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对汽车工程师来说，在很多部位都可以考虑使用铝挤压型材。在设计上，铝挤压型材可以很容易地形成复杂的形状，同时挤压型材的模具便宜、尺寸精度高，且集成度高。但是在需要变截面的场合，铝型材就不适用了，这也是设计上的一个局限性。不过从总体来说，铝型材给设计工程师带来了足够的设计和想象空间，而较少受制于传统工艺和材料的局限性。
铝合金具有很多有价值的特性，如易于回收，从而降低了生命周期成本；重量轻，因此降低了运输成本；而挤压工艺则可以满足多种功能性要求。汽车零部件设计中首先要考虑的是产品满足功能性要求并具有较好的综合效益，而铝合金型材件便可以满足多种汽车产品所需的技术要求。汽车工程师需要从功能角度，彻底分析该零件需承担什么样的功能：零件基本功能是什么？具有哪些基本形状和尺寸？与周边零件的匹配连接要求是什么？对强度模态有什么要求？对耐蚀性、表面质量的要求是什么？除了依靠工程师自身的经验和对标其他同类产品的设计选型，还可以借助CAE仿真优化来实现以最小的重量和成本来满足零部件要求。
在汽车上，很多零部件逐渐将传统钣金冲压件替换为铝挤压型材件，从而更好地满足设计需求以及实现轻量化和降低综合成本。白车身上常见的铝合金型材替代钣金冲压件有前后防撞梁、前后纵梁、座椅横梁和门槛梁。挤出的铝型材截面不需要通过切边等机加工就可以满足尺寸和形状要求。在重量上，铝型材防撞梁比钢冲压防撞梁减重20%以上。
如图2-18所示，传统的钢材门槛梁由4个钢板冲压件通过焊点连接在一起，而更换为挤压型材门槛梁，零件数量减少为1个，既减少了连接工序和费用，又实现了更高的结构强度以提升侧碰耐撞性，且缩短了交货时间。在车辆遭受来自侧面冲击时，门槛梁和B柱等零部件共同保护乘员的安全。门槛梁结构对白车身、整车的刚度模态也有重要的作用。在纯电动汽车中，电池包一般布置在前地板的下部、门槛梁的内侧。因为电池包在受到冲击时内部元器件猛烈撞击导致电池破损容易导致起火，所以门槛梁的设计至关重要。特别是在侧碰和斜柱碰时，门槛梁的弯曲变形不能侵占电池包的安全距离，因此门槛梁结构强弱对电池包的安全影响较大。部分车型如日产LEAF，门槛梁采用钢板焊接而成，动力电池门槛梁留了较大的安全距离。而特斯拉Model S的门槛梁采用了铝型材件，动力电池的安装支耳直接装配在门槛梁上，从而增大了电池布置空间，增加了电池容量，提高了续驶里程。
图2-18 钢材门槛梁和铝型材门槛梁截面对比
为了开发出良好的汽车用铝型材零件，满足功能的同时具有良好的工艺性，如图2-19所示，需考虑以下的一些设计注意事项：
1）设计合适的金属厚度，尽可能使各处的金属厚度均匀，且平滑过渡，壁厚不能太薄，一般不小于2mm，否则成型的零件很难挤出。
2）型材截面尽量对称，尽量减少型腔的数量，增加模具的稳定性。对于多孔的截面，孔的大小尽量均匀且不能太小，否则难以成型。
3）尽可能在大平面上设置一些筋条，有助于减少扭曲，并改善平整度。
4）对于两个成型面交叉处的圆角要尽量大，以利于材料的流动。
5）各个尺寸公差的要求尽量合理，非功能尺寸可以适当放宽。
6）避免锋利的边缘。
图2-19 型材截面设计注意事项
以下因素会影响汽车铝型材件的经济性，需要设计师在设计时予以考虑：①产品形状和重量；②铝合金材料和热处理状态；③尺寸公差；④表面粗糙度。
产品的形状和重量是产品单价和模具价格的主要决定因素。通常，实心挤压比半空心挤压更经济，半空心挤压比空心挤压更经济；对称截面形状比不对称截面形状更经济。但是如果复杂的截面形状可以带来更少的零件、更轻的重量，那么综合成本也会更低。铝合金材料和热处理状态选择主要考虑零件的性能要求、单价和模具费用，以最经济性的选择来满足性能要求。尺寸公差需满足行业标准的型材要求（GB/T 14846—2014《铝及铝合金挤压型材尺寸偏差》），通常，采用高精度型材所产生的费用比较高，因此，要严格考量特殊公差尺寸要求的必要性，以减少不必要的成本。表面粗糙度要求也会增加单件成本和包装运输费用，但一般来说，汽车上的铝型材件在这方面不做特殊要求。
此外，铝合金型材件因其材料的力学性能特性，与钢相比，在碰撞中更容易出现材料失效（如撕裂）的情况，特别是在烧焊的热影响区域。图2-20所示的前防撞梁总成，拖钩套筒和前防撞横梁烧焊、吸能盒和前防撞横梁烧焊在碰撞时都出现了断裂或撕裂。因此，在对型材零件的材料和截面进行设计后，要经过仿真和试验来验证结构性能是否满足要求。另外，在关键碰撞传力区域的铝合金件连接，要尽量避免或者减少使用烧焊工艺。图2-21所示的防撞梁总成的吸能盒与防撞横梁及纵梁的连接采用了分段式焊接，可以降低失效的概率。
图2-20 铝合金前防撞梁碰撞中的撕裂
图2-21 铝合金前防撞梁的分段式焊接设计
因为铝合金型材件截面处处相同，所以其3D数模的设计很简单。有些汽车工程师在设计铝型材件时习惯采用在generative shape design模块中先做片体，再在part design模块中长料厚的方法。其实，最好的设计思路是直接在part design模块中建立型材截面的草图，再画型材的引导线，最后通过Rib扫略命令，生成实体，不仅快速便捷，而且数据易于修改和维护。以下通过一个弯曲型材件为例来介绍主要的建模过程：
1）建立封闭的型材截面草图，如图2-22所示。
图2-22 封闭的型材截面草图
2）建立型材引导线guide line，再用Rib命令扫略生成实体，如图2-23所示。其中，红色线为型材截面图A Sketch ZX，黄色线为引导线guide line。
图2-23 Rib命令扫略生成实体型材零件
以某防撞梁吸能盒型材件为例，它的设计验证计划（DVP）大纲见表2-5。
表2-5 某防撞梁吸能盒DVP试验关键项目
（1）低速拉伸试验测力学性能 铝型材的力学性能测试可以依据GB/T 16865—2013《变形铝、镁及其合金加工制品拉伸试验用试样及方法》中取样和测试的方法，对型材样件的抗拉强度、规定非比例延伸强度、断后伸长率等参数进行测量。铝型材零件用的一般是矩形试样，可以选择比例试样或定标距试样，所使用的测量设备如图2-24所示。三次测量获得的6063材料的低速拉伸应力-应变曲线如图2-25所示，低速拉伸应变率为0.001/s。
（2）高速拉伸试验 对于碰撞关键铝型材零件，如前防撞梁吸能盒、前纵梁和门槛梁，往往还需要做高速拉伸试验和材料失效试验，从而建立该类零件材料牌号的材料卡片，输入到CAE的仿真分析中，计算型材零件压缩速度以及预测失效提供重要的数据库。图2-26所示为6063材料在高速拉伸高应变率（500/s）下的应力-应变曲线图。
图2-24 测量型材样件力学性能的设备
1—夹具 2—试样 3—引伸计
图2-25 6063材料的低速拉伸应力-应变曲线
图2-26 6063材料在高速拉伸高应变率下的应力-应变曲线图
（3）静态压溃试验 静态压溃试验主要在汽车碰撞时会承受径向压溃力的零件上测试。最典型的代表性零件即铝车身前后防撞梁、吸能盒和前后纵梁。在受到径向力作用下，型材压溃的模式以及失效形式会直接影响碰撞侵入量和碰撞稳定性。
如图2-27所示，进行静态压溃试验时，取一定长度的型材试样，并在万能试验机下，以一定的压溃速度（如25mm/min）对型材施加径向载荷，直至压缩到设定的长度。主要从三个方面判断型材压溃试验结果是否满足要求：一是看压溃后的样件压溃形式，是波浪状叠加还是其他形状；二是查看是否产生裂纹，如有裂纹，大小和数量是多少；三是通过对压溃力和压溃位移曲线（图2-28）的积分可以求出压溃中吸收的机械能。
图2-27 静态压溃试验示意图及压溃试样
图2-28 压溃试验的压溃力-位移曲线
（4）扩口试验 采用平面分流组合模挤出的汽车用铝型材件，存在焊合线。图2-29所示为“日”字形型材件焊合线位置，分别编号为1～6。这些焊合线位置往往容易因为焊合不良而导致零件失效问题，因此行业内一般会通过扩口试验或者折断试验来校验型材的焊合质量，具体测试方法见GBT 32790—2016《铝及铝合金挤压焊缝焊合性能检验方法》。扩口试验是截取一定长度的型材试样后，利用圆锥形压头对型材存在焊缝的腔体进行扩口，使型材试验发生胀裂（图2-30）。然后根据断口形貌判定焊缝焊合性能：如果胀裂位置不在焊合线位置，或者焊缝断口呈纤维状形貌或者剪切唇状形貌，则可以认定焊合性能合格；如果焊缝断口呈光滑平直状形貌，则认定不合格。
图2-29 “日”字形型材件焊合线位置
图2-30 扩口试验示意图及扩口后试样
（5）弯曲试验 弯曲试验有针对零部件级的三点弯曲试验，主要应用在前、后防撞梁型材上；也有针对料片级的弯曲试验，主要应用于碰撞时受到弯曲力冲击的型材零件，如门槛梁等。图2-31所示为对型材提取料片进行的弯曲试验示意图，取一定大小的料片，弯曲一定角度（如120 °），查看弯曲后的料片是否出现失效。一般情况下，伸长率越高的铝合金型材，弯曲性能越好。
图2-31 弯曲试验示意图（型材提取料片）
（6）低倍组织试验 铝型材的内部缺陷有夹杂、气孔、内部裂纹、缩尾、焊合不良等情况，可以通过低倍组织试验（GB/T 6892—2015《一般工业用铝及铝合金挤压型材》）来检测。其中，缩尾是指在型材截面的中间位置出现不合层类似喇叭状的现象。