王俊杰 劉桂斌

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

關鍵詞：鋁型材；側(cè)防護欄；冷藏車

中圖分類號：U2373.99? 收稿日期：2023-04-20

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.05.011

1 前言

輕量化設計是當前汽車領域的研究熱點之一。冷藏車的輕量化方向分為廂體輕量化和金屬構件輕量化兩部分。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)高強的特性，被各大生產(chǎn)企業(yè)競相研發(fā)及應用。

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

隨著鋁材擠壓機行業(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行鋁合金對鋼材的替代，鋁材的廣泛應用，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)防護欄設計要求

冷藏車側(cè)防護欄又稱為側(cè)面防護裝置，由縱向部件和連接結(jié)構件組成，并且固定在底盤的側(cè)面部件上或車輛其他結(jié)構件上的裝置，用于避免未受保護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N2、N3、O3、O4類車型，必須要加裝側(cè)防護欄，國內(nèi)標準不但對側(cè)防護欄的安裝長度、高度、截面高度以及結(jié)構樣式有相應要求，還要求側(cè)防護欄應具有一定的剛度，固定牢固（不因振動而松動），以抵抗碰撞和沖擊。

根據(jù)標準規(guī)定：當采用直徑220 mm±10 mm的圓形平壓頭對側(cè)防護欄外表面各部位施以1 kN的垂直靜壓力時，側(cè)面防護裝置在最后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。當采用鋼質(zhì)側(cè)防護時，為保證側(cè)防護欄的整體剛度，在受到垂直壓力時其變形量符合國家標準要求，需要采用M型鋼或者方鋼管進行制作，造成側(cè)防護欄非常笨重。

3 鋁合金冷藏車側(cè)防護欄設計

以某公司生產(chǎn)的某型冷藏車側(cè)防護欄為研究對象，其側(cè)防護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，兩件安裝支架與一件防護欄主體采用二氧化碳保護焊焊接為一體，整體重量為13.5 kg，如圖1所示。

在滿足GB 11567［2］中對側(cè)防護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)設計鋁合金材質(zhì)的側(cè)防護欄，外形結(jié)構如圖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，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厚加強鋁制肋板，肋板采用鉚接或氣體保護焊的方式與支架固定為一體。

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

4 鋁合金冷藏車側(cè)防護欄強度分析

鋁合金材質(zhì)具有很多優(yōu)勢，如可降低結(jié)構件的質(zhì)量可以提高低溫結(jié)構的性能，可以降低運輸費用，可以改善強度，提高質(zhì)量，可以提高結(jié)構件的壽命等[3]。現(xiàn)對某型冷藏車側(cè)防護欄強度進行分析。

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，壁厚1.5（T形槽螺栓包邊2.0）；橫梁網(wǎng)格邊長設置為1.5 mm，支架設置為2.5 mm；為保證精度，使用hex8六面體單元CHEXA類型，手動進行網(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)構共4處（圖5）；每個螺栓頭下側(cè)接觸面附加16.23 kN預緊力，并定義0.17靜摩擦因數(shù)，螺栓材質(zhì)定義為高強鋼，鉚釘位置使用REB2剛性錨栓連接，加強板與支架焊縫使用penta-mig 進行劃分（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，對后下部、中下部、前下部分別進行三次加載計算，如圖9所示。鋼塊下端設置為六自由度全約束，型材與鋼塊接觸位置設置為滑動非穿透接觸［3］。加載通過一個120 kg質(zhì)量點進行加載，質(zhì)量點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，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，最大位移出現(xiàn)在橫梁中央，約為8.9 mm，低于國標150 mm的最大允許值。前部加載時，最大位移出現(xiàn)在橫梁前段，約為5.3 mm，低于國標150 mm的最大允許值，如圖10所示。

4.2.2 應力分析

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

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

前部加載時，出現(xiàn)的兩處最大等效應力位置為：加強板上焊縫位置、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)防護欄為研究對象，在滿足GB 11567標準文件中對側(cè)防護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)設計鋁合金材質(zhì)的側(cè)防護欄。

b.開發(fā)設計的鋁合金材質(zhì)側(cè)防護欄重量為4.9 kg，原鋼質(zhì)側(cè)防護欄重量13.5 kg，減重8.6 kg，減重63.7%，采用鋁合金材質(zhì)側(cè)防護欄的整車可實現(xiàn)降重17.2 kg。

c.通過CAE分析，對鋁合金材質(zhì)側(cè)防護欄進行加載后，位移值符合GB 11567中的相關要求，且其結(jié)構所受最大等效應力不超過材料屈服強度。

參考文獻：

[1]邵光杰，張恒華，許珞萍汽車用鋁合金材料及熱處理進展[J]金屬熱處理，2014（1）：29-32

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

[3]張長沖擊載荷作用下鋁合金強度分析[J]中國新技術新產(chǎn)品，2015（14）：47.

作者簡介：

王俊杰，男，1977年生，工程師，研究方向為汽車工程。