同位置的泡沫铝复合结构变形量大小不一，位于门槛横梁中部的复合结构被压溃量较大，Y向局部最大压溃量达到13mm。位于门槛横梁前部与尾部的泡沫铝复合结构由于离被撞击区较远，故被压溃量较小。

原车结构中部件1出现折弯比较严重，导致门槛横梁向乘员仓侵入量过大，并且由于过早折弯，导致碰撞能传递路径失效。吸能式车身部件1在完成碰撞的120ms内并未出现如原车般严重的折弯，且在时间上推迟了折弯，因此能更好地传递碰撞能。

4.5 侧碰结构加速度研究

图7 测量点加速度时序Fit.7 Measuring Point cceleration Timing

5 结束语

（1）针对不同密度的泡沫铝圆管和不同厚度的薄壁铝管组合的复合结构，进行了大量的基础实验研究，设计了圆管式泡沫铝复合结构，并进行有限元模型建模与仿真分析计算，对泡沫铝复合结构进行优化设计。

（2）通过有限元模型仿真分析与实验相结合，对实例车型进行侧面碰撞分析计算，对比研究加装了泡沫铝复合结构的吸能式车身与原车在侧碰试验中的关键部位加速度与侵入量变化，验证了泡沫铝复合结构有效地提高汽车安全性的作用，同时满足轻量化的设计要求。

（3）制作了例车型结构的侧碰关键部位实验样件，对样件进行高速冲击碰撞实验，研究泡沫铝复合结构在高速冲击中对关键部位的加速度影响作用规律，为设计者提供泡沫铝材料应用的设计思路与理论数据依据。