铝合金薄壁椭圆管替代传统吸能泡沫材料的保险杠吸能结构改进

韦孟洲，莫 毅，王彰云

(1.广西工业职业技术学院 汽车工程系，广西 南宁 530001；2.广西工业职业技术学院 中兴通讯网络学院，广西 南宁 530001)

汽车保险杠是汽车的重要部件之一，它有美观装饰和安全保护等多项功能，其性能好坏直接关系到汽车的行驶安全[1-2]。低速碰撞性能是影响汽车保险杠保护功能的关键因素之一，国内专家对此进行了大量研究[3-5]，例如清华大学依据汽车与行人碰撞安全性测试方法与规则，对汽车碰撞部件进行了冲击试验研究；湖南大学采用计算机仿真技术针对人车碰撞事故中行人下肢碰撞安全性保护评价进行了改进研究等。

目前，由于汽车保险杠的吸能结构存在成本过高、制造工艺复杂等问题，使得高性能吸能结构在汽车保险杠的设计制造中无法得到普及应用[6-7]。金属薄壁结构其本身的比吸能值较高、结构较为简单，同时在面临汽车碰撞冲击后依然能够保持较稳定的扭曲、弯曲变形效果[8]，因此成为近些年来世界各国针对汽车保险杠的吸能结构的一个新研究方向[9]。本项目以某乘用车的保险杠为研究对象，针对原汽车保险杠在人车碰撞时的小腿保护性能、低速碰撞性能进行分析研究，然后结合研究结果以铝合金薄壁管为基础对其保险杠的吸能结构参数进行设计优化，为汽车保险杠的保护功能改进提供参考。

1 原汽车保险杠的小腿保护性能及低速碰撞性能分析

1.1 原汽车保险杠的结构分析

以某乘用车为研究对象，其保险杠系统组成内容涵盖蒙皮结构、纵梁结构、横梁结构、吸能泡沫等，该结构系统的主要参数(材料密度、弹性模量、泊松比、屈服应力)如表1所示。

表1 保险杠主要零部件及相关参数Table 1 Main parts and related parameters of bumpers

1.2 原汽车保险杠的行人小腿保护性能分析

本研究用有限元模型为分析方法、以欧盟行人保护法规EEVC为依据开展实物试验，所用实物为外覆泡沫刚性件组成的小腿冲击器模型，其中小腿股骨为钢质刚性件、小腿胫骨为铝质刚性件、膝关节结构为可变形钢质材料。小腿肌肉由25 mm厚度的泡沫材料组成、小腿皮肤则由6 mm橡胶层材料组成。研究中所用小腿冲击器总重量为13.4 kg，包含小腿结构4.8 kg、大腿结构8.6 kg；小腿冲击器模型总长度为(926±5)mm，包括小腿直径(70±1)mm、大腿直径(70±1)mm。实物试验过程为人车碰撞过程。

通过仿真分析可得到小腿冲击器在人车碰撞时所吸收的能量曲线，如图1所示。

结合图1可发现，本次实物试验中整个碰撞过程共产生了827 kJ能量，且能量保持较为稳定的变化趋势，同时碰撞过程中产生的沙漏能量为34.3 kJ，

占据变形吸能总量的4.1%，说明碰撞过程中对沙漏能量控制效果良好。此外，碰撞过程中产生的最大内能为781.6 kJ，内能变化趋势为迅速增大并直至峰值后缓慢下降，后续变化过程中逐渐保持稳定；碰撞过程中产生的最大动能为802.4 kJ，动能迅速下降至最低点后缓慢上升，后续变化过程中逐渐保持稳定。

对本次实物试验中的碰撞过程进行具体分析，小腿冲击器模型与保险杠蒙皮最先发生接触，接触时间为碰撞后0.006 s；碰撞后0.018 s小腿冲击器模型与保险杠发生碰撞，对保险杠产生相应的压缩、挤压反应，此时保险杠系统所承受的内能为整个碰撞过程中的最高值；碰撞后0.04 s小腿冲击器模型与保险杠脱离，此时保险杠所承受的内能已经下降至稳定趋势、动能则增长至稳定趋势。以小腿冲击器模型在整个碰撞过程中的加速度g为基础绘制时间曲线，可知小腿冲击器模型在整个碰撞过程中其最大加速度峰值为151.3g，与欧盟行人保护法规EEVC要求对比明显超出阈值，因此当前汽车保险杠在与行人发生碰撞的过程中可能导致行人小腿骨折等严重安全事故。

1.3 原汽车保险杠的低速碰撞性能分析

本研究以我国汽车前后端保护装置法规(GB17354)中规定的低俗碰撞评价法则为依据，同时以顾立强等人发表的汽车固定保险杠简单碰撞等效转换法则为基础，通过有限元仿真方法构建汽车低速碰撞模型，并进行了仿真。仿真得到碰撞能量随时间的变化曲线如图2所示。

从图2中可知，整个碰撞过程中碰撞系统所产生的总能量为508.5 kJ，其中内能最大值为421.7.1 kJ、沙漏能最大值为6.9 kJ，沙漏能与内能最大值的比例为1.4%，此过程中沙漏能符合GB17354中的规定要求。同时碰撞过程中在碰撞系统总能量始终未发生较大变化的基础上，保险杠在碰撞后其动能减小时内能增加、动能升高时内能降低。结合碰撞能量与时间的变化曲线可得知，碰撞后0.134 s碰撞系统与保险杠蒙皮结构开始接触；碰撞后0.154 s保险杠吸能泡沫开始产生挤压反应；碰撞后0.204 s保险杠所承受的挤压值达到最大。整个碰撞过程中，保险杠蒙皮结构产生的最大变形位移为54.7 mm，但在碰撞过程结束后0.3 s基本恢复原有形状。结合有限元分析结果可知，有限元模型节点15631处为横梁变形最大值，其位于有限元模型中间阶段且最大变形位移为15.9 mm。另外结合原汽车保险杠横梁与散热器等部件的距离来看，分析结果远小于70 mm的实际距离。由低速碰撞性能测验结果可知：当前汽车保险杠在发生低速碰撞时其保险杠横梁结构不会对后续零部件产生破坏性影响，汽车低速碰撞性能符合法律规定。

2 以铝合金薄壁管为基础对其保险杠的吸能结构进行优化

依据原汽车保险杠的小腿保护性能与低速碰撞性能的分析结果，同时以铝合金薄壁管为基础对其保险杠结构进行优化，在保证原汽车保险杠的吸能低速碰撞性能的基础上，提升原汽车保险杠的小腿保护性能。结合原汽车保险杠的结构组成进行分析，发现保险杠中纵梁结构为吸能部件，但刚度较高，与汽车保险杠整体的小腿保护性能存在冲突之处；吸能泡沫是汽车保险杠的主要吸能装置，且直接影响到汽车保险杠的小腿保护性能，由于其基本形状和结构均已确定，不利于进行大幅度改造。因此本次研究决定采用以铝合金薄壁椭圆管为基础对保险杠的吸能结构进行全面改进和优化。

2.1 吸能结构的优化

2.1.1 材料选择

当前汽车行业在保险杠的吸能结构的材料选择中多以钢铁类金属材料为主，而铝合金材料因具有密度较低、吸能性好、延展性好等诸多优点，是当前汽车保险杠在金属薄壁结构设计中常用的材料类型。此外，铝合金还具有较好的挤压成型特性，能够基于设计者的不同思路而制作成相应的结构形状，因此，本研究选择6061-T6铝合金作为主要材料，其性能参数为：密度2.7×103kg/m3，弹性模量70 GPa、屈服强度110 N/mm2、抗拉强度213 N/mm2、伸长率19%。

2.1.2 结构设计

本项目采用铝合金薄壁管结构作为吸能元件的主要结构类型。同时选择径向冲击薄壁铝合金管结构作为吸能缓冲结构，以满足对原保险杠小腿保护性能的提升需求。结合前人对椭圆截面薄壁管的特性研究结果[8-9]，选择长半径/短半径为2的椭圆薄壁管长径方向装置作为吸能结构的主要结构类型。

2.1.3 尺寸设计

原汽车保险杠前端泡沫填充物体积测量结果为长1 000 mm、宽120 mm、高120 mm。同时结合原汽车保险杠前端泡沫填充物的实际安装便捷性，于椭圆长半径方向设计上下两端的安装槽，最终保险杠的吸能结构如图3所示。

2.2 吸能结构的参数优化

2.2.1 椭圆薄壁管设计参数对其性能的影响分析

本项目以铝合金椭圆薄壁管的长度数值、厚度数值作为具体的测试参数，结合汽车保险杠碰撞冲击测试结构对其设计参数进行全面分析。首先对椭圆薄壁管厚度与其碰撞性能的关系进行分析测验，以椭圆薄壁管长度50 mm为基础数据，分别测验椭圆薄壁管在1 mm、1.2 mm、1.6 mm、2.0 mm厚度情况下的碰撞性能；其次针对椭圆薄壁管长度与其碰撞性能的关系进行分析测验，以椭圆薄壁管厚度0.8 mm为基础数据，分别测验椭圆薄壁管在60 mm、80 mm、100 mm、120 mm长度情况下的碰撞性能。碰撞过程中需要将椭圆薄壁管通过安装槽安装于刚性块中，对其后端6个方向的自由度进行固定约束，以前端为自由端并伴随质量块的冲击进行碰撞。

结合椭圆薄壁管在碰撞试验中的变形情况可以得知：铝合金椭圆薄壁管其长轴方向受到撞击时会以长径方向为对称轴出现弯曲、变形等现象。对于不同厚度、不同长度的椭圆薄壁管的碰撞能量随时间的变化曲线分别如图4、图5所示。

结合其仿真分析结果可知：本测试结果中铝合金椭圆薄壁管最大吸能值随薄壁管本身厚度与长度的增加而不断升高直至其最大吸能值，同时，单位时间内椭圆薄壁管本身吸能环结构的吸能值伴随薄壁管厚度与长度的增加而不断升高。椭圆薄壁管内能在升高至最大值后存在明显下降趋势，此时椭圆薄壁管在碰撞过程中出现回弹现象。而椭圆薄壁管内能曲线发生小幅度波动的原因在于薄壁管吸能环结构在碰撞结束后自发出现振动。

另外，在本测试中，椭圆薄壁管仍然处于可压缩范围的情况下其压缩位移不断增加，同时薄壁管的吸能值也处于上升趋势，且薄壁管能量吸收效果在初始阶段所引发的位移相较于后续阶段更大。在椭圆薄壁管位移变化相同的情况下，薄壁管的厚度、长度越大，则其在碰撞过程中能够吸收的能量峰值越高。因此总体来说，提升椭圆薄壁管的长度和厚度，是提升椭圆薄壁管碰撞能量吸收效果的有效措施。

2.2.2 仿真模型分析

对铝合金椭圆薄壁管的参数设计如表2所示。对汽车保险杠改进后的小腿保护性能、配低速碰撞性能进行仿真分析，以小腿冲击器模型碰撞过程中的小腿加速度值、低速碰撞过程中的横梁入侵位移数值作为基础参数，以小腿冲击器模型碰撞过程中的最大吸能值作为参考数据，同时针对横梁位移、小腿加速度值、变形吸能值进行拟合计算，提取小腿最大加速度值G、横梁位移入侵值L、变形吸能值W、薄壁管长度n，薄壁管厚度m得到相应的拟合函数，针对计算结果结合椭圆薄壁管填充结构的模型参数进行优化计算。其优化目的在于使汽车保险杠在碰撞过程中的比吸能值提升至最高、小腿加速度值符合规定、低速碰撞过程中横梁位移入侵量低于之前原有保险杠数值，因此其优化计算公式模型如公式(1)所示。

表2 铝合金椭圆薄壁管的参数设计Table 2 Parameter design of the aluminum alloy elliptical thin-walled tube

MaximizeW(m,n)

s.t.G(m,n)≤150g

L(m,m)≤160

1≤n≤2

50≤m≤120

(1)

最终上述函数拟合后通过Matlab优化工具进行最优解计算，通过的优化得到性能最佳时的m为2.34 mm，n为120 mm，W为582 kJ，L为4.00 mm。

对上述函数结果进行圆整处理，由结果可知：当吸能环厚度为2 mm、长度为120 mm时，汽车保险杠在碰撞过程中所获得的缓冲吸能效果是最好的。此时汽车保险杠系统在小腿冲击器模型低速碰撞过程中吸收的能量为558.20 kJ，小腿冲击器模型在低速碰撞中的加速度值为132g，但低于原汽车保险杠低速碰撞试验中的152g，横梁位移入侵量为3.98 mm低于原汽车保险杠低速碰撞试验中的16.2 mm。由此可见，研究改进后的汽车保险杠吸能结构在小腿保护性能、低速碰撞性能上均有显著进步，且均符合欧盟行人保护法规EEVC中的相关规定。

3 结束语

汽车保险杠对汽车行驶过程中的行人保护功能、汽车零件保护功能等均有重要影响。对某乘用车保险杠系统的结构组成、保护性能等进行了分析测验，同时以铝合金椭圆薄壁管为基础对其保险杠系统进行了优化改进，将改造重点集中在保险杠吸能泡沫结构材料与结构参数的改进上，最终以铝合金椭圆薄壁管长度和厚度参数的分析优化为基础，得到新型保险杠的结构参数最优解，仿真结果显示经过改进后的新型保险杠在小腿保护性能、低速碰撞性能上均有显著改善。