0 引言

由于密度小、比强度高且耐蚀性优良，铝合金材料在航空航天和汽车产业中得到了广泛应用。在未来相当长一段时间内，铝合金仍将是航空航天及汽车产业的重要结构材料之一。

汽车门槛梁是连接车门与车身结构的关键部件，犹如汽车的“骨骼”。其主要作用包括三点。

（1）支撑车门：为车门提供闭合支撑力，确保车门稳定性，并提升车辆操控性。

（2）碰撞防护：在车辆侧碰或翻滚时，通过高强度材料吸收冲击能量，减轻对车内乘员的伤害。

（3）耐磨抗损：承受乘客上下车时的摩擦与剐蹭，需具备良好的耐磨性能。

随着汽车制造技术的发展，门槛梁材料选择逐渐趋向轻量化。现代汽车工业中，多采用铝合金材料制造门槛梁，其具有重量轻、外表美观等特点，同时可在碰撞中有效卸力，并兼顾隔声与密封性能。

此外，汽车门槛梁在车辆行驶过程中还承受振动、扭转及冲击载荷，其疲劳性能直接关系到车身耐久性以及驾乘人员的人身安全。以往关于门槛梁强度与合金成分的研究较多，而对疲劳寿命方面的研究相对较少。然而汽车属于动、静载荷综合作用系统，因此开展门槛梁疲劳寿命及压溃吸能研究尤为重要。

本文以牌号6063、热处理状态T6的铝合金汽车门槛梁为研究对象，在轴向应力加载条件下，采用应力比0.1，选取不同应力水平进行疲劳试验研究：高应力区采用成组法，低应力区采用升降法。通过数据分析计算得到中值疲劳极限与中值对数疲劳寿命，并绘制疲劳S-N曲线，为该铝合金在汽车门槛梁中的应用提供理论参考。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

取一块规格为1200mm×120mm×78mm、牌号为6063、热处理状态为T6的汽车门槛梁坯料，其横截面如图1所示。在坯料不同位置沿纵向取样。

按试样图纸尺寸对取样材料进行加工，试样尺寸如图2所示。根据预计试验需求，共加工试样44件。

图1 汽车门槛梁取样位置示意

图2 试样加工要求

1.2 试验方案

首先对加工后的试样进行编号。依据HB5287—96标准，对参与计算的尺寸进行测量，并按其最小宽度、厚度以及应力比0.1计算所需试验参数（如载荷均值、幅值等）。

另外单独加工3件试样用于测量屈服强度，并以屈服强度的70%作为初始应力；应力级差控制在预计疲劳极限的5%以内。本试验最大起始应力170MPa，应力级差10MPa。

试验设备采用长春仟邦QBG-50高频疲劳试验机，加载方式为轴向应力控制，波形为正弦波。试验环境温度20.3～25.2℃，湿度40.7%～61.8%。试验周期为2025年7月9日至2025年8月13日。

试验遵循“高应力区采用成组法、低应力区（长寿命区）采用升降法”的原则，先进行升降法试验，再进行成组法试验。

升降法共完成24件试样测试。对断裂发生于夹持端的试样，以及未配对成功的试验数据予以剔除，最终14组有效数据进行统计分析和升降图绘制。

成组法选取240MPa、260MPa、290MPa三个应力水平，共完成23件试样测试。剔除断裂于夹持端的试样，以及疲劳寿命离散性超出统计要求的数据，最终以17组有效数据计算中值疲劳寿命、标准偏差及变异系数。计算结果满足HB5287-96附录C中置信度r=95%的变异系数规定范围。

最后，依据升降法得到的中值疲劳强度与成组法得到的中值对数疲劳寿命，在半对数坐标系下绘制疲劳S-N曲线。

2 测试结果

2.1 升降法

设定基准循环周次为10⁷次。升降法共完成24件试样测试，剔除断裂发生于夹持端的数据及未配对成功的数据后，保留14组有效数据，见表1。

当试样在达到规定循环次数前发生断裂时，标记为“×”（断裂）；当试样达到规定循环次数而未发生断裂时，标记为“○”（未断裂）。升降法试验中，下一根试样的应力水平由上一根试样试验结果决定：若上一根试样在规定循环周次前断裂，则下一根试样应降低一个应力级差；反之，若上一根试样未断裂，则下一根试样增加一个应力级差，直至完成全部试验。

此外，升降法数据中从首次出现相反结果（断裂/未断裂）的两点开始计为有效数据，其之前的数据应予以舍弃；如有需要，舍弃点可再次利用。当最后一个数据点推算出的下一个应力水平恰好回到第一个有效数据点的应力水平时，称为升降图闭合。

如图3所示，最后一个数据点为140MPa未断裂，则下一个应力应升至150MPa，恰好回到第一个有效数据点应力水平，因此升降图闭合，并形成7对有效配对数据。同时计算7对的对子应力的标准偏差，并核对是否满足HB5287-96附录C要求。经计算，本次试验变异系数为0.0522，而附录C规定观测个数为7时变异系数应在0.0476～0.0541范围内，满足要求且升降图闭合，因此判定升降法试验完成。最终计算得到中值疲劳极限为150.7MPa，结果如表2所示。

图3 升降图

2.2 成组法

成组法同样以107次循环周次为基准，共完成23件试样测试，剔除断裂发生于夹持端的数据，以及变异系数不满足HB5287-96附录C（置信度95%条件下最少试样数要求）的数据后，共获得17组有效数据，见表3。其中，240MPa与290MPa各完成6组试验，260MPa完成5组试验，各应力水平的变异系数均满足HB5287-96附录C要求。中值对数疲劳寿命为对数寿命的平均值，N50表示存活率为50%的疲劳寿命。结果计算见表4。

最终以应力水平为纵坐标、循环周次为横坐标（横坐标取对数坐标），绘制疲劳S-N曲线，如图4所示。

图4 S-N曲线

2.3 压溃试验

通过压溃试验评估6063-T6铝合金汽车门槛梁在侧碰工况下的吸能能力。取一段长度400mm的门槛梁试样，以200mm/min的速度压溃位移240mm，压溃后的试样如图5所示。

图5 压溃试验后的样品

如图6所示的压溃位移-载荷曲线可见，载荷从位移0mm时的115kN到位移约20mm时（约6s）突降至30kN，侧碰吸能约1700J，吸能效果较好。此外，实测型材质量为6.41kg/m，因此采用6063-T6铝合金作为汽车门槛梁材料对整车轻量化亦具有一定促进作用。

图6 压溃位移载荷曲线图

3 分析与讨论

断裂发生于夹持端的数据多与夹持位置应力集中或材料局部缺陷有关，通常作为无效数据处理，不参与计算，因此对整体试验方案无实质影响。

疲劳极限是材料在无限次应力循环下不发生疲劳断裂的最大应力。一般认为，当试样在10⁷次循环内不发生断裂，可近似视为可承受“无限次循环”而不发生破坏。本试验得到的中值疲劳极限为150.7MPa。由图4的S-N曲线可知，当应力低于143.2MPa（95%中值疲劳寿命对应应力）时，可认为材料在高周疲劳条件下具有较高的安全裕度。

试样疲劳寿命取决于施加的应力水平。外加应力水平S与标准试样疲劳寿命N的关系曲线称为材料的S-N曲线。该曲线通常表示存活率为50%的中值疲劳寿命与外加应力之间的关系，因此也称为中值S-N曲线。依据图4所示半对数坐标S-N曲线，门槛梁在实际使用过程中所受应力可对应查得循环寿命。当实际应力与循环周次对应点位于曲线左下区域时，可认为结构处于相对安全状态，不易发生疲劳断裂。该研究结果对门槛梁优化设计与寿命评估具有重要参考价值。

考虑到车辆行驶中门槛梁承受振动、扭转与冲击载荷等作用，可通过实车工况测量获得载荷水平并换算应力，结合S-N曲线预测疲劳寿命。此外，若以实际应用中的极限载荷调查值作为依据，在生产设计阶段对门槛梁应力水平进行合理校核，可有效提升整车结构安全性与可靠性。

4 结语

（1）本文测得牌号为6063、热处理状态为T6的汽车门槛梁铝合金中值疲劳极限为150.7MPa；该材料轻量化优势明显，在侧碰工况下（约6s）吸能可达1700J，吸能效果较好。

（2）基于升降法与成组法试验结果绘制了疲劳S-N曲线，直观反映了6063-T6铝合金汽车门槛梁应力水平与循环周次之间的关系。

（3）通过本次研究，形成了一套较完整的铝合金S-N曲线测试规律与方法：升降法以屈服强度的70%作为初始应力，应力级差控制在预计疲劳极限的5%以内；成组法建议在中值疲劳极限基础上提高70～80MPa的应力水平，且应力梯度以20MPa范围浮动。该方法可为6系铝合金在汽车产业中的应用提供技术支持，并为后续相关研究提供参考。

参考文献

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