泡沫鋁在汽車結構件上的應用

呂學奎 郝俊鋒

摘要： 隨著工業的發展，汽車的數量與日俱增，車輛的碰撞事故每時每刻都在發生，為了有效降低車輛發生碰撞給乘客造成的傷害，汽車逐步采用吸能結構設計是所有現代乘用車的基本設計思路。吸能設計就是在車身的非關鍵部位，盡量的形變以吸收動能，來保證車內乘員的生存空間。泡沫鋁作為良好的輕質吸能部件在汽車領域被越來越多的應用。

Abstract： With the development of industry， the number of automobiles is increasing day by day， and vehicle collision accidents occur all the time. In order to effectively reduce the damage caused by vehicle collisions to passengers， the basic idea of automobile design is to gradually adopt energy-absorbing structure design. Energy absorption design is to deform as much as possible to absorb kinetic energy in non-critical parts of the car body to ensure the living space of the occupants in the car. As a good lightweight energy-absorbing component， foamed aluminum is increasingly used in the automotive field.

關鍵詞： 車身結構;吸能;泡沫鋁

Key words： body structure;energy absorption;foamed aluminum

中圖分類號：U463.1????????????????????????????????????? 文獻標識碼：A????????????????????????????????? 文章編號：1674-957X（2021）21-0033-02

0? 引言

汽車發生撞擊時，會產生巨大的撞擊力，如果撞擊力直接作用在車身，那么車身會發生大范圍變形甚至損壞，此產生的沖擊能量如果作用在乘客，乘客會受到嚴重傷害;現代車身設計大多會考慮吸能設計，其大體分為潰縮吸能和解體吸能兩種。為了防止撞擊后碎片的二次傷害及對周圍環境的次生傷害，民用車大多使用潰縮吸能，賽車等專用車大多使用解體吸能。軍用防雷等特殊場景則采用吸能材料直接吸收沖擊能，本文主要以民用車進行探討。

1? 車身吸能結構的作用

最早的汽車潰縮設計目的是在發生碰撞時，用車身非關鍵部位產生變形來吸收碰撞時產生的沖擊力。當車輛發生碰撞后突然減速時，乘客仍然在慣性下高速向前，巨大的慣性遠遠超出人類軀體的承受能力。潰縮設計，就是用來為突然減速提供一定的緩沖，以降低乘客可能遭受到的最大損害。在世界各國的汽車行業，潰縮設計，已經成為了衡量一輛汽車安全與否的重要依據。

2? 泡沫金屬

在傳統的工程材料中，孔洞（宏觀或微觀的）被認為是一種結構缺陷，因為它們往往是裂紋形成和擴展的核心，對材料的物理性能及力學性能產生不利的影響。但是，當材料中孔洞的數量（即孔隙率）增加到一定程度后，材料就會因孔洞的存在而產生一些特殊的功能，從而形成了一個新的材料門類，這就是所謂的多孔（porous）材料，亦可稱為泡沫材料[1-3]。泡沫金屬具有一系列的優良性能：孔隙率高、高比強度、高比剛度、吸能、阻尼減震性能好、耐腐蝕、耐高溫、電磁屏蔽、無毒、易加工、可進行涂裝表面處理等等[4-7]。由于其優異的物理、力學性能，泡沫金屬既可作為結構材料應用，也可作為功能材料應用。一般情況下它兼具功能和結構雙重作用，是一種功能和結構一體化的性能優異的多功能工程材料。由于泡沫金屬本身擁有力學、熱學、聲學、電磁學上的諸多物理特性[4]。使用泡沫金屬結構材料，利用泡孔的超輕結構和緩沖吸能的特性達到吸能作用，目前泡沫鋁在我國是研究最廣泛的多孔金屬，故現在各大主機廠把泡沫鋁作為吸能填充材料的優選。

3? 鋁基泡沫鋁特性

鋁基泡沫鋁具有超低密度，目前國際前沿的泡沫鋁工藝技術已經可以實現成型密度在0.25-0.8g/cm3之間進行精確控制，是輕量化的優質金屬材料;同時其具有高強度，其抗彎比剛度可以達到鋼的1.3-1.5倍;吸能性上能夠達到2-10MPa的吸能平臺;吸聲性能方面經過試驗數據測試吸聲系數可高達0.9以上，降噪系數0.5;減振性能上能夠使機械振動降低2個數量級，阻尼性能經過測算可以達到金屬鋁合金的5-10倍;防護性能上能夠使爆炸沖擊波呈指數衰減，其能量吸收能力3-6kJ/cm2。

4? 泡沫鋁在汽車結構的典型應用場景

4.1 汽車前后防撞單元

汽車前防撞吸能在車頭到駕駛室之間，用不同強度的金屬材料，從車頭開始，設計成階梯式強度不同的區域，在發生碰撞時，最脆弱的車頭先發生潰縮變形，其次是第二段，然后第三段，在依次潰縮變形中，逐步最大化的吸收碰撞產生的沖擊能量，保證乘客艙的安全，如圖1所示。

基于某乘用車設計一款吸能盒，此吸能盒采用鋁基泡沫鋁材料作為芯部吸能減震材料，芯部泡沫鋁采用厚度20mm，密度0.6g/cm3-0.8g/cm3進行填充;外骨架采用6061鋁合金結構，并在外骨架設置潰縮點，二者進行釬焊復合，通過此種方式可以實現輕量化的汽車吸能盒，并具有良好的吸收撞擊動能的功能;配合安裝點、安裝形式等結構設計達到汽車安裝要求，如圖2所示。

4.2 乘客艙底板

利用鋁基泡沫鋁具有良好的吸能吸聲特性，可以使用一種“三明治”泡沫鋁材料制作汽車地板，在保證強度和剛度的同時可以有效達到隔震隔音的效果，相對于實體板材可以降噪2-4倍，從而提升車輛舒適性，大幅度降低車輛行駛過程中的噪音，如圖3所示。

4.3 電動汽車電池箱

利用鋁基泡沫鋁具有優良的振動阻尼，純電汽車的電池箱在底板和側圍板填充泡沫鋁可以有效吸能防震，對電池形成保護。如車身發生碰撞，電池箱的側圍板潰縮吸能，同時通過結構將力進行一定程度轉移，有效防止電芯損毀，一定程度上可以降低碰撞后爆炸起火的可能性。同樣泡沫鋁具有良好的防火特性，經過處理的泡沫鋁可以在700℃下可保持25分鐘不熔化，即使在電池出現燃燒情況下，也可以有效形成保護，為乘客逃生贏得關鍵時間。

以某創新設計方案為例，設計一種填充鋁基泡沫鋁材料的新能源電動汽車的電池箱，經過模擬計算測得約束模態可以實現大于40Hz的第一階模態;在電池系統布置區域均布電池模組等部件的質量的情況下，模型分別施加Z向4G的加速度，X向±1G的加速度，正X向1G、負Z向1G的加速度，負X向1G、負Z向1G的加速度，正Y向1G、負Z向1G的加速度，負Y向1G、負Z向1G的加速度等多種強度工況，其最終結果能實現底部變形量小于1.5mm，不產生屈服及應力集中;在零部件進行半圓柱體擠壓實現的過程中，分別使用半徑？準50mm、？準75mm，高度500mm的直半圓柱體，施加單位載荷進行測試，測試結果電池箱體變形量小于箱體與模組之間的空間間隙，變形量不會對電池組產生影響，綜上可見“三明治”結構的電池箱設計方案可以滿足設計及使用要求，通過顯著的輕量化效果，可以有效提高電池的能力密度，增加車輛的續航能力，如圖4所示。

4.4 車身局部吸能結構

隨著新能源電動車的發展，車身結構已經從鋼結構逐步變成鋼鋁混合車身，現在全鋁車身也日益成熟。如果在鋁合金車身填充泡沫鋁，剛度預計可以提升1.5-2倍以上，阻尼，防震能力也能提高2倍以上，如圖5所示。

5? 結語

鋁基泡沫鋁材料以其超低的密度、高比強度、高比剛度、吸能等特性，能在輕量化車身上作為重要吸能結構件，可以有效提升車身吸能平臺，在保證輕量化指標的前提下提升汽車車身剛度;隨著工藝的成熟，復合手段的提高，復合泡沫鋁材料必將能夠在汽車各類結構件帶來更大的變革。

參考文獻：

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