2.6.1 铝合金前纵梁选材耐撞性设计案例

在正碰和偏置碰等前部碰撞工况下，前纵梁是铝车身最重要的组件之一，如图2-35所示。发生碰撞时，前纵梁不仅需要将碰撞力沿着传力路径进行传递，还需要变形吸收一部分碰撞能量来减小冲击，且变形量需要精准控制来避免对乘员舱的侵入量过大。碰撞压溃模式设计时，通常会在前纵梁的前端开诱导压溃筋或者孔，来使前部先压溃后部后压溃，从而保证碰撞吸能的层次性和稳定性。同时，底盘的前副车架安装在前纵梁下部，而有前驱车型的电驱动总成通过左、右悬置安装在前纵梁上，这些对前纵梁的强度和疲劳耐久强度都有很高的要求。要特别提醒一点的是，在承受冲击载荷或交变载荷较大的区域，应尽量避免或减少烧焊工艺的使用，降低焊接热影响区域性能下降导致零件失效的风险。

本案例中，只重点介绍在前纵梁设计中铝合金材料的选择及对比验证。很多新能源汽车的前纵梁都采用铝合金挤压成型，这是因为它具有出色的腔体强度和能够很好地吸收能量的特点。但同时工程师面临一个很大的挑战，即要根据不同项目的情况，从多种铝型材的材料中进行选择。

对于铝挤压前纵梁，目前主流铝车身主机厂使用的材料见表2-7。

可以看出，不同车型前纵梁使用的铝材料主要都是6XXX和7XXX型材。与6XXX铝型材相比，7XXX铝型材具有更高的强度，但成本较高，而且对于复杂的横截面来说更难挤压。

某项目前期，经过综合考虑经济性和工艺性，选择了6063-T6、6082-T6和7003-T6三种材料作为前纵梁材料的备选项，通过对这三种材料各项材料级和零部件级进行试验来选择。

1.准静态轴向压溃试验

准静态轴向压溃试验在图2-36a所示的600kN万能试验机上进行。测试步骤如下：

1）调整通用测试机的上下工作台之间的间距使其大于组件的长度，然后将组件放置在工作台的中央。

2）调整设备上的工作台使其向下移动，直到与样品顶部之间没有缝隙为止。输入零部件的相关信息，例如位移、变形和峰值力。

3）将三种材料型材高度从200mm压缩到100mm，压溃结果如图2-36b所示。

从轴向压溃结果来看，6063-T6材料在发生轴向压溃时只显示出很小的裂纹，压溃效果较好；6082-T6在中间筋的交叉处显示出扭曲的位错撕裂，裂纹长度在10mm左右，压溃效果一般；7003-T6在中间筋的相交处具有明显的位错撕裂，裂纹长度大于25mm，压溃效果差。

2.高速碰撞仿真和物理碰撞试验

（1）建立单侧前纵梁碰撞的CAE模型

为了简化模型，设计了单侧前纵梁碰撞的CAE模型，如图2-37所示。单个前纵梁固定到质量为1000kg（整车质量为1800kg）的可移动台车上，并以 V ₀ 的速度撞击刚性壁障。前纵梁的中心线与地面的高度为455mm，前纵梁的长度为700mm（与车辆相同）。

根据分析单因素的测试方法，将6063-T6、6082-T6以及7003-T6三种材料应用在同一前纵梁截面中。在相同的试验条件下，将三种材料的前纵梁参数代入图2-37的模型中，运用hyper-mesh/Oasys和LS-DYNA软件，进行仿真。

CAE仿真模型中前纵梁主要信息见表2-8。

（2）单侧前纵梁CAE仿真结果与分析

正面碰撞时，为了保护乘员的安全，既不能有太大的侵入量，要适当控制碰撞变形距离，又不能有太大的碰撞力给乘员造成伤害。碰撞力、变形距离、能量吸收效率是评估碰撞中三种材料前纵梁性能表现的重要因素。

三种材料单侧前纵梁碰撞的变形位移-碰撞力曲线与变形位移-吸收能量曲线如图2-38所示。其中，红色曲线表示6063-T6材料对应的结果，蓝色曲线表示6082-T6材料对应的结果，黑色曲线表示7003-T6材料对应的结果。碰撞仿真评价参数见表2-9，可以看出7003-T6的纵梁的能量吸收效率最高，比6063-T6的纵梁高45.5%；而6082-T6纵梁的能量吸收效率比6063-T6的能量吸收效率高20.5%。从成本的角度来看，7003-T6是最昂贵的，而6082-T6和6063-T6相差不大。

（3）物理碰撞试验

为了验证三种材料前纵梁在物理碰撞试验中的表现，根据图2-37的CAE模型，搭建了物理碰撞模型，并按对应工况进行了碰撞，碰撞结果如图2-39和图2-40所示。从结果看，与CAE仿真结果有较大的差异，主要是6082-T6和7003-T6测试中在 X 方向发生了脆性撕裂，出现失效，而这在CAE仿真中很难预测。6063-T6的测试中发生了轻微的韧性撕裂，变形模式基本和CAE仿真一致。进一步分析，6082-T6和7003-T6材料的纵梁大概率从拐角处撕裂，这是由于铝挤压融合工艺中材料性能的差异，导致挤压融合工艺过程出现问题。