铝合金前保险杠横梁的应用研究

王智文，孙希庆，项生田，芦 连，李 军

(1.北京汽车集团有限公司新能源汽车管理部,北京 101300； 2.奇瑞汽车股份有限公司汽车工程研究院，芜湖 241009)



2015064

铝合金前保险杠横梁的应用研究

王智文1，孙希庆2，项生田2，芦 连2，李 军2

(1.北京汽车集团有限公司新能源汽车管理部,北京 101300； 2.奇瑞汽车股份有限公司汽车工程研究院，芜湖 241009)

为某车型设计并试制了一种铝合金前保险杠横梁，其质量比原来的DP1200超高强钢制的原型减轻了35%。在25km/h车速的碰撞试验时，铝合金保险杠横梁的第一个加速度峰值比钢制横梁大2.6g，且最大峰值出现的时间提前了5ms，说明铝合金保险杠横梁能更好地保护驾乘人员的安全。仿真结果表明，在10km/h车速的正面碰撞时，铝合金前保险杠横梁的最大侵入量比钢制横梁小7mm，而吸能量比钢制横梁增加了70%。

汽车轻量化；保险杠横梁；铝合金；碰撞

前言

汽车碰撞事故中发生概率最高的是汽车前部的碰撞，占事故总数的27%[1]。前保险杠横梁位于汽车前端，是前端碰撞事故中首先接触的安全部件，在减轻对车外行人和车内驾乘人员的损伤，降低低速碰撞事故中车辆的损坏等方面起着重要的作用。

前保险杠横梁作为汽车车身的安全部件，在要求其具有高的安全性的同时还必须考虑轻量化。近年来，由于对节能和环保的重视，汽车轻量化已经成为各大汽车企业提高竞争力的重要方向，而使用铝合金代替钢铁材料则是各国汽车制造商采用的减轻质量的主要手段之一[2]。与传统的钢材相比，铝合金有密度小、比强度高和耐蚀性好等优点。在对2002-2013年的欧洲白车身会议参展车型的用材分析发现，变形铝合金材料在车身上的用量越来越大，主要用于发动机盖、翼子板和前后保险杠横梁等零件。而国内自主品牌企业对铝合金保险杠横梁的研究尚处在起步阶段，相信不久的将来，铝合金保险杠横梁也会被大量应用于自主品牌轿车的车身上。

1 保险杠横梁的技术要求与选材

保险杠横梁的作用和技术要求有：(1)当车辆与行人发生碰撞事故时，最大限度地减轻对行人的伤害；(2)当车辆发生低速碰撞时，保护冷却系统等部件，确保汽车的前纵梁不会发生变形，降低车辆的修复成本；(3)当车辆发生高速碰撞时，将碰撞中产生的能量能尽可能均匀地传递到车身结构的吸能零件，并确保前纵梁压溃后内侵量不能过大[3]；(4)前保险杠横梁是车辆约束系统的控制单元(ECU)最先感知车辆碰撞减速度的部件，横梁的强度对ECU判断安全气囊点火时刻具有重要意义。

此外，保险杠横梁的设计要求质量轻，便于拆装更换，维修简便；制造工艺要简单，成本低等。

在保险杠横梁的选材方面，目前主要有钢和铝两种。要提高保险杠横梁的防护能力则须提高其吸收能量的能力，材料吸能量的能力与材料的强度和厚度都呈正比。但在车身结构设计中，不可能通过无限增加钢材厚度达到提高材料吸能量的目的。因此，既满足强度又满足轻量化的高强度钢被用作保险杠横梁。除采用高强度钢板进行冷冲压外，还有辊压成形和热冲压成形等先进的成形工艺被用来制作高强度保险杠横梁。

铝合金的密度约为钢的1/3，正是因为铝合金材料更轻，所以是车身轻量化设计中非常重要的材料[4]。钢制保险杠加强横梁采用提高钢板强度，减小厚度，以提高材料吸收能量的性能。而铝合金保险杠加强横梁则是通过优化结构，设置不同壁厚来提高吸能性能。经过合理设计的铝合金保险杠横梁不仅比钢制保险杠横梁更轻，而且可以吸收更多的能量。

2 铝合金保险杠横梁的设计与制造工艺

图1为钢制保险杠横梁总成模型。针对铝合金材料具有较好成形性的特点，设计了一种薄壁、中空且带有加强筋的断面结构，横梁的截面呈“目”字形，在保证前保险杠横梁质量尽可能轻的同时，要求获得最大的碰撞安全性能。铝合金保险杠横梁总成的形状和结构如图2所示。由于原钢制保险杠横梁总成已经充分进行了轻量化设计，采用了辊压成形的DP1200超高强度钢材料，整个保险杠横梁总成的质量仅为6.7kg，但是采用铝合金后，仍能减轻质量35%，达到4.4kg。

由铝合金型材加工生产该铝合金保险杠横梁大致过程：根据保险杠横梁的尺寸采用高速锯切机对铝合金型材进行锯切；然后根据产品设计的弧度，将锯切后的铝合金型材在模具中进行压弯成形；单个零件加工完成后，再对其进行时效处理，以保证铝合金的强度和耐蚀性能；最后采用钨极氩弧焊将单个零件焊接组装在一起。横梁的截面如图3所示。

3 性能测试与模拟分析

为满足保险杠横梁的性能要求，选用材料为6082-T6铝合金，该铝合金材料的屈服强度为290MPa，抗拉强度为340MPa，且延伸率可达20%，在铝合金中属于较高强度的材料。

为考察没有诱导槽的铝合金吸能盒的压溃性能，首先单独对吸能盒进行碰撞试验。为保护碰撞台车，将吸能盒安装在自制的一截类似纵梁上进行试验，且将台车配重到实际车型的质量，同时考虑到吸能盒的充分压溃变形，选用的试验速度为20km/h。试验后的吸能盒照片如图4所示。由图可以看出，虽然铝合金吸能盒没有压溃诱导槽，但是其压溃模式比较理想，而且多次试验结果的一致性较好。

为更全面地考察铝合金前保险杠横梁总成的性能，且结合文献[5]中的分析，选用25km/h的速度进行正面碰撞试验。由于钢制横梁和铝合金横梁均呈弧形，所以中心点与刚性障碍壁接触后两种材料的横梁均先被压平，而由于铝合金吸能盒没有诱导槽，刚度较大，所以在铝合金横梁被压平后，吸能盒才发生变形。虽然钢制横梁选用了超高强度材料，但是厚度小，横梁的刚度并不很大，且钢制吸能盒具有诱导槽，导致在横梁被压平的同时吸能盒也发生压溃变形。该变形过程与仿真分析结果吻合较好。

钢制保险杠和铝合金保险杠横梁在25km/h速度下的台车碰撞试验的加速度-时间曲线如图5所示。由图可以看出，钢制保险杠横梁在碰撞过程中，加速度的上升较为平缓，平均加速度值较小，横梁的承载力较弱。由于超高强度钢的保险杠横梁其刚度较普通钢铁材料大，所以吸能盒在10ms左右即开始发生变形，出现加速度的第一个峰值11.5g，到54ms时吸能盒完全压溃，加速度达到最大峰值20.71g。而铝合金保险杠横梁在碰撞过程中直到13ms时，吸能盒才开始变形而出现第一个尖峰，且峰值较大，为14.1g，说明碰撞开始阶段，铝合金保险杠横梁吸能效果明显。而且第一个加速度峰值大，更有利于车辆约束系统ECU的响应，更有利于驾乘人员的安全。到49.2ms时吸能盒已经完全压溃，加速度达到峰值为20.83g，该峰值与钢制保险杠横梁的加速度峰值基本一致，但是出现的时间却提前了5ms，这对汽车驾乘人员的安全具有重大意义，由此可见，铝合金保险杠横梁的安全性能比钢制横梁好。

根据试验工况和配重建立仿真模型，模型包含前保险杠横梁总成系统和试验台车。其中铝合金前保险杠为挤压成形，截面各处厚度不一致，模型中采用不同厚度的壳单元来模拟。最后采用LS-DYNA软件进行仿真。仿真和试验结果的对比如图6所示。从图6看出，仿真分析结果与试验结果比较接近，模型准确性较好。

图7为吸能盒截面力的仿真分析结果。由图可以看出，铝合金吸能盒的第一个截面力峰值较大，说明该吸能盒的承载力较大，碰撞过程中不易于压溃，但是一旦被压溃即可展现出较好的吸能效果。经过台车碰撞试验发现，吸能盒的压溃效果比较理想。

根据汽车厂家对保险杠横梁零件正碰的设计技术要求，即在10km/h的速度下进行正面碰撞时，横梁侵入后不能碰到冷凝器，即允许的横梁最大侵入量小于120mm。基于此要求，对两种材料的横梁总成进行仿真对比，结果如图8所示。由图可以看出，正面碰撞后，不论是钢制横梁还是铝合金横梁，其形状均由原弧形变得平直，且钢制吸能盒已经发生压溃变形，但是铝合金吸能盒基本没有发生变形。这说明铝合金横梁及吸能盒的刚度均较大。另外，经过仿真分析发现，正面碰撞速度为10km/h时，钢制横梁的最大侵入量为77mm，而铝合金横梁的最大侵入量为70mm，钢制横梁的侵入量比铝合金的大，但均满足小于120mm的技术要求。

图9为在10km/h的碰撞速度下，两种材料的保险杠横梁吸能仿真分析。由图可以看出，在该碰撞速度下，钢制前保险杠横梁的吸能量为1 823J，而铝合金前保险杠横梁的吸能量为3 107J，铝合金前保

险杠横梁的吸能量较钢制零件提高了70%。这也说明铝合金前保险杠横梁的低速碰撞性能更优，安全性更高。

4 结论

(1) 设计的“目”字形截面的铝合金前保险杠横梁较原车型的DP1200超高强度钢制横梁零件仍减轻质量35%，轻量化效果明显。

(2) 以25km/h的速度进行台车正面碰撞时，铝合金保险杠横梁的第一个加速度峰值较大，且最大峰值的出现时间较钢制横梁提前了5ms，可以更好地保护驾乘人员的安全。

(3) 铝合金保险杠横梁在10km/h的正面碰撞速度下最大侵入量为70mm，比钢制横梁小7mm，安全性能更高，且铝合金保险杠横梁的吸能量较钢制零件提高了70%。

[1] 魏显坤.轿车保险杠吸能特性分析与试验研究[D].重庆:重庆理工大学,2012.

[2] 丁向群,何国求,陈成澍,等.6000 系汽车车用铝合金的研究应用进展[J].材料科学与工程学报,2005,23(2):302-305.

[3] 周荣,孟岩,徐枭,等.汽车先进的整车与总成开发技术跟踪和研究[R].中国汽车技术研究中心,2008.

[4] 马鸣图,游江海,路洪洲.汽车轻量化以及铝合金汽车板的应用[J].新材料产业,2009(9):34-37.

[5] 万银辉,王冠,刘志文,等.6061铝合金汽车保险杠横梁的碰撞性能[J].机械工程材料,2012,36(7):67-71.

A Research on the Application of Aluminum Alloy Front Bumper Beam

Wang Zhiwen1, Sun Xiqing2, Xiang Shengtian2, Lu Lian2& Li Jun2

1.NewEnergyVehicleManagementDept.,BAICGROUP,Beijing101300;2.InstituteofAutomotiveEngineering,CheryAutomobileCo.,Ltd.,Wuhu241009

The aluminum alloy front bumper beam for a vehicle is designed and trial-produced with a mass 35% lighter than original bumper beam of DP1200 ultra high strength steel. In a frontal crash test with a speed of 25km/h, the first acceleration peak for aluminum alloy bumper beam is 2.6ghigher and 5ms earlier, compared with that for steel one, meaning that aluminum alloy bumper beam can better protect the safety of driver and occupants. The results of simulation show that in a frontal crash with a sped of 10km/h, the maximum intrusion for aluminum alloy bumper beam is 7mm smaller and the energy absorption is 70% more, compared with steel bumper beam.

vehicle lightweighting; bumper beam; aluminum alloy; crash

原稿收到日期为2014年8月11日，修改稿收到日期为2014年11月20日。