摘要:

為了提高轎車側面耐撞性，設計耐撞性能強的B 柱成為主要課題之一。

目前的優(yōu)化方法很難將B 柱侵入量和侵入速度同時控制在理想范圍內。因此，提出泡沫鋁材料填充在汽車B 柱內代替B 柱加強板的方法，緩沖側面碰撞沖擊。

通過建立泡沫鋁有限元模型與材料特性分析，確定仿真泡沫鋁主要材料參數(shù)。進而根據(jù)中國新車評價規(guī)程C － NCAP 要求，建立轎車整車側面碰撞有限元模型，采用LS － DYNA 軟件進行仿真分析。

結果表明，泡沫鋁填充后的B 柱侵入量和侵入速度都有明顯降低。泡沫鋁材料塑性變形和整體彎曲變形能夠吸收1． 51kJ 的能量，是B 柱加強板的3 倍。填充泡沫鋁前后仿真結果表明，轎車B 柱填充泡沫鋁是一種提高轎車側面耐撞性的方法。

引言

在汽車的各種碰撞形式中側面碰撞是最為典型的事故類型之一。根據(jù)我國1999 － 2009 年道路交通事故統(tǒng)計，發(fā)生側面碰撞事故比例占到將近30%，僅次于正面碰撞，但由于側面碰撞所特有的碰撞特點導致側碰中乘員的傷亡程度比正面碰撞還要高，尤其在我國側面碰撞導致死亡的比例要高于國外的平均水平。

所以增加轎車側面吸能部件，提高轎車側面耐撞性是我國一項重要的科研任務。泡沫鋁材料是一種鋁或鋁合金基體中分布著大量孔洞的新型輕質多功能材料。泡沫鋁呈網狀結構具有孔隙率高、密度小、變形大等特點，用作填充材料制成能量吸收裝置已在航空、武器裝備防護等領域得到應用。

國內王玲對于泡沫鋁材料單胞模擬證明，開孔和閉孔的壓縮應力－應變曲線都具有線彈性、塑性屈服平臺段和致密段三個階段; 李曉豁教授將泡沫鋁填充縱梁內改善車架碰撞性能; 哈爾濱工業(yè)大學的劉春盟研究表明，泡沫鋁填充管保險杠比普通空心管保險杠在相同重量時的最大吸能量提升了71%; 遼寧工程技術大學的于英華證明采用LS － DYNA 軟件對泡沫鋁壓縮行為進行有限元仿真的可行性。

國外，Cymat 泡沫鋁作為汽車產品的填充物已應用于德國格奧菲舍爾汽車。泡沫鋁還可以用于汽車的頂蓋縱梁、連桿、活塞、傳動齒輪、汽缸體等。綜上，多數(shù)人研究泡沫鋁還是以單胞結構為主，泡沫鋁作為填充材料也是采用系統(tǒng)本構模型參數(shù)。

本文將泡沫鋁單胞結構空間排列形成部件幾何體，主要材料參數(shù)由試驗參數(shù)提取出來，提出比較詳細的建立更真實的泡沫鋁填充材料有限元模型的方法，并填充在轎車模型中以提高側面B 柱耐撞性。

轎車B 柱耐撞性原理

依據(jù)中國新車評價規(guī)程( C － NCAP) ，側面碰撞臺車的速度為50km/h，碰撞時間很短，動能主要由轎車側圍外板和B柱以及相關連接件吸收。其動能



其中: m0為臺車質量，v0為臺車碰撞速度，E1為側圍外板以及相關連接件吸收能量，E2為B 柱吸收能量，m 為B 柱質量，v 為B 柱質心速度，S 為B 柱侵入位移，F(xiàn) 為沖擊載荷。

由式( 1) 、( 2) 可知，B 柱的侵入位移和侵入速度由轎車B 柱吸收能量決定的，同時也可以作為評價B 柱耐撞性的指標。一些常用的優(yōu)化方法能降低B 柱侵入位移，但導致侵入速度增加，反之亦然。這也是提高B 柱耐撞性的難點之一。因此，將泡沫鋁緩沖材料填充在汽車B 柱內，通過金屬泡沫材料吸收一部分能量提高B 柱耐撞性，則式( 2) 變?yōu)?br />


其中: ΔE 為泡沫鋁材料吸收能量。

由式( 1) 、( 3) 可知，在側圍外板及相關連接件吸能基本不變前提下，填充泡沫鋁材料能達到使B 柱侵入位移和侵入速度同時減小的目的。泡沫鋁是一種泡沫材料，將建立開孔泡沫鋁有限元模型和材料特性分析，并填充在轎車B 柱代替B 柱加強板，分析其對B 柱耐撞性的影響。

3泡沫鋁建模及材料特性分析

3.1 泡沫鋁介紹

金屬泡沫可通過液態(tài)或半液態(tài)金屬中氣泡的形核與長大而獲得。泡沫鋁的制備方法有很多種，主要有熔體注氣法、粉末冶金法發(fā)泡法、FOＲMGＲIP 法、熔模鑄造法、燒結溶解法、電沉積法。泡沫鋁是由少量鋁或鋁合金骨架和大量氣孔組成的材料。

泡沫鋁材料由于其獨特的多孔結構，在壓縮載荷下表現(xiàn)出一個近似恒應力的塑性應變過程。由于這種壓縮形變行為，泡沫鋁在經受壓縮載荷時，能在較低的應力水平下吸收大量能量，從而成為一種極具應用潛力的沖擊緩沖材料。目前，泡沫鋁僅能在一小部分汽車零部件上使用，但是泡沫鋁的應用為汽車的減重、吸能、節(jié)能、環(huán)保、安全等一系列問題的解決提供了新的可行途徑。

3.2 泡沫鋁仿真模型

泡沫鋁的相對密度小和比剛度高，所以使用泡沫鋁制成的零部件既能滿足相應的剛度要求，又能極大減輕汽車的重量。本文選取體心立方開孔單胞結構，各個單元經過空間密集堆積，可實現(xiàn)三維各向同性。如下圖1、圖2、圖3 建模過程。



由圖1 所示單胞結構為立方體，并且立方體的體心和八個頂點上各有一個球形孔隙。由圖2 所示單胞結構空間排列形成一個部件幾何體。由圖3 所示有限元前處理軟件Hypermesh 將泡沫鋁幾何體劃分網格，從而建立泡沫鋁材料有限元結構模型。

3.3 仿真泡沫鋁材料參數(shù)分析

由于泡沫鋁是由金屬鋁發(fā)泡形成的，所以將泡沫鋁看成是高度殘缺的彈塑性金屬材料。泡沫鋁是有很多空隙的實體，有時孔隙率高達99%?？紫堵蔖 指材料內部孔隙體積占其總體積的百分率。設體心立方閉孔單胞的邊長為a，立方體頂點球體半徑為r。該單胞結構孔隙體積包括1 個體心球體和8 個頂點的1 /8 球體。所以孔隙體積為




此種孔隙率為85% 的泡沫鋁在清華大學機械工程系做的準靜態(tài)壓縮試驗，泡沫鋁材料尺寸為40* 40* 40mm，三條應力應變試驗曲線擬合出一條工程應力應變曲線，如圖4 所示。



由圖4 可知，該曲線明顯分位彈性段、應力平臺段和密實段。泡沫鋁壓縮初期時，泡沫鋁發(fā)生彈性變形，然后經歷應力平臺階段，泡沫孔開始破裂，壓縮應力基本保持不變，能夠吸收各方向的能量，具有很好的吸能特性。

經過大量的塑性變形后進入到密實化階段，壓縮應力迅速上升。由于壓縮過程中截面形狀是發(fā)生變化，而工程應力應變曲線是假定原始截面不變，所以要用真實應力應變曲線來做后續(xù)研究。工程應力應變轉化為真實應力應變關系為



式中，εE為工程應變，σE為工程應力; εT為真實應變，σT為真實應力。由工程應力應變曲線圖4 經過式( 9) 、( 10) 轉化之后得到真實應力應變曲線，如圖5 所示。由圖5 可知，由泡沫鋁材料真實應力應變曲線彈性段的斜率可得到彈性模量為10GPa，彈性段頂端的最大應力值可得到屈服強度為5MPa。將泡沫鋁材料的真實應力應變曲線的彈性段去掉，后面的曲線為仿真泡沫鋁的應力應變曲線。



整車側面碰撞有限元模型建立與驗證及泡沫鋁填充方式

4.1 整車側面碰撞有限元模型建立

整車模型的建立按照汽車制造的工藝流程進行，整車的裝配通過在其邊界上增加相應的連接單元來實現(xiàn)。將側面臺車模型導入所建的整車有限元模型里，按照C － NCAP 側面碰撞要求建立側面碰撞有限元模型。整車側面碰撞有限元模型包括118 萬個單元，材料模型包括彈性材料和剛性材料等，模型還考慮了接觸問題。仿真模型中，碰撞臺車以50km/h 的速度垂直撞擊整車有限元模型，如圖6 所示。



圖6 中: 臺車的中垂面垂直于車輛縱向軸線并對準駕駛員Ｒ 點，整車和碰撞臺車與地板的摩擦系數(shù)為0.3。

4.2 有限元模型分析驗證

為了保證結果的可靠性，在運用有限元模型進行深入研究前，首先要驗證所用的有限元仿真模型，驗證方式就是將有限元仿真結果和實車試驗進行比較分析。

4.2.1 模型能量關系和質量增加情況

整車側面碰撞仿真時間為110ms，碰撞過程能量關系如圖7。



由圖7 可知，整車側面碰撞過程能量平穩(wěn)無明顯波動現(xiàn)象，沙漏能和滑移界面能都控制在5%之內，可以認為模型在碰撞過程中能量變化是正常的。碰撞過程整車質量變化情況如圖8。



由圖8 可以看出，整車有限元模型在碰撞過程中質量增加為1．8%，在控制范圍5% 之內，進一步驗證模型的可靠性。

4.2.2 整車加速度對比

整車碰撞有限元模型中，非碰撞側B 柱下端裝加速度計，以測量整車加速度值，得到的B 柱加速度速度曲線與同類車型的實車試驗加速度曲線對比，如圖9 所示。



由圖9 可知，試驗加速度曲線與仿真加速度曲線走勢相同，峰值時間都是在40ms 左右，最大加速度值分別為16．4g和17．9g。通過對比分析，驗證了側面碰撞仿真模型的有效性，為后續(xù)的研究提供了可靠的基礎模型。

4.3 泡沫鋁填充方式



由圖10 可知，轎車側面B 柱外板與內板之間存在B 柱加強板。泡沫鋁填充之后如圖11。由圖11 所示，泡沫鋁材料填充B 柱外板與內板之間，代替B 柱加強板。泡沫鋁與B柱焊接在一起。泡沫鋁材料填充汽車B 柱后的整車側面碰撞有限元模型生成K 文件，提交LS_DYNA 計算。



基于泡沫鋁填充材料的B 柱耐撞吸能仿真與分析

5.1 評價標準的確定

B 柱是側面碰撞中的主要受力部件。由式( 3) 知，如果填充的泡沫鋁材料通過壓縮變形吸能較多的能量，則對整車的沖擊就會減小，汽車B 柱的侵入量和侵入速度就會減小，從而減少乘員損傷。所以，汽車B 柱侵入量和侵入速度可以作為評價泡沫鋁材料汽車耐撞性的指標。

5.2 填充前后汽車B 柱仿真分析

將Ls － dyna 計算后的文件交予Hyperview 后處理，查看碰撞過程中的能量是守恒的，質量增加也在有效控制范圍之內。在確定模型計算的有效性下，對填充前后的汽車B 柱仿真分析。選取汽車B 柱上六個點作為考察點，如圖12。



圖12 中分別對應B 柱頂端、乘員頭部、B 柱腰線、乘員胸部、乘員臀部、B 柱底端。分別對比填充前后六個考察點侵入量和侵入速度，如下表1、表2。



由表1、2 可以看出B 柱侵入量和侵入速度都有不同程度的減小。尤其是B 柱侵入量減小的同時，B 柱侵入速度仍有這么明顯的降低，可以認定填充的泡沫鋁增加了整車B 柱側面耐撞性。填充泡沫鋁材料前后的汽車B 柱最大變形量也有177mm 減小到154mm，減小了13%。

5.3 泡沫鋁吸能仿真分析

泡沫鋁作為一種泡沫金屬，自身變形會吸收較多的能量。由后處理軟件Hyperview 得到部件泡沫鋁和B 柱加強板吸收能量對比，如圖13 所示。


由圖13 知，泡沫鋁吸能為1． 51kJ，B 柱加強板吸能為0．47kJ。填充的泡沫鋁吸能是原來加強板的3 倍。由于泡沫鋁材料有較寬的塑性平臺階段，在這個階段泡沫鋁胞孔發(fā)生屈曲、坍塌，使泡沫鋁具有很好的吸能效果。如圖14 所示，碰撞前后泡沫鋁填充材料的變形情況。


由圖14 可知，泡沫鋁填充材料在整車碰撞過程不僅自身壓縮變形吸能，而且自身彎曲變形吸能。而未填充泡沫鋁材料的B 柱加強板只有通過自身彎曲變形吸能，所以填充的泡沫鋁材料吸收了更多的能量，減少了側面臺車對整車碰撞沖擊，從而增強了整車的側面耐撞性。

6結論

本文在將泡沫鋁材料填充在汽車B 柱的基礎上，利用泡沫鋁材料吸能性強的特點，以提高整車B 柱側面的耐撞性。成功建立泡沫鋁填充物的有限元模型，并確定了泡沫鋁的主要材料參數(shù)，將其填充在整車B 柱中，采用Ls － dyna 顯示求解方式，對填充泡沫鋁前后的整車進行側面碰撞仿真分析。

以B 柱侵入量和侵入速度作為整車側面耐撞性的評價指標，仿真結果顯示B 柱侵入量和侵入速度都有明顯減小，從而提高整車的側面耐撞性。泡沫鋁作為一種特殊的吸能泡沫材料，填充汽車B 柱內吸收1． 51kJ 能量，是原來B 柱加強板吸收能量的3 倍。

泡沫鋁是一種不便宜的材料，制作過程復雜。目前，僅能在一小部分汽車零部件上使用。但隨著新工藝的發(fā)明，泡沫鋁材料也許會在越來越多的領域使用。泡沫鋁的應用為汽車的減重、吸能、節(jié)能、環(huán)保等問題提供新的思路。