聚脲涂覆铝制纵梁抗冲击性能的试验与数值分析

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2025.12.017

摘要/Abstract

摘要：

为兼顾乘用车轻量化设计与碰撞安全性能提升的需求，本研究以直接承载纵向载荷的一体压铸铝制纵梁为研究对象，系统探究聚脲涂层厚度（0 - 7 mm）与界面强度（6 - 14 MPa）对其抗冲击性能的协同强化机制。通过开展材料层级的聚脲静动态拉伸试验、聚脲-铝合金界面双悬臂梁（DCB）试验，以及零部件层级的纵梁静动态压溃等试验，结合基于LS-DYNA平台构建的三维有限元模型，实现了涂层参数的多维度验证与优化分析。研究结果表明，聚脲材料具有显著的应变率强化特性；当涂层厚度为6 mm时，纵梁冲击峰值载荷可提升16.53%；然而参数优化显示，3 mm厚度区间能实现最优能量吸收效率。界面强度在12 MPa左右时能量传递效率最高，强度不足则易引发界面剥离失效。仿真与试验结果对比显示，冲击峰值误差控制在10%以内，且失效模式高度一致。综上所述，通过合理匹配聚脲涂层厚度与界面强度，可有效提升纵梁的承载能力、吸能效率及结构完整性（如减少碎片飞溅），同时改善其冲击过程中的变形模式，抑制局部脆性断裂与失稳屈曲，从而为汽车轻量化与安全性协同设计提供理论依据与工程实践支撑。

关键词: 铸铝纵梁, 聚脲涂层, 有限元分析, 冲击性能

Abstract:

To meet the dual demand of lightweight design and crash safety performance improvement in passenger vehicles， in this study the synergistic reinforcement mechanism of polyurea coating thickness （0-7 mm） and interface strength （6 - 14 MPa） on the impact resistance of a one-piece die-cast aluminum rail that directly carries longitudinal loads is investigated. Through material-level static and dynamic tensile tests on polyurea， interfacial double cantilever beam （DCB） tests， and component-level quasi-static and dynamic crush tests on the rails， combined with a three-dimensional finite element model built on the LS-DYNA platform， multi-dimensional validation and parametric analysis of the coating are conducted. The results show that polyurea exhibits significant strain rate hardening behavior. When the coating thickness is 6 mm， the impact peak load of the rail can be increased by 16.53%. However， parameter analysis reveals that a thickness of approximately 3 mm achieves optimal energy absorption efficiency. The interface strength of around 12 MPa provides the best energy transfer efficiency， while insufficient strength may lead to interfacial delamination. The comparison between simulation and experimental results shows that the error in peak impact force is controlled within 10%， with highly consistent failure modes observed. In conclusion， by appropriately matching the polyurea coating thickness and interface strength， the load-bearing capacity， energy absorption efficiency， and structural integrity （e.g.， reduced fragment scattering） of the rail can be effectively enhanced， while improving deformation behavior during impact and suppressing local brittle fracture and buckling instability， thereby providing both theoretical support and engineering guidance for the coordinated design of automotive lightweight and safety.

Key words: cast aluminum longitudinal beam, polyurea coatings, finite element analysis, impact property

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图/表 14

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参考文献 19

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序号	对象	试验类型	应变率或速率	试验设备
1	聚脲材料试验	准静态拉伸	0.000 4 /s	Zwick Z100
2		准静态压缩	0.000 4 /s	Zwick Z100
3		动态拉伸	1、50 、100 和500 /s	Zwick HTM5020
4		动态压缩	1、50 、100 和500 /s
5		平面拉伸	0.000 4 /s
6		平面压缩	0.000 4 /s
7	界面力学模型试验	DCB试验	0.000 4 /s	Zwick Z100
8	界面力学模型试验	ENF试验	0.000 4 /s	Zwick Z100
9	零部件试验	260 mm纵梁静态压溃试验	2 mm/min	HUT605A
10	零部件试验	315 mm纵梁动态压溃试验	9.27 m/s	落锤装置

对象	峰值承载力试验值/kN	峰值承载力仿真值/kN	相对误差/%	最大压溃量试验值/mm	最大压溃量仿真值/mm	相对误差/%
无涂层纵梁静态压溃	149.57	140.25	6.23
6 mm涂层纵梁静态压溃	181.84	165.84	8.80
无涂层纵梁动态压溃	174.17	168.23	3.41	138.72	138.13	0.43
6 mm涂层纵梁动态压溃	202.96	205.68	1.34	87.59	87.06	0.61