试验速度和引导角度对铝合金吸能盒吸能特性影响研究

杨 丽，曲凤娇，静 宇，韩 超，田晓龙，王丽鹏

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳 111003)

汽车已经成为改善人们出行方式的重要交通工具之一，汽车在给人们生活带来诸多便利的同时，其负面效应也十分明显，如交通事故、环境污染等严重的社会问题已经影响到人们的日常生活[1]。因此，安全、节能、环保，是汽车消费者的期待，也是汽车设计者的使命，已经成为汽车工业发展的三大主题[2]。汽车保险杠是汽车被动安全装置的重要组成部分，在减小碰撞事故对行人的伤害、降低低速碰撞事故对车辆的损坏方面起着重要作用[3]，可以说，保险杠在很大程度上决定了汽车的耐撞性与安全性[4]。吸能盒作为汽车保险杠的主要组成和吸能组件，在汽车碰撞中，其通过自身结构压溃变形吸收能量，将碰撞时的动能转化为自身结构的内能[5]，能在短时间内吸收大部分的能量，从而保护驾驶员和乘客的生命安全[6]。与此同时，可以通过合理地采用轻质材料及结构优化，减轻包括保险杠在内的重量，进一步提升整车的轻量化水平[7]。

铝合金因其质量轻、强度高、耐腐蚀、易加工等优点，被越来越广泛的应用于汽车车身结构件。铝合金吸能盒较传统钢制吸能盒有着较好的轻量化水平及耐撞性能[8]。铝合金挤压型材用作吸能盒部件时，必须要具有一定的塑性及韧性，一般会通过压溃试验进行检测。铝合金吸能盒的吸能特性好坏要综合考虑变形、载荷峰值、吸收能量等多种因素。

本文采用轴向压溃试验，设计不同试验速度和引导角度，研究其对铝合金吸能盒吸能特性的影响，可为铝合金吸能盒轴向压溃试验研究提供参考。

1 试验材料与方法

本试验选用公司生产的某型号铝合金吸能盒产品，产品壁厚2.2mm，其化学成分(质量分数，%)为，Si 0.59，Fe 0.18，Cu 0.11，Mn 0.07，Mg 0.57，Cr 0.005，Zn 0.015，Ti 0.02，Ni 0.003，Al余量；力学性能为，Rp0.2267MPa，Rm281MPa，伸长率9.5%。试验选取同一批次铝合金吸能盒产品，沿挤压方向截取长度为200 mm的全截面试样。试验设备为AG-X 250KN电子万能材料试验机(最大压力250kN，测量分辨率0.01N)。分别设计50mm/min、100mm/min、150mm/min三种试验速度和0°、10°、20°三种引导角度进行试验。由于铝合金吸能盒变形稳定，可重复性高，因此本次试验每种类型试样做1组试验，具体试验方案见表1。图1为试样结构形状。试验前对试样两端用砂纸进行打磨，以保证有较好的表面接触条件，将打磨好的试样直接放在下压板上，管端不加其他约束。试验机轴向压头以设定的试验速度对试样进行加载，通过设备自带数据采集系统记录压溃过程中压溃力和峰值载荷等数据。使用相机实时记录铝合金吸能盒的变形过程。

2 试验结果及分析

图2～图4分别为0°、10°、20°引导角度试样在50 mm/min、100 mm/min和150 mm/min三种压溃试验速度下的载荷-位移曲线图。同时，将吸收能量数据也一并编入了表中。

表1 试验方法

图1 试样结构形状示意图Fig.1 Schematic diagram of sample structure and shape

2.1 载荷峰值结果与分析

由图2可以看出，引导角为0°的3个试样载荷峰值均出现在第一个波峰处。当载荷达到峰值后(分别为222814N、179371N和221990N)，曲线开始骤降至最低点，曲线上存在一个明显的波峰波谷，且波动较大，因此无法充分发挥吸能盒的吸能性能，是一种不理想的变形模式。此外，由曲线可以看出，试验速度对载荷峰值结果的影响并不明显。

图2 引导角为0°的载荷-位移曲线Fig.2 Load-displacement curve with guide angle of 0 degree

由图3可以看出，在开设10°引导角后，3个试样的压缩变形比较稳定，无过大的载荷波动，比较平稳。3个试样的载荷峰值(分别为136395N、151283N和137992N)均出现在第二个波峰处，且与其他波峰相差并不非常明显，亦无非常明显的波谷存在。因此，适当的引导角度有助于提高该铝合金吸能盒的吸能特性。同样，由曲线可以看出，试验速度对载荷峰值结果的影响并不明显。

图3 引导角为10°的载荷-位移曲线Fig.3 Load-displacement curve with guide angle of 10 degree

由图4可以看出，在开设20°引导角后，3个试样的压缩变形比较稳定，无过大的载荷波动，比较平稳。3个试样的载荷峰值(分别为134996N、131487N和124982N)均出现在第二个波峰处，且与其他波峰相差并不非常明显，亦无非常明显的波谷存在。因此，适当的引导角度有助于提高该铝合金吸能盒的吸能特性。同样，由曲线可以看出，试验速度对载荷峰值结果的影响并不明显。

由图3和图4对比可以看出，引导角为10°和20°的试样在不同压溃试验速度下的载荷峰值比较接近，且引导角为10°时试样的载荷峰值略高，说明吸能效果相对更好。

2.2 吸收能量结果与分析

图5为不同压溃速度和引导角度试样吸收能量对比曲线图。由图5可以看出，吸收能量随引导角度的增大而降低，当引导角为20°时，吸收能量最低；当引导角为0°时吸收能量最高。对于不同引导角度，吸收能量随压溃试验速度的变化趋势并不相同，且不明显，说明试验速度对吸收能量的影响并不明显。

图5 不同压溃速度和引导角度吸收能量对比Fig.5 Comparison of Energy Absorption at Different Crushing Velocities and Guidance Angles

3 结论

(1)吸收能量随引导角度的增加而降低，引导角度为0°时，吸收能量最大，但此时试样载荷波动较大，变形不稳定，吸能效果不理想。

(2)引导角为10°和20°时，试样无过大载荷波动，压缩变形比较稳定，好于0°变形结果；同时，引导角为10°的载荷峰值和吸收能量略高于引导角为20°时试验结果，说明引导角为10°时吸能特性较好，相对理想。

(3)压溃试验速度对铝合金吸能盒的吸能特性影响并不明显。