【汽车材料网】在当今的汽车设计环境中，平衡车辆结构安全性与轻量化需求已成为普遍存在的挑战。安全带约束装置、安全气囊、防抱死制动系统(ABS)、自适应大灯和紧急停止辅助技术等系统降低了每英里行驶中的事故死亡人数，从而提高了车辆的安全性。但是，在所有这些系统都到位的情况下，美国每年仍有30,000至40,000起机动车事故死亡，而且这一趋势在过去三十年中一直保持相对稳定。为了应对这一挑战，TesseractStructuralInnovations公司开发了一种独特的轻量化技术，称为UDU。这种泡沫铝技术旨在满足提高车辆被动结构安全性的需求，同时为车辆的许多结构领域（例如电动汽车(EV)电池组）的轻量化创造了新的可能性。
2021Motor Bella展会中Tesseract展示了一个由泡沫铝组成的均匀减速装置(UDU)，与空心钢或铝结构导轨相比，可以在更短的包装中吸收更多的碰撞能量。图为Tesseract展示的泡沫铝。
获得专利的UDU技术是一种轻型模块化复合结构，由结构蒙皮或“脚手架”与金属泡沫或类似材料集成而成。这种模块化复合配置为将该技术应用于汽车应用创造了巨大的设计灵活性。结构蒙皮部分通常由高强度铝合金材料制成，例如挤压件、冲击挤压件或铸件。但是，其他材料，例如高级高强度钢(AHSS)和碳纤维增强塑料(CFRP)，也可用于蒙皮材料。
该技术的一个关键组成部分是来自CymatTechnologies公司的稳定泡沫铝，这是一家位于加拿大米西索加的创新材料技术公司。该公司采用专有工艺制造其独特的稳定泡沫铝(SAF)，这是一种先进的轻质可回收材料，具有多种功能，包括可定制的密度和尺寸、能量吸收以及隔热和隔音。Cymat公司为建筑、防爆、汽车、运输和工业市场生产SAF。该公司的Smartmetal部门协助将该技术集成到动能管理系统中，例如UDU。
Tesseract发现，当结构蒙皮和泡沫铝被“调整”以利用泡沫铝固有的恒力挤压机制时，可以构建一个近乎理想的能量吸收器。这意味着对于给定的设计空间，UDU可以在不伤害车辆乘员或压溃车辆结构部件（例如A柱或侧梁）的情况下吸收尽可能多的物理能量。这允许通过结构的力达到设计极限。超过该力极限，它几乎以恒定的力压碎，动能在结构内部转换为应变能。
图1显示了来自实际挤压测试的数据，其中UDU蒙皮的设计旨在将挤压力限制为最大75,000磅。红线下方的区域表示在该特定设计空间内一英寸挤压距离内可以吸收的最大能量。绿色测试曲线表明，力已被限制在略小于最大允许值。换句话说，蒙皮结构已经完成了它的工作。通过调整内部泡沫材料的刚度和密度，可以将生坯挤压曲线的中间部分抬高以接近理想的能量吸收体。
图 1.UDU模块化技术的挤压测试结果。
由于UDU技术是模块化的，因此可以在相对长的距离内保持这种恒力挤压行为。这些模块可以堆叠和聚集以创建几乎无限数量的形状和大小尺寸。在车辆发生正面碰撞的情况下，如果需要，它可以设计成挤压一米长的长度，以限制力。在电动汽车发生侧面碰撞的情况下，该结构可以设计成限制侵入电池舱，同时吸收碰撞能量并将力引导到现有的负载路径构件上。
案例1：全尺寸皮卡小重叠碰撞保护
所有车辆碰撞中最致命的是小重叠（SOL）正面碰撞，它也是最常见的事故类型之一。也称为窄重叠碰撞，当仅车辆前部外部25%碰撞另一辆车或另一物体（例如树或电线杆）时，就会发生SOL碰撞情况。前部轮廓的外部25%与车辆两侧的轮舱大致对齐。不幸的是，大多数车辆的轮舱在设计时几乎没有结构支撑来管理碰撞力和吸收碰撞能量。在美国，平均每年约有10,000人死于SOL正面碰撞,UDU技术的最初构想是为了改善此类碰撞的结果。Tesseract公司使用美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)对2014年雪佛兰Silverado皮卡的公共领域研究模型，设计了一种UDU结构来替换卡车的上纵梁侧内挡泥板构件。设计了一个简单的支架，将结构整合到现有车辆中（图2）。
图2 在2014款雪佛兰Silverado的结构内安装UDU技术。
使用LS-Dyna软件运行的FEA模拟表明，2014年雪佛兰Silverado卡车采用车轮安装良好的UDU结构，吸收的动能比基准生产模型高出近25%（图3）。这种增加的能量吸收将转化为卡车SOL碰撞性能的显着改善（图4）。此外，所有这些改进都是通过最小的净质量增加和对现有车身结构的最小改动实现的。
图 3.使用UDU技术的2014Chevy Silverado模型的整车FEA碰撞模拟结果。
图 4.配备UDU技术的2014款雪佛兰Silverado的碰撞能量吸收与基线对比。
案例2：半挂车欠载和超载保护
在美国，每年有近4,000人在涉及大型卡车事故中丧生。其中许多事故涉及大型卡车超越小型车辆或小型车辆超越大型拖车。有许多结构被设计用来防止半卡车上的欠载/超载情况。然而，这些结构往往非常刚性和僵硬，并且它们通常不能满足能量吸收的需求，以保护与半卡车相撞的小型车辆的乘员。
图 5. 带有UDU 碰撞盒结构的半卡车前部装置。
对于这样的一个应用，Tesseract公司设计了一种UDU碰撞盒结构来取代现有的钢制能量吸收盒，用于半卡车前部超限装置（图5）。与现有钢制版本相比，这款防撞盒为每辆卡车节省了7.0磅以上（每个零件3.5磅），同时将能量吸收提高了100%以上（图6）。全铝部件与现有钢部件适合相同的设计空间，并使用相同的附件硬件。这是一种真正的即插即用设计，无需对现有卡车结构进行修改。
图 6.UDU前部超限装置与现有半卡车钢制碰撞箱之间力与位移曲线比较。这些曲线下的面积代表吸收的能量。
案例3：电动汽车电池保护
随着汽车从“内燃机转向全电动”，锂电池成为首选动力源。大多数插电式电动汽车都有一个大型电池组，该电池组包装在乘员舱的底板下方。随着电动汽车越来越广泛地用于日常驾驶，增加电池充电之间的行驶里程的需求变得更加必要。使电池组尽可能大是OEM的首要任务。此外，锂离子电池组必须在碰撞过程中得到保护。特别是在发生侧面碰撞的情况下，其中车辆的车身结构部件可能侵入电池组空间并导致电池组被刺穿从而导致火灾。
为了在碰撞过程中有效保护EV电池组，例如侧面碰撞电线杆，车辆结构必须限制侵入电池空间的量，同时吸收能量以保持驾驶员和乘客承受的侧向力生存水平。Tesseract公司的门槛梁UDU构实现了这一双重目的。
图7显示了专为EV电池保护设计的UDU槛梁结构极点跌落测试的FEA模拟结果。这种结构由四层铝皮组成，其中三层填充有Cymat泡沫铝。侧梁的第一层允许杆嵌入结构中，并将负载分布在比其他情况下更大的区域上。第二层和第三层具有促进各层连续压碎的刚度梯度。第四层充当反作用梁，以限制朝向电池组的总位移，并允许完全压碎前三层。
图 7. LS-DynaFEA 模拟对具有 UDU结构的 EV门槛梁进行极跌落测试。
立杆嵌入增加了侧门槛梁结构吸收的总能量（图8），有效增加了UDU挤压距离。在碰撞开始时和随后在碰撞期间将杆嵌入结构中，产生额外的能量吸收。该结构能够将侧杆碰撞模拟导致的对电池组空间的侵入限制在低于车辆OEM规范的量。与现有的EV车身结构相比，侧梁在侧杆碰撞期间吸收的能量也多40%以上。
图 8. UDU侧杆碰撞模拟的力与位移图。
虽然建模的侧梁结构是一个填充有Cymat泡沫铝的轻质铝皮，但该表皮也可以用AHSS、CFRP或各种其他材料制成。这种设计灵活性提供了将EV电池保护设计到车身结构和/或直接设计到电池组本身的选项。
UDU能够吸收大量能量而不伤害车辆乘员或压溃其他连接结构部件，这为汽车结构设计师提供了一种强大的工具，可以在车身和框架中创建被动碰撞安全保护，同时实现轻量化策略。UDU技术的轻型车辆应用包括保险杠梁碰撞盒、电池外壳保护以及前、侧和后碰撞改进。重型卡车也可以应用，包括欠载保护和重叠碰撞保护。
