简单分析泡沫铝填充在轿车B 柱中的侧面耐撞性研究

摘要:

为了提高轿车侧面耐撞性，设计耐撞性能强的B 柱成为主要课题之一。

目前的优化方法很难将B 柱侵入量和侵入速度同时控制在理想范围内。因此，提出泡沫铝材料填充在汽车B 柱内代替B 柱加强板的方法，缓冲侧面碰撞冲击。

通过建立泡沫铝有限元模型与材料特性分析，确定仿真泡沫铝主要材料参数。进而根据中国新车评价规程C － NCAP 要求，建立轿车整车侧面碰撞有限元模型，采用LS － DYNA 软件进行仿真分析。

结果表明，泡沫铝填充后的B 柱侵入量和侵入速度都有明显降低。泡沫铝材料塑性变形和整体弯曲变形能够吸收1． 51kJ 的能量，是B 柱加强板的3 倍。填充泡沫铝前后仿真结果表明，轿车B 柱填充泡沫铝是一种提高轿车侧面耐撞性的方法。

引言

在汽车的各种碰撞形式中侧面碰撞是最为典型的事故类型之一。根据我国1999 － 2009 年道路交通事故统计，发生侧面碰撞事故比例占到将近30%，仅次于正面碰撞，但由于侧面碰撞所特有的碰撞特点导致侧碰中乘员的伤亡程度比正面碰撞还要高，尤其在我国侧面碰撞导致死亡的比例要高于国外的平均水平。

所以增加轿车侧面吸能部件，提高轿车侧面耐撞性是我国一项重要的科研任务。泡沫铝材料是一种铝或铝合金基体中分布着大量孔洞的新型轻质多功能材料。泡沫铝呈网状结构具有孔隙率高、密度小、变形大等特点，用作填充材料制成能量吸收装置已在航空、武器装备防护等领域得到应用。

国内王玲对于泡沫铝材料单胞模拟证明，开孔和闭孔的压缩应力－应变曲线都具有线弹性、塑性屈服平台段和致密段三个阶段; 李晓豁教授将泡沫铝填充纵梁内改善车架碰撞性能; 哈尔滨工业大学的刘春盟研究表明，泡沫铝填充管保险杠比普通空心管保险杠在相同重量时的最大吸能量提升了71%; 辽宁工程技术大学的于英华证明采用LS － DYNA 软件对泡沫铝压缩行为进行有限元仿真的可行性。

国外，Cymat 泡沫铝作为汽车产品的填充物已应用于德国格奥菲舍尔汽车。泡沫铝还可以用于汽车的顶盖纵梁、连杆、活塞、传动齿轮、汽缸体等。综上，多数人研究泡沫铝还是以单胞结构为主，泡沫铝作为填充材料也是采用系统本构模型参数。

本文将泡沫铝单胞结构空间排列形成部件几何体，主要材料参数由试验参数提取出来，提出比较详细的建立更真实的泡沫铝填充材料有限元模型的方法，并填充在轿车模型中以提高侧面B 柱耐撞性。

轿车B 柱耐撞性原理

依据中国新车评价规程( C － NCAP) ，侧面碰撞台车的速度为50km/h，碰撞时间很短，动能主要由轿车侧围外板和B柱以及相关连接件吸收。其动能



其中: m0为台车质量，v0为台车碰撞速度，E1为侧围外板以及相关连接件吸收能量，E2为B 柱吸收能量，m 为B 柱质量，v 为B 柱质心速度，S 为B 柱侵入位移，F 为冲击载荷。

由式( 1) 、( 2) 可知，B 柱的侵入位移和侵入速度由轿车B 柱吸收能量决定的，同时也可以作为评价B 柱耐撞性的指标。一些常用的优化方法能降低B 柱侵入位移，但导致侵入速度增加，反之亦然。这也是提高B 柱耐撞性的难点之一。因此，将泡沫铝缓冲材料填充在汽车B 柱内，通过金属泡沫材料吸收一部分能量提高B 柱耐撞性，则式( 2) 变为



其中: ΔE 为泡沫铝材料吸收能量。

由式( 1) 、( 3) 可知，在侧围外板及相关连接件吸能基本不变前提下，填充泡沫铝材料能达到使B 柱侵入位移和侵入速度同时减小的目的。泡沫铝是一种泡沫材料，将建立开孔泡沫铝有限元模型和材料特性分析，并填充在轿车B 柱代替B 柱加强板，分析其对B 柱耐撞性的影响。

3泡沫铝建模及材料特性分析

3.1 泡沫铝介绍

金属泡沫可通过液态或半液态金属中气泡的形核与长大而获得。泡沫铝的制备方法有很多种，主要有熔体注气法、粉末冶金法发泡法、FOＲMGＲIP 法、熔模铸造法、烧结溶解法、电沉积法。泡沫铝是由少量铝或铝合金骨架和大量气孔组成的材料。

泡沫铝材料由于其独特的多孔结构，在压缩载荷下表现出一个近似恒应力的塑性应变过程。由于这种压缩形变行为，泡沫铝在经受压缩载荷时，能在较低的应力水平下吸收大量能量，从而成为一种极具应用潜力的冲击缓冲材料。目前，泡沫铝仅能在一小部分汽车零部件上使用，但是泡沫铝的应用为汽车的减重、吸能、节能、环保、安全等一系列问题的解决提供了新的可行途径。

3.2 泡沫铝仿真模型

泡沫铝的相对密度小和比刚度高，所以使用泡沫铝制成的零部件既能满足相应的刚度要求，又能极大减轻汽车的重量。本文选取体心立方开孔单胞结构，各个单元经过空间密集堆积，可实现三维各向同性。如下图1、图2、图3 建模过程。



由图1 所示单胞结构为立方体，并且立方体的体心和八个顶点上各有一个球形孔隙。由图2 所示单胞结构空间排列形成一个部件几何体。由图3 所示有限元前处理软件Hypermesh 将泡沫铝几何体划分网格，从而建立泡沫铝材料有限元结构模型。

3.3 仿真泡沫铝材料参数分析

由于泡沫铝是由金属铝发泡形成的，所以将泡沫铝看成是高度残缺的弹塑性金属材料。泡沫铝是有很多空隙的实体，有时孔隙率高达99%。孔隙率P 指材料内部孔隙体积占其总体积的百分率。设体心立方闭孔单胞的边长为a，立方体顶点球体半径为r。该单胞结构孔隙体积包括1 个体心球体和8 个顶点的1 /8 球体。所以孔隙体积为




此种孔隙率为85% 的泡沫铝在清华大学机械工程系做的准静态压缩试验，泡沫铝材料尺寸为40* 40* 40mm，三条应力应变试验曲线拟合出一条工程应力应变曲线，如图4 所示。



由图4 可知，该曲线明显分位弹性段、应力平台段和密实段。泡沫铝压缩初期时，泡沫铝发生弹性变形，然后经历应力平台阶段，泡沫孔开始破裂，压缩应力基本保持不变，能够吸收各方向的能量，具有很好的吸能特性。

经过大量的塑性变形后进入到密实化阶段，压缩应力迅速上升。由于压缩过程中截面形状是发生变化，而工程应力应变曲线是假定原始截面不变，所以要用真实应力应变曲线来做后续研究。工程应力应变转化为真实应力应变关系为



式中，εE为工程应变，σE为工程应力; εT为真实应变，σT为真实应力。由工程应力应变曲线图4 经过式( 9) 、( 10) 转化之后得到真实应力应变曲线，如图5 所示。由图5 可知，由泡沫铝材料真实应力应变曲线弹性段的斜率可得到弹性模量为10GPa，弹性段顶端的最大应力值可得到屈服强度为5MPa。将泡沫铝材料的真实应力应变曲线的弹性段去掉，后面的曲线为仿真泡沫铝的应力应变曲线。



整车侧面碰撞有限元模型建立与验证及泡沫铝填充方式

4.1 整车侧面碰撞有限元模型建立

整车模型的建立按照汽车制造的工艺流程进行，整车的装配通过在其边界上增加相应的连接单元来实现。将侧面台车模型导入所建的整车有限元模型里，按照C － NCAP 侧面碰撞要求建立侧面碰撞有限元模型。整车侧面碰撞有限元模型包括118 万个单元，材料模型包括弹性材料和刚性材料等，模型还考虑了接触问题。仿真模型中，碰撞台车以50km/h 的速度垂直撞击整车有限元模型，如图6 所示。



图6 中: 台车的中垂面垂直于车辆纵向轴线并对准驾驶员Ｒ 点，整车和碰撞台车与地板的摩擦系数为0.3。

4.2 有限元模型分析验证

为了保证结果的可靠性，在运用有限元模型进行深入研究前，首先要验证所用的有限元仿真模型，验证方式就是将有限元仿真结果和实车试验进行比较分析。

4.2.1 模型能量关系和质量增加情况

整车侧面碰撞仿真时间为110ms，碰撞过程能量关系如图7。



由图7 可知，整车侧面碰撞过程能量平稳无明显波动现象，沙漏能和滑移界面能都控制在5%之内，可以认为模型在碰撞过程中能量变化是正常的。碰撞过程整车质量变化情况如图8。



由图8 可以看出，整车有限元模型在碰撞过程中质量增加为1．8%，在控制范围5% 之内，进一步验证模型的可靠性。

4.2.2 整车加速度对比

整车碰撞有限元模型中，非碰撞侧B 柱下端装加速度计，以测量整车加速度值，得到的B 柱加速度速度曲线与同类车型的实车试验加速度曲线对比，如图9 所示。



由图9 可知，试验加速度曲线与仿真加速度曲线走势相同，峰值时间都是在40ms 左右，最大加速度值分别为16．4g和17．9g。通过对比分析，验证了侧面碰撞仿真模型的有效性，为后续的研究提供了可靠的基础模型。

4.3 泡沫铝填充方式



由图10 可知，轿车侧面B 柱外板与内板之间存在B 柱加强板。泡沫铝填充之后如图11。由图11 所示，泡沫铝材料填充B 柱外板与内板之间，代替B 柱加强板。泡沫铝与B柱焊接在一起。泡沫铝材料填充汽车B 柱后的整车侧面碰撞有限元模型生成K 文件，提交LS_DYNA 计算。



基于泡沫铝填充材料的B 柱耐撞吸能仿真与分析

5.1 评价标准的确定

B 柱是侧面碰撞中的主要受力部件。由式( 3) 知，如果填充的泡沫铝材料通过压缩变形吸能较多的能量，则对整车的冲击就会减小，汽车B 柱的侵入量和侵入速度就会减小，从而减少乘员损伤。所以，汽车B 柱侵入量和侵入速度可以作为评价泡沫铝材料汽车耐撞性的指标。

5.2 填充前后汽车B 柱仿真分析

将Ls － dyna 计算后的文件交予Hyperview 后处理，查看碰撞过程中的能量是守恒的，质量增加也在有效控制范围之内。在确定模型计算的有效性下，对填充前后的汽车B 柱仿真分析。选取汽车B 柱上六个点作为考察点，如图12。



图12 中分别对应B 柱顶端、乘员头部、B 柱腰线、乘员胸部、乘员臀部、B 柱底端。分别对比填充前后六个考察点侵入量和侵入速度，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减小。尤其是B 柱侵入量减小的同时，B 柱侵入速度仍有这么明显的降低，可以认定填充的泡沫铝增加了整车B 柱侧面耐撞性。填充泡沫铝材料前后的汽车B 柱最大变形量也有177mm 减小到154mm，减小了13%。

5.3 泡沫铝吸能仿真分析

泡沫铝作为一种泡沫金属，自身变形会吸收较多的能量。由后处理软件Hyperview 得到部件泡沫铝和B 柱加强板吸收能量对比，如图13 所示。


由图13 知，泡沫铝吸能为1． 51kJ，B 柱加强板吸能为0．47kJ。填充的泡沫铝吸能是原来加强板的3 倍。由于泡沫铝材料有较宽的塑性平台阶段，在这个阶段泡沫铝胞孔发生屈曲、坍塌，使泡沫铝具有很好的吸能效果。如图14 所示，碰撞前后泡沫铝填充材料的变形情况。


由图14 可知，泡沫铝填充材料在整车碰撞过程不仅自身压缩变形吸能，而且自身弯曲变形吸能。而未填充泡沫铝材料的B 柱加强板只有通过自身弯曲变形吸能，所以填充的泡沫铝材料吸收了更多的能量，减少了侧面台车对整车碰撞冲击，从而增强了整车的侧面耐撞性。

6结论

本文在将泡沫铝材料填充在汽车B 柱的基础上，利用泡沫铝材料吸能性强的特点，以提高整车B 柱侧面的耐撞性。成功建立泡沫铝填充物的有限元模型，并确定了泡沫铝的主要材料参数，将其填充在整车B 柱中，采用Ls － dyna 显示求解方式，对填充泡沫铝前后的整车进行侧面碰撞仿真分析。

以B 柱侵入量和侵入速度作为整车侧面耐撞性的评价指标，仿真结果显示B 柱侵入量和侵入速度都有明显减小，从而提高整车的侧面耐撞性。泡沫铝作为一种特殊的吸能泡沫材料，填充汽车B 柱内吸收1． 51kJ 能量，是原来B 柱加强板吸收能量的3 倍。

泡沫铝是一种不便宜的材料，制作过程复杂。目前，仅能在一小部分汽车零部件上使用。但随着新工艺的发明，泡沫铝材料也许会在越来越多的领域使用。泡沫铝的应用为汽车的减重、吸能、节能、环保等问题提供新的思路。