激光切割机铝横梁泡沫铝填充门槛横梁改善汽车侧

作者|学术期刊-《电动汽车建筑学报》

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摘 要：电动汽车出现前部对撞时，主要就透过车窗内部玻璃钢、准入门槛横梁、盖板、B 柱等内部玻璃钢展开能量传递或另一方面的形变来稀释对撞能。科学合理的前部内部结构和新金属材料应用领域，是提升电动汽车侧碰安全可靠的重要途径。如前所述资产泡沫铝金属材料在气动力和压制状况下的优点科学研究，将资产泡沫铝A43EI235E内部结构强化后充填到准入门槛横梁中，在相同速率下展开最优化数学模型对撞模拟预测，对强化后底盘与旧款的入侵量和角速率最大值展开对照，科学研究资产泡沫铝A43EI235E内部结构在相同速率对撞下明显改善电动汽车反抗对撞的效用。结果表明，资产泡沫铝A43EI235E内部结构在3 种速率对撞上均达至了良好的增加入侵量和增加角速率最大值的效用。

关键字：资产泡沫铝；A43EI235E内部结构；车窗横梁；侧碰安全可靠

电动汽车对撞事故中，过大的加减速率最大值或电动汽车内部结构形变压迫是造成人员伤亡的主要就原因，电动汽车复杂的对撞过程与对撞速率均会对电动汽车安全可靠造成巨大影响，因此，电动汽车内部结构安全可靠设计与对撞速率对电动汽车性能的影响关系科学研究具有重要意义。资产泡沫铝金属材料具有轻质、吸能力强的优良优点，被认为是一种最有前途的电动汽车轻量化金属材料，设计科学合理的资产泡沫铝A43EI235E内部结构既能达至增加对撞角速率的效用，又能满足电动汽车轻量化设计要求[1-2]。

徐平等[3]透过在车窗防撞梁中使用资产泡沫铝金属材料的方法，起到提升吸能量和抗弯强度的作用。马聪承等[4]采用设计科学合理的资产泡沫铝A43EI235E内部结构应用领域到电动汽车窗槛横梁中，达至了增加底盘角速率的目的。VINICIUs 等[5]探讨了资产泡沫铝金属材料在恒定载荷模式下的轴向折叠内部结构稀释压制能量的情况，以及管壁间的相互作用关系等，结果表明，在电动汽车、火车和其它运输工具中，资产泡沫和管壁在能量稀释和载荷传递优点下，其相互作用有直接的影响关系。TENG等[6]为了增加行人头部伤害，在电动汽车发动机罩中设计了碳纤维增强资产泡沫和铝强化聚碳酸酯金属材料内部结构，起到了很好的稀释对撞能的作用，从而达至保护行人的目的。兰凤崇等[7]在明显改善翻转内部结构的稳定性过程中使用了资产泡沫铝金属材料，获得了良好的内部结构性能。于英华等[8]设计了资产泡沫铝层合内部结构式电动汽车发动机罩板，有效地提升了发动机的静态优点和行人对撞安全可靠性。MA Congcheng 等[9]预测了资产泡沫铝A43EI235E内部结构对电动汽车前纵梁和准入门槛横梁的性能明显改善优点。激光切割机铝横梁

国内外文献对资产泡沫铝金属材料在电动汽车上的应用领域展开了探索，对资产泡沫铝内部结构充填局部开展了科学研究，但关于资产泡沫铝A43EI235E内部结构在相同对撞速率工况下，对电动汽车安全可靠性能的影响关系等科学研究的文献并不多见，本课题将对此展开深入科学研究，旨在推动资产泡沫铝金属材料在电动汽车上的应用领域。激光切割机铝横梁

资产泡沫铝性能科学研究

资产泡沫铝金属材料在气动力试验中表现出低水平应力、较长平台期优点，资产泡沫铝平台应力由资产泡沫胞元的失效机制决定，透过金属材料的弹性屈曲、塑性破损或断裂等A43EI235E状况来呈现。闭孔资产泡沫铝胞元的封闭孔中存在初始空气压力P0，在压缩过程中P0 抬高了资产泡沫铝金属材料的平台应力，外加应力必须克服初始空气压力P0，从而达至资产泡沫铝胞壁屈曲条件，从理论上预测，此时所需的外加应力可表示为：

式中：为平台应力为资产泡沫铝胞壁金属材料的弹性模量，MPa；Patm 为1 标准大气压力，MPa [10]。

外加应力克服初始应力后，对资产泡沫铝金属材料继续展开压缩，随着胞元体积的逐步增加，资产泡沫胞元中的空气流体将对胞壁形成更大压力，此时用Boyle定律求出数值模量贡献，应力和应变可表示为[10]：

式中：σ为后续压溃平台应力，MPa；ε 为应变。在资产泡沫铝胞元内部结构出现塑性破

损时，塑性极限弯矩可表示为式 中Ys 为胞壁金属材料的屈服应力。则力此时名义应力σP 表示为因为即得

在电动汽车内部结构设计中，主要就考虑资产泡沫铝金属材料的限制最大值应力或平台应力，较低的应力值更容易满足电动汽车吸能内部结构的设计要求。气体从资产泡沫铝孔洞逸出时形成气压包，气体的逸出速率受试验压制速率的影响，因此压缩速率是影响资产泡沫铝金属材料应变率效应的重要因素之一。在低应变率100 ～102 s-1压缩试验中，低孔隙率的闭孔资产泡沫铝金属材料的力学性能基本上不受应变率影响。试验结果表明，在102 ～104 s-1 应变率和104 ～106 s-1 应变率的试验中，低孔隙率（约50%～70%）的资产泡沫铝金属材料在压缩试验中，其压缩性能明显受到应变率影响。但对于高孔隙率（大于70%）的资产泡沫铝金属材料在试验中表现出基本不受应变率影响的优点[11-14]。激光切割机铝横梁

内部结构预测与强化设计

对sUV 目标车的最优化数学模型展开前部对撞预测，并与实车对撞试验展开比对验证，对撞试验80 ms 时和对撞结束后底盘形变如图1 所示。侧碰出现时主要就的承力和形变内部结构包括车窗内部玻璃钢、B 柱、准入门槛横梁，地板第一横梁和第二横梁内部玻璃钢等，这些内部结构稀释了侧碰中产生的大部分对撞能。在对撞试验中，准入门槛横梁为主要就承力内部玻璃钢，其形变严重，在对撞出现0.04 s 时y 向最大形变量达至174.0 mm，准入门槛横梁中部向主驾驶位置入侵。由于准入门槛横梁过早出现弯曲，导致底部车架传递能量无法发挥效能，因而有必要展开内部结构强化，明显改善准入门槛横梁内部结构传递能量的能力。激光切割机铝横梁

图1 最优化数学模型对撞模拟预测与实车对撞试验对照

以侧碰中主要就承力内部玻璃钢准入门槛横梁为主要就强化设计目标，根据模拟计算结果展开强化设计，对加强板4 和8 作删减处理，其它部分内部结构厚度展开强化设计。资产泡沫铝A43EI235E内部结构具有较强的稀释对撞能的能力，在准入门槛横梁中分散布置资产泡沫铝A43EI235E内部结构，既能增加内部结构刚度又能稀释更多对撞能。将资产泡沫铝A43EI235E内部结构安装到准入门槛横梁中，准入门槛横梁内部结构与位置如图2 所示。资产泡沫铝A43EI235E内部结构由厚度为1.0 mm 的薄壁铝管和密度为0.30 g/cm3 的资产泡沫铝组合而成，单件A43EI235E内部结构质量为127.7 g，资产泡沫铝A43EI235E内部结构以粘结方式连接到准入门槛横梁中。对准入门槛横梁部分内部结构展开厚度强化和内部结构删减，最终强化方案共减重761.2 g，以下强化方案车型称为吸能式底盘。

图2 准入门槛横梁充填资产泡沫铝A43EI235E内部结构强化方案

最优化数学模型模拟计算

对旧款和吸能式底盘分别展开最优化模拟计算，以3 种相同速率展开对撞预测，科学研究内部结构入侵量和最大角速率最大值形变规律，以准入门槛横梁相对座椅中点的入侵量变化和座椅中点角速率最大值为指标展开对照。激光切割机铝横梁

3.1 20 km/h 速率对撞结果预测

分别对旧款和吸能式底盘展开20 km/h 速率对撞模拟预测，对照预测座椅中点的最大角速率最大值，结果表明旧款最大最大值为117.6 m/s2，吸能式底盘为59.3 m/s2，吸能式底盘下降了49.1%，两车座椅中点角速率最大值对照如图3a 所示。吸能式底盘在整个对撞过程中角速率最大值起伏相差不大，最大值约出现在0.10 s 时。与旧款相比，吸能式底盘角速率最大值下降效用明显，突显了资产泡沫铝A43EI235E内部结构优良的抗撞性能。20 km/h 速率对撞中，吸能式底盘最大入侵量为55.6 mm，比旧款最大入侵量169.5 mm 增加了113.9 mm，下降了67.2%，两车窗槛横梁对座椅中点的入侵量对照如图3b 所示。

图3 20 km 速率对撞两车模拟预测结果对照

3.2 50 km/h 速率对撞结果预测

分别对旧款与吸能式底盘展开50 km/h 速率对撞模拟预测，结果表明旧款最大角速率最大值为142.1 m/s2，吸能式底盘最大角速率最大值为74.9 m/s2，比旧款增加67.2 m/s2，下降了47.5%。两车座椅中点的角速率最大值时序对照如图4a 所示，吸能式底盘角速率最大值整体表现平稳，基本保持在较低水平波动。激光切割机铝横梁

对照预测两车窗槛横梁在y 方向上对座椅的入侵量，旧款窗槛横梁相对座椅中点的入侵量为174.0 mm，吸能式底盘入侵量为64.0 mm，比旧款入侵量增加110.0 mm，下降了63.2%，两车窗槛横梁相对座椅中点的入侵量时序对照如图4b 所示。结果表明，吸能式底盘对增加乘员仓入侵量的效用明显。

图4 50 km 速率对撞两车模拟预测结果对照

3.3 80 km/h 速率对撞结果预测

分别对旧款与吸能式底盘展开80 km/h 速率对撞模拟预测，对其角速率最大值和准入门槛横梁相对座椅中点入侵量展开对照，如图5 所示。

图5 80 km 速率对撞两车模拟预测结果对照

吸能式底盘角速率最大值为133.3 m/s2，比旧款角速率最大值145.0 m/s2 增加了11.7 m/s2，下降了7.4%。

预测对照旧款和吸能式底盘准入门槛横梁相对座椅中点在y 向上的入侵量，吸能式底盘最大入侵量为75.1 mm，比旧款最大入侵量177.2 mm 增加了101.9 mm，下降了57.6%。

3.4 对撞结果对照预测

对20 km/h、50 km/h、80 km/h 速率对撞时的各项数据展开对照预测，比较吸能式底盘与旧款的最大角速率最大值与底盘入侵量大小，对撞结果数据见表1[11]。激光切割机铝横梁

在驾驶座一侧B 柱下方取点B 作为参考点；在驾驶座一侧A 柱下方取点C 作为参考点。吸能式底盘在最优化数学模型模拟对撞中，底盘动能的下降比旧款快，资产泡沫铝A43EI235E内部结构起到良好的缓冲作用。在20 km/h 对撞速率中，最大角速率最大值由旧款117.6 m/s2 下降到59.3 m/s2，下降了49.6%；在50 km/h 对撞速率中，最大角速率最大值由旧款142.1 m/s2 下降到74.9 m/s2，下降了47.5%；在80 km/h 速率对撞时，最大角速率最大值由旧款145.0 m/s2 下降到133.3 m/s2，下降了8.1%。相比旧款，吸能式底盘增加角速率最大值的效用非常明显。

吸能式底盘准入门槛横梁相对座椅中点在y 向的入侵量，在20 km/h、50 km/h、80 km/h 对撞速率中，比旧款分别增加了113.9 mm、110.0 mm、102.1 mm，吸能式底盘入侵量大幅度增加，起到了良好的保护乘员的作用[11]。

在3 种速率对撞试验中，吸能式底盘的角速率最大值分别下降了58.3 m/s2、67.6 m/s2、11.8 m/s2，呈现出良好的增加角速率最大值的效用，充分发挥了资产泡沫铝内部结构的吸能优势，良好地提升了底盘抗撞性能。激光切割机铝横梁

表1 20 km/h、50 km/h、80 km/h 对撞中各项数据对照

结论

透过对一款实例车型展开强化设计，科学研究了相同速率对撞工况下，资产泡沫铝A43EI235E内部结构对电动汽车侧碰安全可靠性能的影响规律，以横梁相对座椅中点的入侵量和座椅中点角速率最大值为指标对旧款与吸能式底盘展开了对照科学研究。

（1）透过最优化数学模型模拟计算预测与试验相结合，科学研究了资产泡沫铝A43EI235E内部结构在相同速率对撞中，对于电动汽车安全可靠性能的影响变化。在3 种速率下对撞时，资产泡沫铝A43EI235E内部结构均能发挥良好的作用，大幅度增加了底盘的入侵量。

（2）资产泡沫铝A43EI235E内部结构使座椅中点角速率最大值明显增加，在20 km/h、50 km/h、80 km/h 对撞中，角速率最大值分别下降了49.6%、47.5%、8.1%。

对底盘展开强化设计，将资产泡沫铝A43EI235E内部结构充填到准入门槛横梁中，增加了对撞入侵量并增加了角速率最大值，达至了提升电动汽车侧碰安全可靠性和底盘轻量化的目的，可为电动汽车开发人员提供参考。

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