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提高铝合金挤压型材碰撞吸能性能的方法及机理分析

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-06-14  来源:中国汽车材料网   [ 进入汽车材料社区 ] [ 汽车材料馆 ]
核心提示:提高铝合金挤压型材碰撞吸能性能的方法及机理分析

 铝制安全部件对车辆设计的要求最高。德国Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen和Hammerer Aluminum Industries Extrusion通过合金改性和型材截面的几何优化改善了挤压型材的碰撞特性,实现了增加能量吸收和减少断裂失效的风险。

       1.铝合金的碰撞性能

本文描述了如何改善挤压双室型(日字形)材的碰撞特性,该型材在车身承重结构中用作车辆的安全部件。为了增加型材在碰撞时的能量吸收特性,研究人员提高了材料的屈服强度。虽然这可以改善部件的轻量化设计,但是改变合金会对碰撞特性产生不利影响。

本文提出了一种解决几何形状和微观结构以改善轮廓的方法。碰撞性能由标准化,准静态压缩测试确定。

2.改善碰撞特性的方法

试验的开始阶段确定了截面的关键区域,这些是由于变形而发生材料失效的区域。

外形尺寸为100mm×80mm,壁厚为2.8mm的型材通过韧带分成两个对称的腔室,如图1所示。两条T型材将韧带与外壁连接起来。在折叠过程中,300毫米的轮廓被压缩三分之二。理想情况下,折叠方向在两个室之间交替,形成不对称的折叠图案,如图2所示。在压溃过程中,必须确保型材不发生折叠断裂。

Figure1

ExaminedAluminium extrusion profile (two-chamber profile) (©Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen)


Figure2

Firstfolds on the two-chamber profile (© Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen)


应用LS-Dyna软件,采用有限元(FE)方法模拟轮廓的准静态压缩。

早期的模拟评估表明,在形成褶皱期间的高应力导致材料失效,特别是在型材的T形截面处。T形截面特别重要,因为这里可以找到截面最窄的半径,并且由于不对称的折叠模式会出现复杂的张力模式。此外,T型材也是型材生产过程中的关键区域。由于材料的积累,冷却条件比型材横截面的其余部分差。因此可以通过两种不同的方法来改善撞击特性:

(1)微观结构优化

(2)减少缺口应力

然而,解决问题的边界条件是:材料和几何形状的变化只能在客户规格内移动。这意味着对进一步的加工步骤有影响的轮廓不能有显著改变。例如,尺寸公差必须符合。

2.1微观结构影响

最佳冷却条件和强度必须针对每个剖面横截面特性单独确定。在防撞型材的情况下,此因素变得更加重要;只有高冷却能力才能实现良好的折叠而不会断裂。

为了进一步提高碰撞性能,即防止断裂,可以在规定范围内修改合金组成。目的是生产一种细纤维的微结构,在变形过程中不会在表面形成橘皮,如图3所示。这可以保证发生碰撞时虽然变形,但之后不产生可能导致故障的表面破裂。

添加诸如锰,铬,铁,锆和钒的合金元素。添加剂的用量可以为0.05至最多1wt.%。当不同的弥散相形成合金元素例如锰和铬被结合时,它们的作用就会增强,并且约0.3-0.5wt.%的量产生的增强效果就已经足够。

Figure3

Alloywith low (left), medium (middle), and high chromium content (right)(© Hammerer Aluminium Industries Extrusion)


总之,可以说,型材的强度由主要合金元素硅和镁来调整。通过添加诸如锰和铬等元素,微观结构可以受到正面影响,使得在发生碰撞时不发生或仅发生轻微的表面断裂。

2.2降低缺口应力

图4显示了T形截面中的传统半径如何被新的几何结构所取代。用三个连续的拉伸三角形进行设计,其尺寸由参数lrad确定。通过设计确保组件的重量不会显着增加。此外,折叠图案不得受到不利影响。

Figure4

Schematicdepiction of the tensile triangle design (©Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen)


在进一步的仿真试验中,将改进的几何图形与原始轮廓进行比较。研究了出现的应力,能量吸收和折叠模式。随后,使用挤出型材进行压缩测试以验证模拟。

第一次折叠形成过程中剖面的横截面(图5)显示了由于失效模型而出现的最高荷载和第一个单元被侵蚀的点。两个条纹图的比较清楚地表明,T形截面的第一主应力因适应的几何变化而减小。这种应力的方向与剖面横截面平行。

Figure5

Numericalcomparison of the original geometry with the improved tensiletriangle design (© Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen)


结果表明,改变半径的引入导致临界应力的减少。具体来说,应力可以减少4.7%。此外,在T形截面上用拉伸三角形设计的剖面模拟表现出较少的侵蚀元素,表明实际剖面中材料失效较少。这种材料失效的减少导致比能吸收增加2.7%。

仿真试验还显示该变化对轮廓的折叠模式没有影响。与原始设计相比,附加材料(图4)不会阻止两个腔室不对称折叠的轮廓。该轮廓的由可忽略的几何变化产生的额外重量约为17g / m。

通过比较压缩测试的结果,图6(左)可以看出明显的差异。具有常规半径的轮廓在T形截面处的轮廓中显示出几乎多一倍的裂纹。裂纹也会导致褶皱具有不同的高度,导致不规则的折叠模式。

Figure6

Comparisonof the folding patterns of a profile with conventional 3 mm radius(left) and a tensile triangle design with a lrad of 2 mm (right)(© Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen)


对于T形截面中具有拉伸三角形设计的型材获得了不同的结果。折叠图案是规则的,并且裂缝呈现减少趋势,图6(右)。不同的折叠图案导致T形截面中具有拉伸三角形半径的型材中的能量吸收增加5.4%。因此,测试超出了模拟结果。

3.改善铝合金碰撞吸能性能的方法总结

高强度双室挤压型材的碰撞行为通过合金改性和几何调整得到改善。

对于材料的碰撞特性,材料呈现出非常细小的纤维结构是非常重要的。这可以通过在挤压型材之前和期间防止再结晶来实现。除了优化冷却工艺外,还添加了所谓的弥散体形成元素,例如锰,铬,铁,钒和锆。

改善碰撞特性的另一种方法是在折叠期间减小T形截面区域中的切口效应。在模拟和压缩测试(准静态)中,改进的轮廓表现出:临界应力的降低,及由此产生的断裂趋势的降低,并且改善了整个折叠模式。其结果是,在不超过横截面的尺寸公差或明显增加重量的情况下,能量吸收可以在模拟中提高2.7%,或者在实验中提高5.4%。

来源:Springer

作者:

Matthias Hartmann

Simon Brötz

Andreas Schiffl

Johannes Österreicher

(中国汽车材料网翻译整理)

 
关键词: 铝合金 挤压型材
 
注:本网转载是出于传递更多信息之目的,并不意味着赞同其观点或证实其内容的真实性。
 
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