鋁合金側(cè)防護(hù)欄的輕量化及強(qiáng)度研究

王俊杰 劉桂斌

摘要：鋁合金材料因具有輕質(zhì)量、高強(qiáng)度的特性，廣泛應(yīng)用于汽車制造中。以某型號(hào)輕卡冷藏車的側(cè)防護(hù)為例，用6061型鋁合金代替原來的Q235材質(zhì)鋼結(jié)構(gòu)，不但能實(shí)現(xiàn)15 kg的降重，還能滿足GB 11567-2017中對(duì)側(cè)防護(hù)的強(qiáng)度要求。

關(guān)鍵詞：鋁型材；側(cè)防護(hù)欄；冷藏車

中圖分類號(hào)：U2373.99? 收稿日期：2023-04-20

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.05.011

1 前言

輕量化設(shè)計(jì)是當(dāng)前汽車領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。冷藏車的輕量化方向分為廂體輕量化和金屬構(gòu)件輕量化兩部分。近年來，各冷藏車生產(chǎn)商家做了大量的研究，取得了一定的成果。其中，鋁合金以其輕質(zhì)高強(qiáng)的特性，被各大生產(chǎn)企業(yè)競(jìng)相研發(fā)及應(yīng)用。

鋁合金的密度為2.7 kg/cm3，遠(yuǎn)低于鋼材的7.8 kg/cm3，而多種牌號(hào)的鋁合金（如6061、6063等）材料力學(xué)性能甚至優(yōu)于部分鋼材[1]，部分構(gòu)件采用鋁型材取代鋼材后，不但能實(shí)現(xiàn)超過30%～50%的降重，還能保證構(gòu)件強(qiáng)度需要。

隨著鋁材擠壓機(jī)行業(yè)的發(fā)展，鋁型材斷面尺寸可以做得越來越大，專用汽車行業(yè)可以在更多的組件上進(jìn)行鋁合金對(duì)鋼材的替代，鋁材的廣泛應(yīng)用，可極大助推專用汽車行業(yè)輕量化的發(fā)展。

2 冷藏車側(cè)防護(hù)欄設(shè)計(jì)要求

冷藏車側(cè)防護(hù)欄又稱為側(cè)面防護(hù)裝置，由縱向部件和連接結(jié)構(gòu)件組成，并且固定在底盤的側(cè)面部件上或車輛其他結(jié)構(gòu)件上的裝置，用于避免未受保護(hù)的道路使用者跌入車輛側(cè)面而被卷入車輪下造成人員生命安全事故。針對(duì)N2、N3、O3、O4類車型，必須要加裝側(cè)防護(hù)欄，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)不但對(duì)側(cè)防護(hù)欄的安裝長(zhǎng)度、高度、截面高度以及結(jié)構(gòu)樣式有相應(yīng)要求，還要求側(cè)防護(hù)欄應(yīng)具有一定的剛度，固定牢固（不因振動(dòng)而松動(dòng)），以抵抗碰撞和沖擊。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：當(dāng)采用直徑220 mm±10 mm的圓形平壓頭對(duì)側(cè)防護(hù)欄外表面各部位施以1 kN的垂直靜壓力時(shí)，側(cè)面防護(hù)裝置在最后250 mm段因受力而產(chǎn)生的變形量不大于30 mm；其余部分變形量不大于150 mm。當(dāng)采用鋼質(zhì)側(cè)防護(hù)時(shí)，為保證側(cè)防護(hù)欄的整體剛度，在受到垂直壓力時(shí)其變形量符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，需要采用M型鋼或者方鋼管進(jìn)行制作，造成側(cè)防護(hù)欄非常笨重。

3 鋁合金冷藏車側(cè)防護(hù)欄設(shè)計(jì)

以某公司生產(chǎn)的某型冷藏車側(cè)防護(hù)欄為研究對(duì)象，其側(cè)防護(hù)欄主體部分由截面為30 mm×50 mm×2 mm的Q235方管焊接而成，安裝支架采用截面為100 mm×30 mm×30 mm槽鋼，利用二保焊組焊成L形結(jié)構(gòu)，兩件安裝支架與一件防護(hù)欄主體采用二氧化碳保護(hù)焊焊接為一體，整體重量為13.5 kg，如圖1所示。

在滿足GB 11567［2］中對(duì)側(cè)防護(hù)欄的各類要求的前提下，用鋁合金型材代替原碳鋼材質(zhì)部件，開發(fā)設(shè)計(jì)鋁合金材質(zhì)的側(cè)防護(hù)欄，外形結(jié)構(gòu)如圖2所示，整體質(zhì)量為4.9 kg，材質(zhì)為6061-T6，橫桿采用鋁合金擠壓型材，截面為“回”字形結(jié)構(gòu)，截面外形尺寸為100 mm×50 mm，壁厚1.5 mm，并在背部有T形連接槽，槽周邊厚2 mm。安裝支架采用壓鑄鋁型材，截面為50 mm×30 mm×30 mm，并在圓弧部位配置有2.5 mm厚加強(qiáng)鋁制肋板，肋板采用鉚接或氣體保護(hù)焊的方式與支架固定為一體。

與原鋼質(zhì)側(cè)防護(hù)欄相比，該型鋁合金材質(zhì)側(cè)防護(hù)欄降重9.8 kg，降重63.7%。對(duì)于整車而言，左右均需要安裝一套側(cè)防護(hù)欄，可實(shí)現(xiàn)減重17.2 kg。

4 鋁合金冷藏車側(cè)防護(hù)欄強(qiáng)度分析

鋁合金材質(zhì)具有很多優(yōu)勢(shì)，如可降低結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量可以提高低溫結(jié)構(gòu)的性能，可以降低運(yùn)輸費(fèi)用，可以改善強(qiáng)度，提高質(zhì)量，可以提高結(jié)構(gòu)件的壽命等[3]?，F(xiàn)對(duì)某型冷藏車側(cè)防護(hù)欄強(qiáng)度進(jìn)行分析。

4.1 網(wǎng)格劃分、約束及加載

4.1.1 網(wǎng)格劃分

數(shù)模橫桿定義為1.8 m長(zhǎng)，壁厚1.5（T形槽螺栓包邊2.0）；橫梁網(wǎng)格邊長(zhǎng)設(shè)置為1.5 mm，支架設(shè)置為2.5 mm；為保證精度，使用hex8六面體單元CHEXA類型，手動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分；橫梁、支架網(wǎng)格劃分后如圖3～圖4所示，材質(zhì)為6061-T6。

4.1.2 連接與約束分析

M8T形槽螺栓頭下側(cè)與橫梁型材內(nèi)側(cè)邊、螺栓桿與橫梁型材溝槽邊、支架螺栓孔內(nèi)臂，橫梁型材背側(cè)與支架表側(cè)均做接觸定義接觸面，典型結(jié)構(gòu)共4處（圖5）；每個(gè)螺栓頭下側(cè)接觸面附加16.23 kN預(yù)緊力，并定義0.17靜摩擦因數(shù)，螺栓材質(zhì)定義為高強(qiáng)鋼，鉚釘位置使用REB2剛性錨栓連接，加強(qiáng)板與支架焊縫使用penta-mig 進(jìn)行劃分（圖6）。

支架螺栓孔及墊圈范圍為六自由度全約束，支架上接觸面為246約束（Y平移、X旋轉(zhuǎn)、Z旋轉(zhuǎn)約束），如圖7～圖8所示。

4.1.3 加載分析

按照GB 11567-2017要求建立220 mm直徑圓柱壓塊，以1 kN力，對(duì)后下部、中下部、前下部分別進(jìn)行三次加載計(jì)算，如圖9所示。鋼塊下端設(shè)置為六自由度全約束，型材與鋼塊接觸位置設(shè)置為滑動(dòng)非穿透接觸［3］。加載通過一個(gè)120 kg質(zhì)量點(diǎn)進(jìn)行加載，質(zhì)量點(diǎn)與型材上表面整面使用reb3單元連接。

4.2 結(jié)果分析

4.2.1 位移分析

后部加載時(shí)，最大位移出現(xiàn)在橫梁末端，約為3.4 mm，低于GB 11567中要求的30 mm的最大允許值。中部加載時(shí)，最大位移出現(xiàn)在橫梁中央，約為8.9 mm，低于國(guó)標(biāo)150 mm的最大允許值。前部加載時(shí)，最大位移出現(xiàn)在橫梁前段，約為5.3 mm，低于國(guó)標(biāo)150 mm的最大允許值，如圖10所示。

4.2.2 應(yīng)力分析

后部加載時(shí)，出現(xiàn)的三處最大等效應(yīng)力位置為：加強(qiáng)板下焊縫位置、壓塊接觸邊緣，依次為154.2 MPa、144.3 MPa、103.8 MPa，均小于6061-T6屈服強(qiáng)度240 MPa，如圖11所示。

中部加載時(shí)，出現(xiàn)的兩處最大等效應(yīng)力位置為：壓塊接觸邊緣、加強(qiáng)板下焊縫位置，分別為135.3 MPa和123.8 MPa，均小于6061-T6屈服強(qiáng)度240 MPa，如圖12所示。

前部加載時(shí)，出現(xiàn)的兩處最大等效應(yīng)力位置為：加強(qiáng)板上焊縫位置、壓塊接觸邊緣，依次為174.4 MPa、114.0 MPa，均小于6061-T6屈服強(qiáng)度240 MPa，如圖13所示。

5 結(jié)語

a.以某公司生產(chǎn)的某型冷藏車側(cè)防護(hù)欄為研究對(duì)象，在滿足GB 11567標(biāo)準(zhǔn)文件中對(duì)側(cè)防護(hù)欄的各類要求的前提下，用鋁合金型材代替原碳鋼材質(zhì)部件，開發(fā)設(shè)計(jì)鋁合金材質(zhì)的側(cè)防護(hù)欄。

b.開發(fā)設(shè)計(jì)的鋁合金材質(zhì)側(cè)防護(hù)欄重量為4.9 kg，原鋼質(zhì)側(cè)防護(hù)欄重量13.5 kg，減重8.6 kg，減重63.7%，采用鋁合金材質(zhì)側(cè)防護(hù)欄的整車可實(shí)現(xiàn)降重17.2 kg。

c.通過CAE分析，對(duì)鋁合金材質(zhì)側(cè)防護(hù)欄進(jìn)行加載后，位移值符合GB 11567中的相關(guān)要求，且其結(jié)構(gòu)所受最大等效應(yīng)力不超過材料屈服強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)：

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[2]GB/T 11567-2017 汽車及掛車側(cè)面和后下部防護(hù)要求[S]

[3]張長(zhǎng)沖擊載荷作用下鋁合金強(qiáng)度分析[J]中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2015（14）：47.

作者簡(jiǎn)介：

王俊杰，男，1977年生，工程師，研究方向?yàn)槠嚬こ獭?/p>