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輕量化設(shè)計的汽車零部件用高強度鋼來抗凹 張研 來新民 朱平 王吳榮 摘要 輕巧耐撞性是汽車車身設(shè)計的兩個重要因素。在這篇文章中，基于淺殼理論，表達抗凹剛度的雙曲率扁殼是在集中載荷條件下取得的。該臨界負荷導(dǎo)致當?shù)噩嵥榈陌己墼谠撝行牡臏\殼被視為輕量級對汽車零部件的重要影響指數(shù)。本規(guī)則適用于輕量化設(shè)計的保險杠系統(tǒng)用高強度鋼代替溫和鋼。耐撞模擬輕量級的一部分，證明了輕量化進程的有效性。 關(guān)鍵詞: 高強度鋼 輕量 抗凹 1、介紹 近年來，由于汽車保有量的急劇增長，大大影響了社會和人們的生活，這種情況帶來了很多嚴峻的問題比如能源危機，環(huán)境污染。國際鋁組織協(xié)會聲明石油的消耗可降低8-10％與減少約10％的汽車重量。因此，汽車輕量化是節(jié)約燃料的一個基本方式。 為了減少汽車的重量，這又兩個較好的方法。一種方法是重新設(shè)計汽車零部件優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，通過使用細薄的、空心的、小型的和混合材料的零部件，來減輕汽車的重量。另一種是使用新的輕型材料，如今這種材料越來越多，如鋁合金，高強度鋼，復(fù)合材料都被廣泛作為輕質(zhì)材料以取代傳統(tǒng)材料如低碳鋼。這些材料可以顯著的減輕汽車的重量。使汽車輕量化材料替換比優(yōu)化結(jié)構(gòu)更有效。根據(jù)引進的汽車安全法規(guī)，輕量化設(shè)計的車身中耐撞性和安全性被視為先決條件。高強度鋼被廣泛的應(yīng)用于汽車上以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的低碳鋼。 高強度鋼板可用于汽車車身來提高部件碰撞能量吸收能力和耐塑性變形能力。汽車體重可減少通過使其零部件用一個更薄厚度的高強度鋼板取代低碳鋼板來制造。與鋁相比，鎂，復(fù)合材料和高強度鋼具有更好的經(jīng)濟性因為這些材料的原料和制作費用比較便宜。此外，高強度鋼可直接應(yīng)用到生產(chǎn)線上，包括成型，焊接，裝配和油漆。經(jīng)營成本節(jié)省了，因為沒有必要對整個線路進行調(diào)整。 在車身外，有幾個薄的金屬板，其中大部分是淺水面板。凹痕阻力是有能力保持形狀對沉沒撓度和地方凹痕在外力的作用下。凹性汽車板成為汽車的一個重要方面和質(zhì)量標準。因此，抗凹剛度的汽車板應(yīng)在面板設(shè)計和制造過程中被測試和評估。一些報道的測試方法列舉如下: 1）、在外力不變的情況下，測量位移沉沒撓度的fp 2）、測試外力F到獲得固定位移沉沒偏轉(zhuǎn)量 3）、在外力載荷作用下測試得邊坡力位移曲線 在這篇文章中，第二種方法將被采用，該表達抗凹剛度雙曲率淺殼是通過淺殼理論和集中負載的條件下得到的。該臨界負荷導(dǎo) 致該中心淺殼瑣碎的凹痕被視為凹性汽車零部件的重要評價指數(shù)。本規(guī)則適用于在第2條中，輕量化設(shè)計連年系統(tǒng)用高強度鋼代替低碳鋼與耐撞性仿真。 2、雙曲率淺殼的抗凹性分析 2.1 淺殼的抗凹剛度分析 殼牌與中表面特點可以分為三特征：厚度h，中面尺寸L，曲率半徑r ，并滿足的h / r<<1。當h/L<<1時，定義外殼為薄殼，如果在上述兩條件滿足的同時又滿足L／r<<1，這個薄殼被認為是淺殼。 如圖1所示，平面x-y是淺殼中表面沿著z軸的投影。假設(shè)M是中表面上的任意一點，兩平面QMN&PMN分別去平行OYZ和OXZ。邊PM和QM可近似認為是垂直的因為中表面和平坦。同時，MN正交于中面。因此，MN,PM,QM可構(gòu)成垂直參考系MPQN。其差額由正交坐標系統(tǒng)OXYZ可以忽略不計，同時PM和QM通過α和β來表示，該曲面坐標MPQN。 圖1 假設(shè)M是Z軸上的一點，對中表面的詳細分析方程如下： z=F(x,y) （1） 由于是平坦的外殼，就有如下方程： （2） 中面的曲率和撓度可近似至： （3） 該中面的下載系數(shù)可沿α和β方向?qū)С觯? （4） 運用集中力P沿Z軸和忽略橫向剪切力造成的影響，得到淺殼的平衡微分方程： （5） 其中δ（0，0）是狄拉克-δ函數(shù)。 淺殼的兼容性方程是： （6） 其中 通過橫向位移w來表達瞬時結(jié)果M1, M2和M12，淺殼在橫向集中力下的基本方程： （7） 其中N1是膜應(yīng)力在X方向，N2是膜應(yīng)力在Y方向，D表示淺殼的抗彎剛度。 這是很難解決上述方程。據(jù)要立足現(xiàn)實，沉沒的偏轉(zhuǎn)將只集中就在小范圍內(nèi)左右對外力P ，所以無限大型淺水殼牌是假定在這項研究中。因為w，N1,N2關(guān)于X,Y軸對稱，所有順序衍生的w,N1,N2都無限接近于零，以下方程可通過傅立葉進行變換。 （8） 其中： （9） 從公式（8）我們可以得到。通過逆向傅立葉變換和極坐標轉(zhuǎn)換ξ,η,w，再根據(jù)極坐標系統(tǒng)我們可以得到： （10） 把x=0,y=0帶入式（8），這關(guān)系在偏轉(zhuǎn)力fp和矩形淺殼的集中力P我們可以得到如下： （11） 最后抗凹剛度的雙曲率淺殼K便可獲得 (12) 這個等式綜合的說明了該抗凹剛度雙曲率淺殼的所有影響因素，包括材料性能，幾何參數(shù)，這些因素可以用來引導(dǎo)設(shè)計，材料選擇及制造。 2.2分析臨界載荷造成當?shù)噩嵥榘己? 為定量評價的臨界載荷對地方抗凹的展板，幾位研究員已經(jīng)提出了經(jīng)驗公式。根據(jù)大量的實驗，Dicellello說明一個公式表明最低能量W造成有形瑣碎的凹痕微量由厚度T的屈服應(yīng)力RS和基本抗凹剛度K。 （13） 其中C是比例恒，從公式（12）和（13），臨界載荷聚合酶鏈反應(yīng)，導(dǎo)致淺殼中心瑣碎的凹痕是可以實現(xiàn)的，其中這被定義為評價。 （14） 從公式（14），是有密切相關(guān)關(guān)系臨界負荷Pcr和厚度t,屈服應(yīng)力,關(guān)鍵負載可以是根據(jù)一個規(guī)則進行輕量化設(shè)計其中汽車零部件用高強度鋼代替低碳鋼。 3、舉列和耐撞性分析 3.1 整車的有限元模型及其碰撞模擬 一份詳細的有限元模型已確立基于從一輛房車改裝成一輛客車， 如圖2所示。以確保正確性性和有效性的有限元模型，一下方法將被采用： 1、因為目的是為了模擬正面碰撞的車，嚙合的前端車身比后方車身更稠密。 2、采取4節(jié)點殼單元和8節(jié)點磚固體成分來降低集成方法與沙漏控制，以提高仿真效率。 3、用嚙合和大量的縮放技術(shù)，到該特征長度的最小單元以確保提高仿真效率。 4、材料本構(gòu)與Cowper–Symonds應(yīng)變率項目是用于鋼鐵零件。 5、自動單面接觸算法是通過在模擬瞄準的復(fù)雜性來進行汽車碰撞仿真分析。 圖2 整車的有限元模型 6、點焊元件故障規(guī)則中說，考慮到該對標準力和剪切力，是用來模擬點焊連接汽車零部件。 顯式動力有限元軟件LS - DYNA的950版本是用來模擬正面碰撞的車對剛性壁在車速為50公里/秒根據(jù)國家墜毀立法CMDVR294。一個真正的車毀人亡實驗是在清華大學(xué)實驗室做的汽車碰撞。通過對比時程加速度某些位置上的一個支柱0.1 s時，模擬給出了一個合理的適合實驗結(jié)果，其中保證正確性的有限元模型，并給出了更好的基地，為下一步輕量化優(yōu)化設(shè)計做準備。 3、2輕量化設(shè)計及耐撞性分析 使用高強度鋼，是其中一個有效的如何降低汽車重量。然而，部分績效（如耐撞性，剛度，抗凹）通過新的材料得到保證。舉例來說，前面部分的汽車是主要能源吸收部分，在這一過程中的車毀人亡，所以能源吸收性能不影響乘客，故設(shè)計的前車零件的安全性需得到保證。在這項研究中，研究了不同的材料來制作汽車的緩沖器，但其余的為抗凹。 低碳鋼及高碳鋼的力學(xué)性能如下（見表1）： 評價指標的凹痕阻力保險杠用低碳鋼是 （15） 當高強度鋼是用來取代低碳鋼其余的主要形狀和抗凹性能， 高強度鋼的新厚度可以實現(xiàn) （16） 從公式（16）可以得到，保險杠的厚度可使用高強度鋼得到積累和更新，在整車FE模型中。變形過程中的收獲，以新的材料取得后，車毀人亡的是重新模擬與更新部分厚度（見圖3） 圖3 通過模擬實驗中，變形的保險杠有兩種不同的材料相似，即塑料鉸鏈與張力塑性變形出現(xiàn)在部分保險杠的中部。能量吸收的過程表現(xiàn)在保險杠橫梁上。從圖 4可以看出兩種材料的能量吸收差異很小，約4.1 ％為保險杠梁吸收。從中可以得出一個結(jié)論，在這份研究中說明的是在抗凹性的評價指標的基礎(chǔ)上，合理的減少保險杠板的厚度。 圖4 4、結(jié)論 本文研究了汽車中叫小的雙曲率淺殼的抗凹性零件，使用方法如下： 1、 抗凹剛度下，集中力量，是鑒于這種零件。 2、 臨界載荷導(dǎo)致當?shù)噩嵥橄魅踉撝行牡臏\殼已推斷， 這反過來又成為汽車零部件凹痕阻力的評價指數(shù)。 3、 有效性的評價指標，就是證明申請發(fā)達國家的規(guī)則向輕量化設(shè)計的保險杠系統(tǒng)采用高強度鋼代替溫和鋼并通過耐撞性仿真 參考文獻： 【1】 李元先，林中勤，江愛琴，陳關(guān)龍，使用高強度鋼的輕量化設(shè)計與防撞車身，2003；24：177-82 【2】 李元先，汽車車身輕量化研究的基礎(chǔ)上耐撞性的數(shù)值模擬。博士論文，中國，上海交通大學(xué)，2003 【3】 朱石鋒，宋奇峰，解放1092汽車車身輕量的研究，汽車工藝材料，2002 【4】 Jambor A, Beyer M. 新汽車新材料，1997 【5】 Che on SS, Lee DG, Jeong KS. 復(fù)合材料門影響客車橫梁，1997 【6】 李忠勝，周先斌，汽車鋼板抗凹性的動太靜態(tài)分析，2003 【7】 李忠勝，周先斌，雙曲率車身鋼板的下沉剛度，2003 【8】 對轎車車身鋼板的強度，剛度及抗凹性分析，1995 【9】 車身面板的抗凹性的設(shè)計標準，SAE 1974 【10】韓強，黃小清，恁建國，先進的鋼板殼體理論，2002