作者|學(xué)術(shù)期刊-《電動(dòng)汽車建筑學(xué)報(bào)》

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摘 要：電動(dòng)汽車出現(xiàn)前部對(duì)撞時(shí)，主要就透過車窗內(nèi)部玻璃鋼、準(zhǔn)入門檻橫梁、蓋板、B 柱等內(nèi)部玻璃鋼展開能量傳遞或另一方面的形變來稀釋對(duì)撞能?？茖W(xué)合理的前部?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)和新金屬材料應(yīng)用領(lǐng)域，是提升電動(dòng)汽車側(cè)碰安全可靠的重要途徑。如前所述資產(chǎn)泡沫鋁金屬材料在氣動(dòng)力和壓制狀況下的優(yōu)點(diǎn)科學(xué)研究，將資產(chǎn)泡沫鋁A43EI235E內(nèi)部結(jié)構(gòu)強(qiáng)化后充填到準(zhǔn)入門檻橫梁中，在相同速率下展開最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型對(duì)撞模擬預(yù)測(cè)，對(duì)強(qiáng)化后底盤與舊款的入侵量和角速率最大值展開對(duì)照，科學(xué)研究資產(chǎn)泡沫鋁A43EI235E內(nèi)部結(jié)構(gòu)在相同速率對(duì)撞下明顯改善電動(dòng)汽車反抗對(duì)撞的效用。結(jié)果表明，資產(chǎn)泡沫鋁A43EI235E內(nèi)部結(jié)構(gòu)在3 種速率對(duì)撞上均達(dá)至了良好的增加入侵量和增加角速率最大值的效用。

關(guān)鍵字：資產(chǎn)泡沫鋁；A43EI235E內(nèi)部結(jié)構(gòu)；車窗橫梁；側(cè)碰安全可靠

電動(dòng)汽車對(duì)撞事故中，過大的加減速率最大值或電動(dòng)汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)形變壓迫是造成人員傷亡的主要就原因，電動(dòng)汽車復(fù)雜的對(duì)撞過程與對(duì)撞速率均會(huì)對(duì)電動(dòng)汽車安全可靠造成巨大影響，因此，電動(dòng)汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)安全可靠設(shè)計(jì)與對(duì)撞速率對(duì)電動(dòng)汽車性能的影響關(guān)系科學(xué)研究具有重要意義。資產(chǎn)泡沫鋁金屬材料具有輕質(zhì)、吸能力強(qiáng)的優(yōu)良優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一種最有前途的電動(dòng)汽車輕量化金屬材料，設(shè)計(jì)科學(xué)合理的資產(chǎn)泡沫鋁A43EI235E內(nèi)部結(jié)構(gòu)既能達(dá)至增加對(duì)撞角速率的效用，又能滿足電動(dòng)汽車輕量化設(shè)計(jì)要求[1-2]。

徐平等[3]透過在車窗防撞梁中使用資產(chǎn)泡沫鋁金屬材料的方法，起到提升吸能量和抗彎強(qiáng)度的作用。馬聰承等[4]采用設(shè)計(jì)科學(xué)合理的資產(chǎn)泡沫鋁A43EI235E內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域到電動(dòng)汽車窗檻橫梁中，達(dá)至了增加底盤角速率的目的。VINICIUs 等[5]探討了資產(chǎn)泡沫鋁金屬材料在恒定載荷模式下的軸向折疊內(nèi)部結(jié)構(gòu)稀釋壓制能量的情況，以及管壁間的相互作用關(guān)系等，結(jié)果表明，在電動(dòng)汽車、火車和其它運(yùn)輸工具中，資產(chǎn)泡沫和管壁在能量稀釋和載荷傳遞優(yōu)點(diǎn)下，其相互作用有直接的影響關(guān)系。TENG等[6]為了增加行人頭部傷害，在電動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩中設(shè)計(jì)了碳纖維增強(qiáng)資產(chǎn)泡沫和鋁強(qiáng)化聚碳酸酯金屬材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，起到了很好的稀釋對(duì)撞能的作用，從而達(dá)至保護(hù)行人的目的。蘭鳳崇等[7]在明顯改善翻轉(zhuǎn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性過程中使用了資產(chǎn)泡沫鋁金屬材料，獲得了良好的內(nèi)部結(jié)構(gòu)性能。于英華等[8]設(shè)計(jì)了資產(chǎn)泡沫鋁層合內(nèi)部結(jié)構(gòu)式電動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩板，有效地提升了發(fā)動(dòng)機(jī)的靜態(tài)優(yōu)點(diǎn)和行人對(duì)撞安全可靠性。MA Congcheng 等[9]預(yù)測(cè)了資產(chǎn)泡沫鋁A43EI235E內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)電動(dòng)汽車前縱梁和準(zhǔn)入門檻橫梁的性能明顯改善優(yōu)點(diǎn)。激光切割機(jī)鋁橫梁

國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)資產(chǎn)泡沫鋁金屬材料在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用領(lǐng)域展開了探索，對(duì)資產(chǎn)泡沫鋁內(nèi)部結(jié)構(gòu)充填局部開展了科學(xué)研究，但關(guān)于資產(chǎn)泡沫鋁A43EI235E內(nèi)部結(jié)構(gòu)在相同對(duì)撞速率工況下，對(duì)電動(dòng)汽車安全可靠性能的影響關(guān)系等科學(xué)研究的文獻(xiàn)并不多見，本課題將對(duì)此展開深入科學(xué)研究，旨在推動(dòng)資產(chǎn)泡沫鋁金屬材料在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用領(lǐng)域。激光切割機(jī)鋁橫梁

資產(chǎn)泡沫鋁性能科學(xué)研究

資產(chǎn)泡沫鋁金屬材料在氣動(dòng)力試驗(yàn)中表現(xiàn)出低水平應(yīng)力、較長(zhǎng)平臺(tái)期優(yōu)點(diǎn)，資產(chǎn)泡沫鋁平臺(tái)應(yīng)力由資產(chǎn)泡沫胞元的失效機(jī)制決定，透過金屬材料的彈性屈曲、塑性破損或斷裂等A43EI235E狀況來呈現(xiàn)。閉孔資產(chǎn)泡沫鋁胞元的封閉孔中存在初始空氣壓力P0，在壓縮過程中P0 抬高了資產(chǎn)泡沫鋁金屬材料的平臺(tái)應(yīng)力，外加應(yīng)力必須克服初始空氣壓力P0，從而達(dá)至資產(chǎn)泡沫鋁胞壁屈曲條件，從理論上預(yù)測(cè)，此時(shí)所需的外加應(yīng)力可表示為：

式中：為平臺(tái)應(yīng)力為資產(chǎn)泡沫鋁胞壁金屬材料的彈性模量，MPa；Patm 為1 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力，MPa [10]。

外加應(yīng)力克服初始應(yīng)力后，對(duì)資產(chǎn)泡沫鋁金屬材料繼續(xù)展開壓縮，隨著胞元體積的逐步增加，資產(chǎn)泡沫胞元中的空氣流體將對(duì)胞壁形成更大壓力，此時(shí)用Boyle定律求出數(shù)值模量貢獻(xiàn)，應(yīng)力和應(yīng)變可表示為[10]：

式中：σ為后續(xù)壓潰平臺(tái)應(yīng)力，MPa；ε 為應(yīng)變。在資產(chǎn)泡沫鋁胞元內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性破

損時(shí)，塑性極限彎矩可表示為式 中Ys 為胞壁金屬材料的屈服應(yīng)力。則力此時(shí)名義應(yīng)力σP 表示為因?yàn)?/span>即得

在電動(dòng)汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要就考慮資產(chǎn)泡沫鋁金屬材料的限制最大值應(yīng)力或平臺(tái)應(yīng)力，較低的應(yīng)力值更容易滿足電動(dòng)汽車吸能內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。氣體從資產(chǎn)泡沫鋁孔洞逸出時(shí)形成氣壓包，氣體的逸出速率受試驗(yàn)壓制速率的影響，因此壓縮速率是影響資產(chǎn)泡沫鋁金屬材料應(yīng)變率效應(yīng)的重要因素之一。在低應(yīng)變率100 ～102 s-1壓縮試驗(yàn)中，低孔隙率的閉孔資產(chǎn)泡沫鋁金屬材料的力學(xué)性能基本上不受應(yīng)變率影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，在102 ～104 s-1 應(yīng)變率和104 ～106 s-1 應(yīng)變率的試驗(yàn)中，低孔隙率（約50%～70%）的資產(chǎn)泡沫鋁金屬材料在壓縮試驗(yàn)中，其壓縮性能明顯受到應(yīng)變率影響。但對(duì)于高孔隙率（大于70%）的資產(chǎn)泡沫鋁金屬材料在試驗(yàn)中表現(xiàn)出基本不受應(yīng)變率影響的優(yōu)點(diǎn)[11-14]。激光切割機(jī)鋁橫梁

內(nèi)部結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)與強(qiáng)化設(shè)計(jì)

對(duì)sUV 目標(biāo)車的最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型展開前部對(duì)撞預(yù)測(cè)，并與實(shí)車對(duì)撞試驗(yàn)展開比對(duì)驗(yàn)證，對(duì)撞試驗(yàn)80 ms 時(shí)和對(duì)撞結(jié)束后底盤形變?nèi)鐖D1 所示。側(cè)碰出現(xiàn)時(shí)主要就的承力和形變內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括車窗內(nèi)部玻璃鋼、B 柱、準(zhǔn)入門檻橫梁，地板第一橫梁和第二橫梁內(nèi)部玻璃鋼等，這些內(nèi)部結(jié)構(gòu)稀釋了側(cè)碰中產(chǎn)生的大部分對(duì)撞能。在對(duì)撞試驗(yàn)中，準(zhǔn)入門檻橫梁為主要就承力內(nèi)部玻璃鋼，其形變嚴(yán)重，在對(duì)撞出現(xiàn)0.04 s 時(shí)y 向最大形變量達(dá)至174.0 mm，準(zhǔn)入門檻橫梁中部向主駕駛位置入侵。由于準(zhǔn)入門檻橫梁過早出現(xiàn)彎曲，導(dǎo)致底部車架傳遞能量無法發(fā)揮效能，因而有必要展開內(nèi)部結(jié)構(gòu)強(qiáng)化，明顯改善準(zhǔn)入門檻橫梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)傳遞能量的能力。激光切割機(jī)鋁橫梁

圖1 最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型對(duì)撞模擬預(yù)測(cè)與實(shí)車對(duì)撞試驗(yàn)對(duì)照

以側(cè)碰中主要就承力內(nèi)部玻璃鋼準(zhǔn)入門檻橫梁為主要就強(qiáng)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果展開強(qiáng)化設(shè)計(jì)，對(duì)加強(qiáng)板4 和8 作刪減處理，其它部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)厚度展開強(qiáng)化設(shè)計(jì)。資產(chǎn)泡沫鋁A43EI235E內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的稀釋對(duì)撞能的能力，在準(zhǔn)入門檻橫梁中分散布置資產(chǎn)泡沫鋁A43EI235E內(nèi)部結(jié)構(gòu)，既能增加內(nèi)部結(jié)構(gòu)剛度又能稀釋更多對(duì)撞能。將資產(chǎn)泡沫鋁A43EI235E內(nèi)部結(jié)構(gòu)安裝到準(zhǔn)入門檻橫梁中，準(zhǔn)入門檻橫梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)與位置如圖2 所示。資產(chǎn)泡沫鋁A43EI235E內(nèi)部結(jié)構(gòu)由厚度為1.0 mm 的薄壁鋁管和密度為0.30 g/cm3 的資產(chǎn)泡沫鋁組合而成，單件A43EI235E內(nèi)部結(jié)構(gòu)質(zhì)量為127.7 g，資產(chǎn)泡沫鋁A43EI235E內(nèi)部結(jié)構(gòu)以粘結(jié)方式連接到準(zhǔn)入門檻橫梁中。對(duì)準(zhǔn)入門檻橫梁部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)展開厚度強(qiáng)化和內(nèi)部結(jié)構(gòu)刪減，最終強(qiáng)化方案共減重761.2 g，以下強(qiáng)化方案車型稱為吸能式底盤。

圖2 準(zhǔn)入門檻橫梁充填資產(chǎn)泡沫鋁A43EI235E內(nèi)部結(jié)構(gòu)強(qiáng)化方案

最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型模擬計(jì)算

對(duì)舊款和吸能式底盤分別展開最優(yōu)化模擬計(jì)算，以3 種相同速率展開對(duì)撞預(yù)測(cè)，科學(xué)研究?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)入侵量和最大角速率最大值形變規(guī)律，以準(zhǔn)入門檻橫梁相對(duì)座椅中點(diǎn)的入侵量變化和座椅中點(diǎn)角速率最大值為指標(biāo)展開對(duì)照。激光切割機(jī)鋁橫梁

3.1 20 km/h 速率對(duì)撞結(jié)果預(yù)測(cè)

分別對(duì)舊款和吸能式底盤展開20 km/h 速率對(duì)撞模擬預(yù)測(cè)，對(duì)照預(yù)測(cè)座椅中點(diǎn)的最大角速率最大值，結(jié)果表明舊款最大最大值為117.6 m/s2，吸能式底盤為59.3 m/s2，吸能式底盤下降了49.1%，兩車座椅中點(diǎn)角速率最大值對(duì)照如圖3a 所示。吸能式底盤在整個(gè)對(duì)撞過程中角速率最大值起伏相差不大，最大值約出現(xiàn)在0.10 s 時(shí)。與舊款相比，吸能式底盤角速率最大值下降效用明顯，突顯了資產(chǎn)泡沫鋁A43EI235E內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)良的抗撞性能。20 km/h 速率對(duì)撞中，吸能式底盤最大入侵量為55.6 mm，比舊款最大入侵量169.5 mm 增加了113.9 mm，下降了67.2%，兩車窗檻橫梁對(duì)座椅中點(diǎn)的入侵量對(duì)照如圖3b 所示。

圖3 20 km 速率對(duì)撞兩車模擬預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)照

3.2 50 km/h 速率對(duì)撞結(jié)果預(yù)測(cè)

分別對(duì)舊款與吸能式底盤展開50 km/h 速率對(duì)撞模擬預(yù)測(cè)，結(jié)果表明舊款最大角速率最大值為142.1 m/s2，吸能式底盤最大角速率最大值為74.9 m/s2，比舊款增加67.2 m/s2，下降了47.5%。兩車座椅中點(diǎn)的角速率最大值時(shí)序?qū)φ杖鐖D4a 所示，吸能式底盤角速率最大值整體表現(xiàn)平穩(wěn)，基本保持在較低水平波動(dòng)。激光切割機(jī)鋁橫梁

對(duì)照預(yù)測(cè)兩車窗檻橫梁在y 方向上對(duì)座椅的入侵量，舊款窗檻橫梁相對(duì)座椅中點(diǎn)的入侵量為174.0 mm，吸能式底盤入侵量為64.0 mm，比舊款入侵量增加110.0 mm，下降了63.2%，兩車窗檻橫梁相對(duì)座椅中點(diǎn)的入侵量時(shí)序?qū)φ杖鐖D4b 所示。結(jié)果表明，吸能式底盤對(duì)增加乘員倉(cāng)入侵量的效用明顯。

圖4 50 km 速率對(duì)撞兩車模擬預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)照

3.3 80 km/h 速率對(duì)撞結(jié)果預(yù)測(cè)

分別對(duì)舊款與吸能式底盤展開80 km/h 速率對(duì)撞模擬預(yù)測(cè)，對(duì)其角速率最大值和準(zhǔn)入門檻橫梁相對(duì)座椅中點(diǎn)入侵量展開對(duì)照，如圖5 所示。

圖5 80 km 速率對(duì)撞兩車模擬預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)照

吸能式底盤角速率最大值為133.3 m/s2，比舊款角速率最大值145.0 m/s2 增加了11.7 m/s2，下降了7.4%。

預(yù)測(cè)對(duì)照舊款和吸能式底盤準(zhǔn)入門檻橫梁相對(duì)座椅中點(diǎn)在y 向上的入侵量，吸能式底盤最大入侵量為75.1 mm，比舊款最大入侵量177.2 mm 增加了101.9 mm，下降了57.6%。

3.4 對(duì)撞結(jié)果對(duì)照預(yù)測(cè)

對(duì)20 km/h、50 km/h、80 km/h 速率對(duì)撞時(shí)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)展開對(duì)照預(yù)測(cè)，比較吸能式底盤與舊款的最大角速率最大值與底盤入侵量大小，對(duì)撞結(jié)果數(shù)據(jù)見表1[11]。激光切割機(jī)鋁橫梁

在駕駛座一側(cè)B 柱下方取點(diǎn)B 作為參考點(diǎn)；在駕駛座一側(cè)A 柱下方取點(diǎn)C 作為參考點(diǎn)。吸能式底盤在最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型模擬對(duì)撞中，底盤動(dòng)能的下降比舊款快，資產(chǎn)泡沫鋁A43EI235E內(nèi)部結(jié)構(gòu)起到良好的緩沖作用。在20 km/h 對(duì)撞速率中，最大角速率最大值由舊款117.6 m/s2 下降到59.3 m/s2，下降了49.6%；在50 km/h 對(duì)撞速率中，最大角速率最大值由舊款142.1 m/s2 下降到74.9 m/s2，下降了47.5%；在80 km/h 速率對(duì)撞時(shí)，最大角速率最大值由舊款145.0 m/s2 下降到133.3 m/s2，下降了8.1%。相比舊款，吸能式底盤增加角速率最大值的效用非常明顯。

吸能式底盤準(zhǔn)入門檻橫梁相對(duì)座椅中點(diǎn)在y 向的入侵量，在20 km/h、50 km/h、80 km/h 對(duì)撞速率中，比舊款分別增加了113.9 mm、110.0 mm、102.1 mm，吸能式底盤入侵量大幅度增加，起到了良好的保護(hù)乘員的作用[11]。

在3 種速率對(duì)撞試驗(yàn)中，吸能式底盤的角速率最大值分別下降了58.3 m/s2、67.6 m/s2、11.8 m/s2，呈現(xiàn)出良好的增加角速率最大值的效用，充分發(fā)揮了資產(chǎn)泡沫鋁內(nèi)部結(jié)構(gòu)的吸能優(yōu)勢(shì)，良好地提升了底盤抗撞性能。激光切割機(jī)鋁橫梁

表1 20 km/h、50 km/h、80 km/h 對(duì)撞中各項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)照

結(jié)論

透過對(duì)一款實(shí)例車型展開強(qiáng)化設(shè)計(jì)，科學(xué)研究了相同速率對(duì)撞工況下，資產(chǎn)泡沫鋁A43EI235E內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)電動(dòng)汽車側(cè)碰安全可靠性能的影響規(guī)律，以橫梁相對(duì)座椅中點(diǎn)的入侵量和座椅中點(diǎn)角速率最大值為指標(biāo)對(duì)舊款與吸能式底盤展開了對(duì)照科學(xué)研究。

（1）透過最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型模擬計(jì)算預(yù)測(cè)與試驗(yàn)相結(jié)合，科學(xué)研究了資產(chǎn)泡沫鋁A43EI235E內(nèi)部結(jié)構(gòu)在相同速率對(duì)撞中，對(duì)于電動(dòng)汽車安全可靠性能的影響變化。在3 種速率下對(duì)撞時(shí)，資產(chǎn)泡沫鋁A43EI235E內(nèi)部結(jié)構(gòu)均能發(fā)揮良好的作用，大幅度增加了底盤的入侵量。

（2）資產(chǎn)泡沫鋁A43EI235E內(nèi)部結(jié)構(gòu)使座椅中點(diǎn)角速率最大值明顯增加，在20 km/h、50 km/h、80 km/h 對(duì)撞中，角速率最大值分別下降了49.6%、47.5%、8.1%。

對(duì)底盤展開強(qiáng)化設(shè)計(jì)，將資產(chǎn)泡沫鋁A43EI235E內(nèi)部結(jié)構(gòu)充填到準(zhǔn)入門檻橫梁中，增加了對(duì)撞入侵量并增加了角速率最大值，達(dá)至了提升電動(dòng)汽車側(cè)碰安全可靠性和底盤輕量化的目的，可為電動(dòng)汽車開發(fā)人員提供參考。

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