泡沫铝夹芯结构汽车顶板的研究

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【汽车轻量化在线】随着汽车的大众化，汽车的轻量化和碰撞安全性问题引起人们的广泛关注。许多学者及工程技术人员对此进行了深入的研究。

泡沫铝是一种新型结构功能材料，其独特的结构特性使其具备轻质、高比强、减振和高碰撞吸能性等优异性能，将泡沫铝制成的夹芯板运用于汽车上是未来汽车轻量化及提高汽车碰撞安全性的有效途径之一。

迄今为止，国外某些先进国家已经有成功将泡沫铝夹芯板应用于汽车覆盖板的概念汽车。而我国目前还仅限于对泡沫铝夹芯板的制备和力学性能方面的研究，泡沫铝夹芯结构在汽车中的应用研究主要涉及汽车保险杠、车架、底板等部件，而对泡沫铝在汽车顶板中应用的研究鲜见报道。

本文以某汽车顶板为原型，以轻量化为约束条件，设计泡沫铝夹芯结构汽车顶板，并对其静态特性和事故安全性进行分析。以期证明泡沫铝夹芯结构汽车顶板的可行性和优越性，为推动泡沫铝在提高汽车环保性和安全性方面的应用提供参考。

1 泡沫铝夹芯结构汽车顶板设计

本文中所选取的研究原型为某SUV的汽车顶板，材料为Q235，其结构简图如图1所示。

以原型顶板为设计依据并考虑汽车轻量化要求，设计泡沫铝夹芯结构顶板。两种结构汽车顶板设计的材料参数见表1。

顶板两端拱形的面积为：

式中α为弧R2所对的圆心角。

汽车顶板的表面积为：

根据轻量化原则，得出下式：

式中：取t1=0.5mm为夹芯结构汽车顶板的钢板厚；t2为泡沫铝板的厚度；ρ泡为泡沫铝的密度；ρ钢为Q235的密度。

经计算，当泡沫铝板的厚度t2＜14.44mm时满足轻量化要求，为此取泡沫铝厚度t2=5mm，泡沫铝夹芯结构顶板如图2所示。

计算出两种结构汽车顶板的质量，原型结构顶板的质量为50.70kg，泡沫铝夹芯结构顶板的质量为34.13kg，较原型顶板质量减轻了32.68%，即满足轻量化要求。

2 汽车顶板的静态分析

根据车辆顶板抗压强度法规（GB26134-2010）及汽车车室乘员保护法规（GB26512-2011），对两种结构汽车顶板的抗压性进行仿真分析。

2.1 分析步骤

依据上文所述两种汽车顶板结构，建立两种结构汽车顶板的三维模型，如图3所示。按照表1设置汽车顶板的材料参数。对两种结构汽车顶板进行网格划分，结果如图4所示。设置约束条件为车底盘全自由度约束。

根据车辆顶板抗压性法规及汽车车室乘员保护法规所制定的汽车顶板静态试验标准。本试验所采用的重量为22.05kN，根据上文的计算，车身顶板面积为3.25m2，则均布载荷为22050/3.25=6785Pa。

2.2 结果与分析

两种结构汽车顶板的等效位移云图和等效应力云图，如图5、6所示。

仿真数据为原型结构与夹芯结构汽车顶板的最大应力分别为215MPa、172MPa，最大位移分别为5.378mm、4.302mm，均相对减小20%。由此可见，夹芯结构的汽车顶板比原型结构的汽车顶板具有更优越的静态特性。

3 事故安全性分析

3.1 高空坠物动态响应分析

3.1.1 分析步骤

建立坠落物模型为半径100mm的球形实体，其材料和单元类型与汽车车身相同，设定材料为Q235，单元类型设定为Solid164单元，汽车顶板单元类型设定为shell单元，材料具体参数参照表1设置。将坠落物及车身赋予边长均为60的网格，模型网格划分如图7所示。约束条件为车身底面ALLDOF约束，坠落物自10m高空落下。

3.1.2 结果与分析

两种结构汽车顶板在高空坠物冲击下的等效位移应变云图与应力云图分别如图8、9所示。

仿真数据为原型结构与夹芯结构汽车顶板的最大应力分别为1690MPa、1590MPa，相对减少5.92%，最大位移分别为17.94mm、11.50mm，相对减少35.91%。对比分析数据，说明泡沫铝夹芯结构在汽车顶板上的应用可以显著改善汽车顶板在高空坠物时的安全防护性能。

3.2 倾翻动态响应分析

3.2.1 分析步骤

建立地面模型，其尺寸满足侧翻过程能与车体发生接触即可。将地面单元设定为solid164实体单元，材料具体参数参照表1。

将地面及车身赋予边长均为80的网格，模型网格划分如图10所示。试验初始状态为车辆静止于地面，设置约束条件为车身底面ALLDOF约束，仿真过程模拟车身以5°/s初始角速度侧翻。

3.2.2 结果与分析

两种结构汽车顶板的等效位移云图与应力云图分别如图11、12所示。

仿真数据为两种结构汽车顶板的最大应力分别为2880MPa、2080MPa，相对减少27.78%，最大位移分别为338.69mm、268.67mm，相对减少20.67%。泡沫铝夹芯结构在汽车顶板上的应用可以显著改善汽车顶板在侧翻时的安全防护性能。

4 结论

1）在结构设计合理的情况下，泡沫铝夹芯结构汽车顶板同原型汽车顶板相比在达到轻质的同时，提高了其静态性能。

2）在高空坠物和倾翻试验中，泡沫铝夹芯结构汽车顶板的最大应力和最大位移都有明显的减小，证明泡沫铝夹芯结构顶板可以显著地提高汽车事故安全性能。

3）仅对一种泡沫铝单一层合且厚度尺寸固定的夹芯结构汽车顶板进行了有限元仿真分析，若进一步采用拓扑优化设计理论对泡沫铝材料在夹芯结构中的布置及其厚度进行优化，并配以实验研究验证，其优越性能将更显突出与真实。

4）虽然目前由于泡沫铝生产条件等的限制使其造价较高，但是从长远来看，其在减重、节能、环保安全等方面的突出优点足以抵消其高成本的缺点。更何况随着泡沫铝材料生产技术的发展，其造价必然会很快降低，因此泡沫铝在汽车、乃至其他需要具备减重、节能、环保安全等性能的产品中的大量应用势在必行。也正因如此，对其进行相关研究具有重要的理论和现实意义。

作者：徐平、石瑞瑞、阮文松、王珏