乘用車輕量化問題研究

沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第一章緒論1.1乘用車輕量化設(shè)計(jì)研究的背景及意義隨著人們對(duì)汽車安全性、舒適性、環(huán)保性能要求的提高，汽車空調(diào)、隔熱隔音裝置、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、無線電通訊、電視機(jī)甚至衛(wèi)生間等設(shè)備越來越多的被安裝到汽車上，這無形中增加了汽車的質(zhì)量、耗油量和耗材量。從汽車產(chǎn)品的整個(gè)生命周期看油耗費(fèi)用是汽車生命周期總費(fèi)用的主體，占汽車生命周期費(fèi)用的71%，汽車客戶迫切希望降低油耗費(fèi)用以節(jié)約后期的運(yùn)行成本。要使汽車省油，首選措施是讓汽車“瘦身”，減少車輛自身質(zhì)量和降低制作成本。據(jù)統(tǒng)計(jì)，客車車身質(zhì)量占汽車總質(zhì)量的25%～30%，車身制造成本占整車制造成本的比重超過50%。因此車身輕量化對(duì)于整車的輕量化起著舉足輕重的作用。輕量化的目的就在于確保車體強(qiáng)度、剛度的前提下，減輕車身骨架的質(zhì)量，不僅可以減少鋼材和燃油的消耗，減少污染排放，提高車速，改善汽車起動(dòng)和制動(dòng)性能，而且可有效減少振動(dòng)和噪聲，增加汽車和公路使用壽命。據(jù)中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)顯示，2009年我國(guó)汽車產(chǎn)量達(dá)到1379萬輛，首次超越美國(guó)，成為世界第一大汽車生產(chǎn)國(guó)。圖SEQ圖表\*ARABIC1.1我國(guó)汽車產(chǎn)量汽車在給人們的出行帶來方便的同時(shí)，也產(chǎn)生了油耗、安全和環(huán)保三大問題。如何應(yīng)對(duì)三大問題，各國(guó)政府都提出了相應(yīng)的措施。包括制定條令法規(guī)，如油耗法規(guī)，安全法規(guī)以及排放法規(guī)。各國(guó)汽車工業(yè)界一致認(rèn)為，汽車輕量化是滿足上述三個(gè)法規(guī)的有效手段和方法。汽車車身不僅組成零件繁多，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在現(xiàn)代轎車的設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，轎車車身大多數(shù)采用全承載式結(jié)構(gòu)。以普通轎車白車身為例，它是鋼板沖壓件焊接而成的空間板梁組合殼體，由400~500多個(gè)沖壓件組成。一般地，汽車車身及其附件的質(zhì)量約占整車質(zhì)量的30%~40%，車身的輕量化是實(shí)現(xiàn)整車輕量化的重點(diǎn)和關(guān)鍵。另一方面，車身質(zhì)量的減小，可以改善懸架和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)荷，從而可以進(jìn)一步減輕這些總成的質(zhì)量?？梢哉f，輕質(zhì)汽車車身是汽車提高動(dòng)力性、降低油耗、節(jié)約材耗、降低成本的關(guān)鍵，車身輕量化已成為當(dāng)前汽車工程的重要研究課題和目標(biāo)之一。綜上所述，持續(xù)增加的汽車保有量與日益短缺的能源供給以及愈加嚴(yán)峻的環(huán)境問題的矛盾不斷深化，為了緩解這一矛盾，迫切需要研究汽車的節(jié)能降耗技術(shù)。汽車的輕量化可以在保持汽車增長(zhǎng)的狀況下有效降低能源消耗和緩解巨大的環(huán)境壓力，汽車車身輕量化技術(shù)的研究，對(duì)于汽車工業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展，以及我國(guó)社會(huì)發(fā)展、能源戰(zhàn)略都具有重大意義。1.2乘用車輕量化的主要途徑減輕汽車質(zhì)量的主要途徑包括車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和使用輕量化材料，此外，先進(jìn)成形工藝或連接工藝的應(yīng)用也能帶來明顯的輕量化效果。一般全鋼結(jié)構(gòu)白車身通過優(yōu)化設(shè)計(jì)可以減重7%左右，采用鋁合金的車身可以帶來30%~50%的輕量化效果，而想減輕更多的重量就只能求助于纖維復(fù)合材料。車身的結(jié)構(gòu)優(yōu)化是指在車身設(shè)計(jì)階段，應(yīng)用CAE/CAD/CAO一體化技術(shù),用數(shù)值模擬技術(shù)代替實(shí)車試驗(yàn),對(duì)車身進(jìn)行靜剛度、振動(dòng)、疲勞和碰撞等結(jié)構(gòu)性能分析。得到車身的力學(xué)結(jié)構(gòu)性能，并應(yīng)用現(xiàn)代優(yōu)化技術(shù)對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。在確保車身的功能、性能和質(zhì)量的前提下，去除冗余材料，使車身部件精簡(jiǎn)化、小型化、薄壁化和中空化，以達(dá)到減輕車身重量的目的。輕量化材料的使用是車身輕量化的重要手段，在確保汽車綜合性能指標(biāo)的前提下，使用輕質(zhì)材料來制造車身，可以很大程度減輕車身的質(zhì)量。目前，在國(guó)內(nèi)外汽車上應(yīng)用較多的輕量化材料有鋁合金、鎂合金、高強(qiáng)度鋼、塑料及復(fù)合材料等。美國(guó)PNGV計(jì)劃中明確提出選用新材料,包括高強(qiáng)度鋼、鋁、鎂、鈦合金、塑料及復(fù)合材料等來實(shí)現(xiàn)減小汽車自身重量的目的。表1.3列出1980、1990以及2000年美國(guó)中型轎車主要材料構(gòu)成比例，從中可以看出，汽車上使用鋼鐵材料的比例逐年減少，而鋁合金等輕量化材料的比例不斷上升。但是，由于鋼材在剛度、強(qiáng)度、碰撞能量吸收能力、回收利用尤其是成本方面具有綜合的優(yōu)越性。所以目前汽車車身主導(dǎo)地位的制造材料仍然是鋼材。表1.1美國(guó)中型轎車主要材料構(gòu)成比例年代鋼鐵（%）鋁合金（%）塑料（%）其他材料（%）198069.04.09.018.0199060.05.512.520.0200051.012.018.019.0通過替換材料實(shí)現(xiàn)輕量化有兩個(gè)途徑：一是使用同密度、同彈性模量、而強(qiáng)度高的材料代替原有的材料，如高強(qiáng)度鋼等。二是使用密度小、比強(qiáng)度高的材料代替原有的材料，如鋁合金、鎂合金、塑料及其復(fù)合材料等。表列出常用幾種輕量化材料減重效果及相對(duì)成本。表1.2輕量化材料減重效果及相對(duì)成本輕量化材料被替代的材料減小質(zhì)量（%）相對(duì)成本（每個(gè)零件）高強(qiáng)度鋼普通低碳鋼101鋁合金鋼、鑄鐵40~601.3~2鎂合金鋼、鑄鐵60~751.5~2.5鎂合金鋁合金25~351~1.5玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料鋼25~351~1.5除了結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)和使用輕量化材料，采用先進(jìn)的生產(chǎn)制造工藝(如拼焊板技術(shù)、液壓成形和激光焊接等)也是車身輕量化研究的一個(gè)方向，例如:(1)拼焊板技術(shù)是指按照車身零件各個(gè)部位不同的性能要求，分別使用不同的材料或不同厚度的材料，使其焊接在一起，然后進(jìn)行沖壓成形獲得所需零件形狀的一種工藝。拼焊板的使用可以減少零件的數(shù)量、降低生產(chǎn)成本、減輕零件的質(zhì)量，因此拼焊板在汽車領(lǐng)域得到越來越廣泛的研究和應(yīng)用。(2)自從20世紀(jì)90年代，液壓成形技術(shù)的研究不斷深入，并在汽車工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。液壓成形是指利用液體傳力介質(zhì)代替凸?；虬寄砑庸ち慵囊环N塑性加工技術(shù)。液壓成形技術(shù)不但可以保證成形件的強(qiáng)度、剛度及其分布的均勻性，還可以提高產(chǎn)品質(zhì)量和成形極限，可以在滿足強(qiáng)度的要求下減輕零件的重量。(3)近10多年來，激光焊接技術(shù)在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的汽車工業(yè)中得到了迅速發(fā)展，單車激光焊縫的總長(zhǎng)度可達(dá)73m，已成為行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和確定工藝。激光焊接可以提高車身部件連接的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)強(qiáng)度，從而可以減輕車身重量。此外，激光焊接還可以方便地連接鋁合金以及拼焊異種金屬薄板。各種輕量化途徑不是各自孤立，而是相輔相成、相互聯(lián)系的。結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)是輕量化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，無論普通低碳鋼車身還是輕質(zhì)材料車身都需要優(yōu)化設(shè)計(jì)車身的結(jié)構(gòu)，去除冗余材料。在優(yōu)化設(shè)計(jì)和使用輕量化材料時(shí)往往需要革新制造工藝，而新工藝的引進(jìn)往往擴(kuò)大優(yōu)化設(shè)計(jì)和新材料的適用范圍。1.3現(xiàn)代汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)現(xiàn)代汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)己經(jīng)呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：(1)輕量化成為車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所普遍追求的目標(biāo)。輕量化的研究最早是從沃爾沃汽車公司的LCP(theVolvoLightComponentProject)2000開始的。雖然它的出現(xiàn)是上世紀(jì)七十年代的兩次石油危機(jī)造成的，但美國(guó)鋼鐵研究所推出的ULSAB(theUltraLightSteelAutoBody)和奧迪汽車公司推出的AudiAS鋁制車身卻完全地表明，在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，設(shè)計(jì)出質(zhì)量更輕、成本更低的車身己成為一種有力的競(jìng)爭(zhēng)手段。(2)舒適性和安全性仍是車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所考慮的主要內(nèi)容。八十年代以來，承載式(包括帶有副車架的)車身結(jié)構(gòu)形式已成為轎車車身的主要結(jié)構(gòu)形式，而這種車身結(jié)構(gòu)形式所帶來的乘坐舒適性的影響，又重新吸引了眾多車身工程人員的注意。(3)利用現(xiàn)代車身工程手段，縮短車身結(jié)構(gòu)的開發(fā)周期?？s短整車的開發(fā)周期，已成為各汽車制造商提高自身競(jìng)爭(zhēng)力一項(xiàng)重要舉措。車身結(jié)構(gòu)開發(fā)周期的縮短，不僅可以節(jié)省產(chǎn)品開發(fā)費(fèi)用，還可以提高企業(yè)對(duì)瞬息萬變的市場(chǎng)的適應(yīng)性，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中以快取勝。(4)在汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)與分析并行。車身結(jié)構(gòu)分析參與車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的各個(gè)階段，貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)過程，從一開始的構(gòu)造選擇，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出具體的性能參數(shù)要求，到具體設(shè)計(jì)方案的比較確定，設(shè)計(jì)方案的模擬試驗(yàn)。這樣確定的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，基本上就是定型方案，據(jù)此試制而成的樣車，只需一定的驗(yàn)證試驗(yàn)即可定型。這樣，車身的研制周期被大大縮短了。(5)優(yōu)化的思想在設(shè)計(jì)的各個(gè)階段被引入。對(duì)輕量化的要求和對(duì)舒適性及安全性要求的不斷提高，使車身設(shè)計(jì)的難度越來越大，優(yōu)化設(shè)計(jì)的思想能有效地縮短轎車車身的開發(fā)周期。對(duì)應(yīng)于現(xiàn)代轎車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的以上特點(diǎn)，現(xiàn)代轎車車身分析就越來越重要。現(xiàn)代轎車車身分析貫穿于車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整個(gè)過程的每一個(gè)方面，對(duì)轎車車身的諸多方面都有很大的影響，比如車身結(jié)構(gòu)可靠性和耐久性、車身NVH性能、結(jié)構(gòu)輕量化、車身密封性、轎車的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性、以及車身動(dòng)力特性等。1.4汽車車身輕量化的研究現(xiàn)狀與發(fā)展1.4.1輕量化車身結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化技術(shù)近年來，隨著高性能計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和數(shù)值計(jì)算方法的深入研究，結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化技術(shù)日趨成熟，并逐漸應(yīng)用到車身各個(gè)設(shè)計(jì)階段。以有限元方法為主體的車身結(jié)構(gòu)分析，避免了設(shè)計(jì)的盲目性、減少了設(shè)計(jì)成本以及縮短了車身結(jié)構(gòu)的開發(fā)周期。以有限元法為基礎(chǔ)的車身結(jié)構(gòu)分析已成為一種面向車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)全過程的分析方法，車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程也成為一種設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化并行的過程，優(yōu)化的思想在設(shè)計(jì)的各個(gè)階段被引入.有限元法在汽車結(jié)構(gòu)分析上的使用可以追溯到20世紀(jì)60年代中期，并在20世紀(jì)80年代得到普及。但是早期的有限元分析多用于車身模態(tài)或靜剛度等線彈性分析，而汽車耐撞特性計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)直至1985年之后才開始迅猛發(fā)展并得到大量應(yīng)用。在這之前，限于當(dāng)時(shí)的理論水平，人們還不可能對(duì)汽車碰撞這種復(fù)雜的力學(xué)問題有深入全面的了解，當(dāng)時(shí)主要依靠多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法和機(jī)械振動(dòng)學(xué)方法來進(jìn)行汽車碰撞響應(yīng)分析。1985年之后，顯式有限元方法研究獲得突破，標(biāo)志著汽車碰撞仿真研究新時(shí)期的開始。動(dòng)態(tài)非線性顯式有限元方法采用中心差分法，可以用來計(jì)算具有大位移、大變形、復(fù)雜接觸和高速?zèng)_擊等特性的復(fù)雜力學(xué)問題。動(dòng)態(tài)顯式有限元方法的發(fā)展，為汽車整車碰撞安全性及部件的抗碰撞特性的研究提供了有力工具，許多學(xué)者籍此對(duì)汽車碰撞安全性進(jìn)行了深入研究和分析，主要包括整車的碰撞安全性分析、關(guān)鍵零部件的吸能模式和機(jī)理研究等。有限元方法作為一種分析手段，其主要功能是對(duì)給定設(shè)計(jì)進(jìn)行精確評(píng)價(jià)和校核。傳統(tǒng)的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程為，設(shè)計(jì)人員根據(jù)分析結(jié)果依靠經(jīng)驗(yàn)和直覺提出改進(jìn)方案，然后重新分析和校核，直到找到一個(gè)滿意的設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)過程不僅耗時(shí)費(fèi)力而且容易出錯(cuò)，并且得到的結(jié)果僅僅是一個(gè)可行方案，而非最優(yōu)設(shè)計(jì)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元分析方法與計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，成為車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)有效方法，并開始在車身開發(fā)中得到應(yīng)用。早期的車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基本思想是，將數(shù)學(xué)規(guī)劃理論與有限元方法相結(jié)合，構(gòu)建車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，基于數(shù)學(xué)規(guī)劃算法進(jìn)行迭代計(jì)算，直到找到最優(yōu)解。隨著結(jié)構(gòu)分析能力和手段的不斷完善，以及現(xiàn)代優(yōu)化理論的不斷發(fā)展，車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究范圍己從基于剛度及模態(tài)等單一準(zhǔn)則優(yōu)化發(fā)展到考慮結(jié)構(gòu)耐撞性優(yōu)化在內(nèi)的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)。近年來，車身結(jié)構(gòu)的耐撞性能優(yōu)化得到廣泛研究并取得重要進(jìn)展。由于顯式有限元分析需要非常小的積分時(shí)間步長(zhǎng)，使得借助顯式有限元方法進(jìn)行汽車碰撞仿真分析的計(jì)算時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)。而優(yōu)化設(shè)計(jì)通常需要經(jīng)過多次反復(fù)迭代計(jì)算才可以完成，這樣使得完全集成有限元分析進(jìn)行優(yōu)化迭代變得不太可能。此外，由于碰撞分析的響應(yīng)函數(shù)的導(dǎo)數(shù)大多不是連續(xù)函數(shù)，使得直接應(yīng)用序列二次規(guī)劃等基于梯度的優(yōu)化算法進(jìn)行求解變得困難。鑒于此，研究人員針對(duì)薄壁構(gòu)件、車身部件乃至整車結(jié)構(gòu)的耐撞性能優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)開展了廣泛的研究。1.4.2輕量化材料及其在車身制造中的應(yīng)用經(jīng)過幾十年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外在汽車輕量化材料技術(shù)的開發(fā)以及材料特性研究領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展，已經(jīng)形成了從新材料的開發(fā)、零部件設(shè)計(jì)、制造到材料回收再利用等一整套產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。隨著政府及公眾對(duì)汽車產(chǎn)業(yè)的能源和環(huán)保方面的要求越來越高，鋁、鎂合金等輕質(zhì)材料在車身上的應(yīng)用范圍日益增加。鑒于鋁合金、鎂合金等材料對(duì)于車身輕量化的優(yōu)越性和強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力，鋼鐵企業(yè)迅速發(fā)展高強(qiáng)度鋼鐵材料，一度引發(fā)了一場(chǎng)“金屬材料之戰(zhàn)”鋼鐵業(yè)、鋁業(yè)等都紛紛制定出為汽車減小質(zhì)量的研究計(jì)劃。對(duì)于輕量化材料車身研究而言，近年來主要形成兩大陣營(yíng):高強(qiáng)度鋼汽車車身和全鋁合金汽車車身。此外，塑料等非金屬材料以及鎂合金等材料在車身上的應(yīng)用研究也取得重要成就。第二章輕量化面臨的主要問題2.1引言專家認(rèn)為，汽車輕量化是在保證汽車整體品質(zhì)和性能不受影響甚至提高的前提下，盡可能降低汽車產(chǎn)品自身重量，追求高輸出功率、低噪聲和良好的操控性、高可靠性等;汽車輕量化主要通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和使用輕質(zhì)材料的方式來實(shí)現(xiàn)。從上世紀(jì)80年代開始，受國(guó)際石油資源緊張和中東局勢(shì)的影響，石油價(jià)格不斷上漲。各汽車制造商不得不采取多種輕量化措施，諸如緊湊化技術(shù)，廣泛采用鎂、鋁輕合金和工程塑料，采用鋼、鋁、塑料混合結(jié)構(gòu)車身以及超輕鋼制汽車技術(shù)等，以遏制汽車整車整備質(zhì)量上升趨勢(shì)。近年來，各國(guó)汽車制造商圍繞節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保、降低成本以及提高動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、安全性及舒適性等方面開展新技術(shù)、新材料、新工藝、新產(chǎn)品的研究，主題就是汽車輕量化。根據(jù)最新資料顯示，近20年來，國(guó)外乘用車平均每10年減重8%~9%，商用車減重10%~15%;預(yù)計(jì)在未來10年內(nèi)，轎車自身重量還將繼續(xù)減輕20%。在我國(guó)，目前自主品牌轎車的重量比發(fā)達(dá)國(guó)家同類轎車重10%~15%，我國(guó)自主品牌汽車在輕量化方面與國(guó)外汽車相比，存在明顯差距。2.2我國(guó)乘用車輕量化存在四大難點(diǎn)近幾年，隨著科學(xué)發(fā)展觀的逐步樹立和深入人心，隨著國(guó)家節(jié)能減排、綠色環(huán)保政策法規(guī)的逐步建立和實(shí)施，隨著資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)建設(shè)步伐的加快，汽車輕量化概念為越來越多的企業(yè)所重視;圍繞汽車輕量化問題，一些企業(yè)、研發(fā)機(jī)構(gòu)和高校開始行動(dòng)。不少合資企業(yè)在外方的技術(shù)支持下，汽車輕量化也搞得很有起色。然而在自主品牌占絕大多數(shù)的乘用車領(lǐng)域，輕量化卻很難付諸實(shí)踐，困難重重，阻力不小。主要存在“四大難點(diǎn)”。難點(diǎn)一，企業(yè)態(tài)度不積極。有專家指出，在汽車輕量化方面，汽車生產(chǎn)企業(yè)步伐有些慢。原因固然是多方面的，但乘用車企業(yè)的態(tài)度不積極還是主要原因。中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)副秘書韓鐳也認(rèn)為，乘用車企業(yè)對(duì)輕量化的需求沒有那么迫切。難點(diǎn)二，用戶需求不迫切。韓鐳認(rèn)為，雖然在很多技術(shù)上可以向國(guó)外借鑒，但是乘用車的輕量化還要考慮一些其他因素。首先要滿足用戶。用戶要根據(jù)自己的工作環(huán)境，提出相關(guān)的要求，向企業(yè)下定單。輕量化是不可避免的，但用戶不會(huì)提出相關(guān)的要求。難點(diǎn)三，技術(shù)上的進(jìn)步難以發(fā)展目前輕量化方案主要是從材料與結(jié)構(gòu)上入手，但是國(guó)內(nèi)外輕量化發(fā)展到現(xiàn)在似乎達(dá)到了一個(gè)瓶頸，手段與方法略顯單一。而且各個(gè)企業(yè)對(duì)輕量化也不甚關(guān)注，雖然都有些研究，但重點(diǎn)并不放在這里。這就使輕量化的技術(shù)要求，無法再進(jìn)一步。難點(diǎn)四，材料上無法滿足要求國(guó)內(nèi)外，各大企業(yè)都在尋求與發(fā)明合成更加新穎與先進(jìn)的材料。對(duì)于結(jié)構(gòu)上很難再進(jìn)一步，國(guó)外有很多的概念型車非常滿足輕量化的要求，但就成本而言問題就非常大了。單就材料種類而言，合成纖維材料非常好，可是成本就差強(qiáng)人意了。前幾年，一些國(guó)外制造出了低成本、高強(qiáng)度、質(zhì)量輕的合成塑料，但是一旦這種材料作為汽車車身而損壞，會(huì)導(dǎo)致難以修理，會(huì)要換整個(gè)車殼。所以，對(duì)于材料上還要下一番功夫不可。原一汽技術(shù)中心副總工程師沈言行指出，在歐、美、日降低車重主要是應(yīng)用新材料，鋁、鎂合金和工程塑料應(yīng)用都比較廣泛。一些自動(dòng)閥如果用塑料代替金屬件，車重至少就可以減輕一半。這些國(guó)家在20年前就開始研究新材料的應(yīng)用。我國(guó)起步晚，與他們相比，還有不少的差距。第三章總體輕量化的方案3.1引言車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)己經(jīng)取得顯著進(jìn)步并且日趨深入。車身設(shè)計(jì)過程中，就車身結(jié)構(gòu)分析而言，已從解析法和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法發(fā)展到采用有限元方法分析車身結(jié)構(gòu)性能;就車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化而言，已從傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中僅限于基于剛度、強(qiáng)度或模態(tài)單一準(zhǔn)則優(yōu)化發(fā)展到考慮結(jié)構(gòu)耐撞性優(yōu)化在內(nèi)的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)，已從對(duì)車身單一零部件的分析和優(yōu)化發(fā)展到對(duì)白車身乃至整車進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。然而可以看到，對(duì)于結(jié)構(gòu)耐撞性優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，目前對(duì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法和近似模型的選擇上具有一定的隨意性和不確定性，需要在兼顧計(jì)算效率和準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，合理評(píng)價(jià)和選擇試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法與近似模型。國(guó)內(nèi)外在汽車輕量化材料技術(shù)的開發(fā)以及材料特性研究領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展，已經(jīng)形成了從新材料的開發(fā)、零部件設(shè)計(jì)、制造到材料回收再利用等一整套產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。隨著政府及公眾對(duì)汽車產(chǎn)業(yè)的能源和環(huán)保方面的要求越來越高，鋁、鎂合金等輕質(zhì)材料在車身上的應(yīng)用范圍日益增加。本文以汽車車身為對(duì)象，基于合適的材料用于合適的部位的設(shè)計(jì)思想，綜合考慮車身結(jié)構(gòu)性能、質(zhì)量，研究多材料車身輕量化設(shè)計(jì)方法。3.2基于多材料的輕量化車身寶馬汽車公司的Ludke和Woltmann以BMW車型的更新?lián)Q代為例，闡述了成本、質(zhì)量、材料和設(shè)計(jì)之間的關(guān)系，如圖3.1所示。A處為初始設(shè)計(jì)，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)(從A到B)，可以得到最優(yōu)的輕量化設(shè)計(jì)B，此時(shí)質(zhì)量和成本同時(shí)減小。若結(jié)合輕量化材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，質(zhì)量還可以進(jìn)一步減小(從B到C)，但是由于采用輕質(zhì)材料，成本將不斷增加。C處為最佳的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該處輕量化效果顯著，而成本增加不多。輕量化材料的使用可以大大減輕車身的質(zhì)量，但是輕量化材料的價(jià)格一般要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通低碳鋼的價(jià)格，因此輕量化材料車身的成本會(huì)比現(xiàn)有普通鋼車身的成本高很多，比如奧迪A8的全鋁合金車身的成本要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通鋼車身的成本。當(dāng)前，高的成本是阻礙鋁合金、鎂合金、復(fù)合材料等輕量化材料在車身上全面應(yīng)用的一個(gè)主要原因。鑒于此，一些學(xué)者建議，未來的轎車車身將由鋼和一些輕質(zhì)材料共同制造，即多材料結(jié)構(gòu)的車身。多材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)代表了今后汽車車身結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)。隨著對(duì)各種輕量化材料特性的深入研究和成形、連接工藝的不斷革新，汽車車身零部件的選材范圍逐漸擴(kuò)大。另一方面，汽車車身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，組成的零部件繁多，現(xiàn)代轎車的全承載式車身各個(gè)部件的結(jié)構(gòu)性能要求各不相同。這就要求“合適的材料用于合適的部位”，這就是多材料結(jié)構(gòu)車身設(shè)計(jì)的核心思想。相對(duì)于單一材料車身，多材料結(jié)構(gòu)車身允許分配給車身各個(gè)零部件最合適的材料，可以充分利用各種材料的優(yōu)點(diǎn)，從而在滿足零部件性能的前提下，以最小的代價(jià)獲取最大的輕量化效果。雖然己經(jīng)有一些汽車公司嘗試使用多種材料制造車身，比如寶馬全新5系和奔馳S級(jí)Coupe等轎車，但是目前大多依靠對(duì)比分析和評(píng)價(jià)不同材料車身的性能的優(yōu)劣的方法進(jìn)行選材，而專門針對(duì)多材料結(jié)構(gòu)的車身設(shè)計(jì)方法還未見報(bào)道。目前，在輕量化車身設(shè)計(jì)方面，已對(duì)單一材質(zhì)車身(比如高強(qiáng)鋼車身或全鋁合金車身)設(shè)計(jì)進(jìn)行了廣泛的研究，但在多材料結(jié)構(gòu)輕量化車身的設(shè)計(jì)方法與技術(shù)方面，尚缺少系統(tǒng)、深入的研究，而這對(duì)于試圖在成本約束下進(jìn)一步減小車身質(zhì)量的汽車工業(yè)，是迫切需要的，也是本論文研究的出發(fā)點(diǎn)和目的所在。3.3材料與工藝的初選鋼鐵是汽車工業(yè)最常用的材料，以往大多數(shù)設(shè)計(jì)人員會(huì)不假思索地把鋼鐵確定為汽車車身的制造材料。然而隨著對(duì)車身輕量化要求的不斷提高，輕質(zhì)材料越來越多地引起汽車設(shè)計(jì)人員的關(guān)注。選擇何種材料制造車身或部件成為一個(gè)現(xiàn)實(shí)的問題。材料與工藝初選的目的是，剔除成本上或工藝上明顯不可行的材料與工藝，確定候選的材料和工藝組合，以便后續(xù)進(jìn)一步的分析、對(duì)比和評(píng)價(jià)。這里以普通低碳鋼（Mild）、高強(qiáng)度鋼、鋁合金和鎂合金作為候選材料。其中，普通低碳鋼的主要優(yōu)點(diǎn)是彈性模量大、成形性和連接性好，而高強(qiáng)度鋼具有較高的強(qiáng)度，可以用來在保證相同強(qiáng)度條件下減薄零件的厚度，但鋼的主要缺點(diǎn)是密度比較大，鋁合金密度較小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好，已經(jīng)成為僅次于鋼的汽車用金屬材料，而鎂合金密度為鋁合金的2/3，從資源、節(jié)能的角度來說，鎂合金也是車身輕量化比較理想的材料。鋁合金和鎂合金的主要缺點(diǎn)是材料價(jià)格較高和彈性模量較小。表2.1選的幾種材料的材料參數(shù)，其中設(shè)定鋁為2000系列，鎂為AM60鎂合金。表3.1材料及其參數(shù)材料彈性模量（GPa）密度屈服強(qiáng)度(MPa)拉伸強(qiáng)度(MPa)材料價(jià)格(＄/kg)Mild鋼2107.841602500.66高強(qiáng)度鋼2107.843604400.88鋁合金722.722764272.2鎂合金451.841312412.86表3.2列出了備選的材料和工藝組合，每種組合對(duì)應(yīng)惟一編號(hào)。沖壓成形是汽車車身最常用的成形工藝，但是要受到較為嚴(yán)格的成形極限的限制，比如沖壓的最小圓角一般需要滿足一定的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，否則會(huì)引起裂紋或起皺等缺陷。其次，沖壓模具一般價(jià)格比較昂貴，而且車身零件往往需要多個(gè)成形工藝才可以得到滿足的形狀，這就需要多個(gè)模具。沖壓成形的主要優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)節(jié)拍快，一般只需要十幾秒就可沖壓出滿足要求的零件。液壓成形是指利用液體傳力介質(zhì)代替凸模或凹模來加工零件的一種塑性加工技術(shù)。液壓成形技術(shù)不但可以保證成形件的強(qiáng)度、剛度及其分布的均勻性，還可以提高產(chǎn)品質(zhì)量和成形極限。相對(duì)于傳統(tǒng)沖壓成形而言，液壓成形使用的壓力機(jī)成本要高一些，但是由于液壓成形只有上?；蛳履?，而且可以對(duì)復(fù)雜形狀零件一次成形，其模具成本要低得多。但是液壓成形生產(chǎn)節(jié)拍較慢，一般需要30秒以上。由于鎂的延展性差，很難利用塑性加工直接將其做成大尺寸的復(fù)雜形狀，所以壓鑄工藝是鎂合金零件成形的主要方法。在壓鑄工藝中，高溫液態(tài)鎂合金在高速、高壓下充型，并在高壓下迅速凝固。壓鑄過程中液態(tài)金屬的流動(dòng)分為3個(gè)階段:壓室充填階段、流道系統(tǒng)充填階段和鑄件充型階段。壓鑄工藝一般可以比其它鑄造工藝成形更薄截面的零件，還可以成形非常復(fù)雜的零件。但是壓鑄的裝備成本一般比較高，此外，生產(chǎn)節(jié)拍也較慢。表3.2備選的材料和工藝組合編號(hào)123456材料Mil鋼高強(qiáng)度鋼Mild鋼高強(qiáng)度鋼鋁合金鎂合金工藝沖壓沖壓液壓成形液壓成形沖壓壓鑄第四章車身結(jié)構(gòu)分析的有限元理論4.1有限元基本理論4.1.1基本概念所謂有限元法(FiniteElementMethod)就是關(guān)于連續(xù)體(連續(xù)結(jié)構(gòu))的一種離散化的數(shù)值計(jì)算方法，亦即在力學(xué)模型上近似的數(shù)值方法，它的基本思路是:假想地將連續(xù)體(連續(xù)結(jié)構(gòu))劃分為有限多個(gè)單元。這些單元都由具有一定自由度的節(jié)點(diǎn)相互連接而成。這樣，原來的連續(xù)體(連續(xù)結(jié)構(gòu))就變成為由有限多個(gè)單元裝配而成的離散結(jié)構(gòu)，原有連續(xù)體的無限個(gè)自由度的問題就變?yōu)殡x散結(jié)構(gòu)的有限多個(gè)自由度的問題閉。結(jié)構(gòu)有限元法一般選擇簡(jiǎn)單的函數(shù)近似地表達(dá)單元內(nèi)位移變化規(guī)律，利用力學(xué)推導(dǎo)建立單元的平衡方程式，再把所有單元的方程組集合成表示整個(gè)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性的代數(shù)方程組，最后引入邊界條件求解代數(shù)方程組而得到數(shù)值解。由此可見，有限元法是從力學(xué)模型上采用分塊近似，這在數(shù)學(xué)上只須求解一系列線性代數(shù)方程組，從而避免了求解力學(xué)微分方程這一繁難的環(huán)節(jié)，宜于用計(jì)算機(jī)進(jìn)行求解。有限元法的主要優(yōu)點(diǎn)是物理概念清晰，容易理解和掌握，適用性強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣泛，許多復(fù)雜的工況和邊界條件都可靈活地加以考慮。4.1.2有限元的基本步驟有限元法有位移法，力法和混合法之分。其中位移法計(jì)算簡(jiǎn)單且適用性廣，目前應(yīng)用比較普遍，有限單元位移法實(shí)質(zhì)上是里茨法的另一種形式，基本方程可以用能量原理導(dǎo)出。具體地說這種方法就是：（1）取結(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量。（2）設(shè)想將離散化模型在每一個(gè)結(jié)點(diǎn)處拆開。在每個(gè)單元的頂點(diǎn)，有結(jié)點(diǎn)對(duì)它的作用力，稱為結(jié)點(diǎn)力。然后對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行分析以便建立基本未知量（結(jié)點(diǎn)位移）與結(jié)點(diǎn)力的關(guān)系。（3）進(jìn)行整體分析，即在整個(gè)離散化以后的模型的每個(gè)結(jié)點(diǎn)處建立平衡方程。于是，就整個(gè)結(jié)構(gòu)而言，可得一組方程式，其個(gè)數(shù)等于結(jié)點(diǎn)位移分量的總數(shù)?？紤]結(jié)點(diǎn)力與結(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系及支承條件，即可把上述方程組變換為僅含基本未知量（結(jié)點(diǎn)位移）的方程組。（4）求解第三步得到的線性代數(shù)方程組，求出結(jié)點(diǎn)位移，進(jìn)而求出其他力學(xué)量。4.2作用在車身、車架上的載荷汽車在不平道路上行駛時(shí)所激起的振動(dòng)，都帶有隨機(jī)性質(zhì)。因此、汽車的車身和車架承受的是隨機(jī)載荷，該載荷會(huì)導(dǎo)致汽車結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞損壞。載荷大小及其特性與路面情況、使用條件和汽車的結(jié)構(gòu)參數(shù)等各種因素均有密切關(guān)系，故確定車身、車架所承受的載荷是一項(xiàng)相當(dāng)復(fù)雜的工作。根據(jù)不同的計(jì)算工況確定載荷，是保證有限元分析結(jié)果反映工程結(jié)構(gòu)實(shí)際情況的前提。由于計(jì)算上的需要，載荷可以按不同的方法分類。根據(jù)載荷在結(jié)構(gòu)上的分布情況，可以分為以下兩種：（1）集中載荷當(dāng)外載荷作用在結(jié)構(gòu)上的區(qū)域很小時(shí)，可以認(rèn)為這種載荷是集中載荷，如發(fā)動(dòng)機(jī)、油箱、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、輪胎等的重量都是以集中載荷的形式作用在底架上的。（2）分布載荷如果作用在結(jié)構(gòu)上的載荷，其位置是連續(xù)變化的，即載荷作用在一定面積或長(zhǎng)度上，稱其為分布載荷。當(dāng)分布載荷的集度是均勻的，則為均布載荷。結(jié)構(gòu)的自重、由質(zhì)量引起的慣性力等，通常都作為分布載荷。根據(jù)載荷作用隨時(shí)間變化的情況，可以分為一下兩類：（1）靜載荷當(dāng)載荷的大小、方向和作用點(diǎn)不隨時(shí)間變化時(shí)，稱為靜載荷或固定載荷，如結(jié)構(gòu)自重。（2）動(dòng)載荷當(dāng)載荷的大小、方向和作用點(diǎn)隨時(shí)間變化時(shí)，稱為動(dòng)載荷，其中如僅僅是載荷的作用點(diǎn)隨時(shí)間而變化時(shí)，又常常稱為移動(dòng)載荷。動(dòng)載荷作用在結(jié)構(gòu)上時(shí)一般都是一個(gè)過程，如汽車在正常行駛過程中突然制動(dòng)，在制動(dòng)過程中，汽車結(jié)構(gòu)將承受很復(fù)雜的動(dòng)載荷，其大小與變化情況不僅與施加的載荷本身有關(guān)，而且與承受載荷的結(jié)構(gòu)剛度有關(guān)。4.3有限元分析軟件介紹本文采用CATIA軟件進(jìn)行有限元分析。CATIAV5是IBM和達(dá)索公司共同推出的全新一代CAD/CAE/CAM軟件，是目前應(yīng)用范圍最廣、影響最大的CAD軟件。目前，CATIA是汽車、摩托車、以及航空航天領(lǐng)域中的主流CAD軟件，如國(guó)內(nèi)的上海大眾、一汽一大眾、北京吉普、華晨寶馬、哈飛汽車等都采用了CATIA系統(tǒng)。CATIA具有為數(shù)眾多且功能強(qiáng)大的模塊，CATIAV5中共有7大類模塊:機(jī)械設(shè)計(jì)、曲面造型、產(chǎn)品分析、設(shè)備及系統(tǒng)工程、車間設(shè)計(jì)、數(shù)控加工以及產(chǎn)品綜合等。CATIA有限元分析主要包括以下功能模塊:結(jié)構(gòu)分析，熱分析，電磁分析，流體分析和耦合場(chǎng)分析—多物理場(chǎng)。其中結(jié)構(gòu)分析功能模塊包括以下類型:（1）靜力分析(Static)—用于靜態(tài)載荷?？梢钥紤]結(jié)構(gòu)的線性及非線性行為，如:大變形、大應(yīng)變、應(yīng)力剛化、塑性、超彈性及蠕變等。（2）模態(tài)分析(Modal)一一計(jì)算線性結(jié)構(gòu)的自振頻率及振型，譜分析(Spectrum)是模態(tài)分析的擴(kuò)展，用于計(jì)算由隨機(jī)振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變(也叫做響應(yīng)譜或PSD)。（3）諧響應(yīng)分析(Harmonic)—確定線性結(jié)構(gòu)對(duì)隨時(shí)間按正弦變化的載荷的響應(yīng)。（4）瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析(Transient)—確定結(jié)構(gòu)對(duì)隨時(shí)間任意變化的載荷的響應(yīng)?？梢钥紤]與靜力分析相同的結(jié)構(gòu)非線性行為。（5）譜分析(Spectrum)—將模態(tài)分析的結(jié)果與一個(gè)己知的譜聯(lián)系起來計(jì)算模型的響應(yīng)(位移和應(yīng)力)，以確定結(jié)構(gòu)對(duì)隨機(jī)載荷或隨時(shí)間變化的載荷(如地震、風(fēng)載等)的動(dòng)力響應(yīng)情況。（6）特征屈曲分析(EigenBuckling)—用于計(jì)算線性屈曲載荷并確定屈曲模態(tài)形狀(結(jié)合瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析可以實(shí)現(xiàn)非線性屈曲分析)。第五章車身薄壁梁部件輕量化優(yōu)化選材與設(shè)計(jì)5.1引言車身支柱和梁等薄壁梁部件是車身結(jié)構(gòu)的基本承載單元，其質(zhì)量約占白車身總質(zhì)量的65%。這類部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)量眾多，包括A柱、B柱、門檻、縱梁、和橫梁等多個(gè)部件，如何在滿足結(jié)構(gòu)性能要求的前提下，綜合權(quán)衡質(zhì)量和成本，為每個(gè)薄壁梁部件選擇合適的材料，是本章研究的重點(diǎn)。本章首先介紹材料性能指數(shù)的概念，然后構(gòu)建車身薄壁梁部件材料性能指數(shù)的精確模型，提出基于材料性能指數(shù)的薄壁梁部件輕量化優(yōu)化選材方法，分析了材料性能指數(shù)對(duì)材料選擇的影響，最后，在計(jì)算與驗(yàn)證各部件材料性能指數(shù)的基礎(chǔ)上，優(yōu)選了車身薄壁梁部件材料并進(jìn)行了車身性能分析驗(yàn)證。5.2材料性能指數(shù)的概念機(jī)械設(shè)計(jì)過程中需要為產(chǎn)品選擇合適的材料，材料參數(shù)是材料選擇的基礎(chǔ)和依據(jù)，材料參數(shù)包括彈性模量、密度、屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、熱傳導(dǎo)率等等。機(jī)械零件不僅要求承受和傳遞工作載荷，通常還需要在滿足性能要求下最小化產(chǎn)品的質(zhì)量。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，一般會(huì)涉及到多個(gè)材料參數(shù)，例如，對(duì)一個(gè)梁的剛度設(shè)計(jì)，需要根據(jù)材料的彈性模量和密度，設(shè)計(jì)和優(yōu)化梁的幾何參數(shù);而對(duì)于零件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，一般需要考慮材料的強(qiáng)度和密度等材料參數(shù)。材料的性能指數(shù)(materialperformanceindex)可以定義為(m)“若干材料參數(shù)以一定運(yùn)算形式組合起來的變量，這個(gè)變量決定產(chǎn)品的性能，當(dāng)最大化(或最小化)這個(gè)變量時(shí)，產(chǎn)品的(這些)性能最優(yōu)”。可以通過一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)例來說明建立材料性能指數(shù)的過程。如圖5.1所示，橫截面為正方形B*B的簡(jiǎn)支梁在固定力F作用下彎曲變形，要求為梁選擇材料，并設(shè)計(jì)幾何參數(shù)，使得梁在滿足指定的剛度要求的情況下質(zhì)量最小，其中梁的長(zhǎng)度固定不變，而橫截面的面積為設(shè)計(jì)變量。圖5.1梁的彎曲剛度邊界條件和幾何參數(shù)梁的質(zhì)量m可以表示為m=b2lp(5.1)式中，B為橫截面的邊長(zhǎng);L為梁的長(zhǎng)度;A為橫截面面積;P為材料密度。根據(jù)材料力學(xué)，梁的彎曲剛度S可以表示為(5.2)其中，C1為常數(shù)，此處為48;E為彈性模量;I為截面的二次矩。由式可以得到橫截面面積A的表達(dá)式為(5.3)(5.4)其中，C1為常數(shù)，剛度S與梁的長(zhǎng)度L取固定值，則使得梁的質(zhì)量最小的材料必定是取最小值的材料，即取最大值。此處的即為這個(gè)設(shè)計(jì)問題的材料性能指數(shù)。圖5.2為材料彈性模量一密度雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖，并在圖中標(biāo)出常用的工程材料的位置。在圖5.2中，函數(shù)(Ca為常數(shù))可以表示為一簇斜率為2的直線，每條直線上的材料具有相同的。圖中畫出一條斜率為2的直線，在直線上方的材料比直線下方的材料具有大的值。從圖中可以看到，鋁合金的比鋼的要大，說明使用鋁合金制造圖中的梁的質(zhì)量要比使用鋼制造的梁的質(zhì)量輕。對(duì)于長(zhǎng)度和寬度固定，厚度為設(shè)計(jì)變量的薄板的剛度設(shè)計(jì)，材料性能指數(shù)為。對(duì)于長(zhǎng)度固定的梁的剛度設(shè)計(jì)，針對(duì)不同的設(shè)計(jì)要求，建立了3個(gè)材料性能指數(shù):當(dāng)梁的橫截面高度不變，寬度作為設(shè)計(jì)變量時(shí)，其材料性能指數(shù)為;當(dāng)截面形狀不變，截面面積作為設(shè)計(jì)變量時(shí)，材料性能指數(shù)為;當(dāng)截面寬度固定不變，截面高度作為設(shè)計(jì)變量時(shí)，材料性能指數(shù)為。然而，以上傳統(tǒng)材料性能指數(shù)模型都是基于材料力學(xué)原理，針對(duì)簡(jiǎn)單形狀和簡(jiǎn)單邊界條件的結(jié)構(gòu)建立的，用于結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的車身部件上必然存在較大的誤差，此外，對(duì)于耐撞性設(shè)計(jì)的材料性能指數(shù)，尚未見文獻(xiàn)報(bào)道，下文將對(duì)這些問題展開研究。圖5.2材料彈性模量一密度雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖5.3車身薄壁梁部件材料性能指數(shù)的建立本文假定使用不同材料制造車身薄壁梁構(gòu)件時(shí)，車身部件的形狀和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不發(fā)生變化，而厚度可以相應(yīng)地調(diào)整，以滿足結(jié)構(gòu)性能要求。5.3.1薄壁梁部件耐撞性設(shè)計(jì)的材料性能指數(shù)車輛發(fā)生碰撞時(shí)，車身的前、后部構(gòu)件發(fā)生永久塑性變形來吸收碰撞動(dòng)能，其中車身縱梁等薄壁梁部件為主要吸能元件。結(jié)構(gòu)耐撞性主要指結(jié)構(gòu)經(jīng)歷碰撞時(shí)響應(yīng)性質(zhì)的優(yōu)劣，對(duì)于車身薄壁梁構(gòu)件，通常主要關(guān)心結(jié)構(gòu)在碰撞中吸收的能量。平均碰撞力是碰撞力曲線在壓縮位移上的算術(shù)平均值，可以反映薄壁構(gòu)件能量吸收的總體倩況。由于最大碰撞力可以由誘導(dǎo)槽、初始缺陷結(jié)構(gòu)等觸發(fā)機(jī)構(gòu)較容易地進(jìn)行控制，因此，此處使用平均碰撞力作為衡量結(jié)構(gòu)耐撞性的指標(biāo)。許多學(xué)者利用解析法或?qū)嶒?yàn)方法，得到具有規(guī)則截面形狀的薄壁梁平均碰撞力的表達(dá)式.Alexander根據(jù)能量平衡方法，基于理想剛塑性材料模型，第一個(gè)提出了圓管在圓環(huán)模式下軸向壓潰的理論模型，并指出平均碰撞力可以表示為（5.5）式中，D為圓管直徑;t為材料厚度；為理想剛塑性材料的屈服強(qiáng)度。薄壁方管的碰撞壓縮模式和圓管不同，但是由于方管和圓管都要經(jīng)歷漸進(jìn)壓縮的過程，它們的力一位移特性是類似的。對(duì)于c*d的矩形截面管，碰撞時(shí)候平均碰撞力Fm為(5.6)式中，B=(c+d)/2,t為材料厚度，為單位長(zhǎng)度的塑性極限彎矩，為平均流動(dòng)應(yīng)力，則式(5.6)可以改寫為(5.7)雙帽形截面薄壁管的碰撞行為類似于矩形截面管，其碰撞時(shí)平均碰撞力Fm為(5.8)式中，L=4f+2w+2h,f為凸緣寬度，h為截面高度，w為截面寬度。由式(5.5)-(5.8)可見，圓形截面、方形截面和帽形截面薄壁管碰撞時(shí)的平均碰撞力表達(dá)式均與材料參數(shù)和幾何參數(shù)有關(guān)，具體來講，這些結(jié)構(gòu)的平均碰撞力與材料強(qiáng)度以及指數(shù)倍的材料厚度成比例。事實(shí)上，塑性變形中耗散的能量主要為塑性彎曲變形能和塑性拉伸變形能。根據(jù)塑性力學(xué)理論，對(duì)于薄板，在彎矩作用下塑性變形集中在離散的塑性鉸線上，沿著這些塑性鉸線，單位長(zhǎng)度彎矩的數(shù)值必然等于Mo，其中表示單位長(zhǎng)度的塑性極限彎矩;而在拉伸作用下，單位長(zhǎng)度拉伸力數(shù)值為。薄壁梁受到碰撞時(shí)，能量平衡方程為（5.9）式中，F(xiàn)m為平均碰撞力;H為皺摺半長(zhǎng)，一般可以表示為材料厚度以及梁截面尺寸的函數(shù);Wb為塑性彎曲耗散的能量;Ws為塑性拉伸耗散的能量。塑性彎曲和塑性拉伸耗散的能量分別可以表示為(5.10)其中，t為材料厚度，Cs為梁截面尺寸常數(shù)(比如圓形截面為直徑，矩形截面為矩形長(zhǎng)度和寬度)，f(t,Cs)表示t和Cs的函數(shù)。將和代入式(5.10)，并整理式(5.9)有(5.11)式(5.11)表明，平均碰撞力和流動(dòng)應(yīng)力成比例。一般情況下，只有拉伸變形時(shí)，碰撞力與厚度t成正比，而當(dāng)只有彎曲變形時(shí)，碰撞力與成比例，當(dāng)二者都出現(xiàn)時(shí)，碰撞力與t的1~2幕次成比例，寫為數(shù)學(xué)形式為(5.12)其中，Q=1~2。假定梁的截面尺寸不發(fā)生變化，結(jié)合式(5.11)和式(5.12)有(5.13)其中，C為與梁截面尺寸相關(guān)的常數(shù)，t為材料厚度，為平均流動(dòng)應(yīng)力，在對(duì)比分析平均碰撞力的試驗(yàn)結(jié)果和解析模型結(jié)果的基礎(chǔ)上，建議平均流動(dòng)應(yīng)力可以近似按屈服應(yīng)力和極限應(yīng)力的平均值計(jì)算，即(+)/2如果使用材料2替換材料1制造薄壁梁構(gòu)件，在梁截面尺寸和長(zhǎng)度不變的情況下，為保證乎均碰撞力不變，根據(jù)式(4.13)有(5.14)其中，t1、t2分別為材料1,材料2的厚度，、分別為材料1、材料2的平均流動(dòng)應(yīng)力。對(duì)于薄壁構(gòu)件，其質(zhì)量為(5.15)式中，為密度;A為表面積;t為材料厚度。由式(5.13)得到厚度t的表達(dá)式，并代入式(5.15)，得(5.16)如果在梁截面尺寸和長(zhǎng)度不變的情況下，并且平均碰撞力不變，則為常數(shù)。因此，使薄壁梁構(gòu)件質(zhì)量最輕的材料應(yīng)該為使下式取最大值的材料（5.17）Mc就是薄壁梁構(gòu)件耐撞性材料性能指數(shù)。對(duì)式(5.13)兩邊取對(duì)數(shù)可以得到(5.18)對(duì)于同一種材料的薄壁梁部件，分別取兩個(gè)厚度t'和t"，計(jì)算相應(yīng)的平均碰撞力，分別代入式(5.18)，并相減得到(5.19)其中，t'和t"為兩個(gè)厚度，和分別對(duì)應(yīng)t'和t"時(shí)候的平均碰撞力。由于對(duì)數(shù)函數(shù)滿足換底公式，，因此，式(5.19)中的對(duì)數(shù)在保證一致的情況下，可以是任意為底的對(duì)數(shù)函數(shù)，本文均按以10為底的對(duì)數(shù)進(jìn)行計(jì)算。由于車身部件的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，很難使用解析的方法求解得到式(5.13)或式(5.17)中的指數(shù)Q。借助有限元仿真試驗(yàn)，可由式((5.19)計(jì)算得到Q。具體方法為，首先建立薄壁部件碰撞的有限元模型，然后不改變材料而選取兩個(gè)厚度(t',t")，分別計(jì)算求得兩個(gè)厚度對(duì)應(yīng)的平均碰撞力(,)，就可以根據(jù)式(5.19)求得Q。對(duì)于由若干零件組成的部件(子裝配)，計(jì)算時(shí)候設(shè)定所有零件的厚度的比例關(guān)系不變。實(shí)際計(jì)算過程中，為了提高Q的準(zhǔn)確性，可以選取多個(gè)厚度，然后將計(jì)算得到的多個(gè)Q值取平均。此外，由于存在材料非線性、幾何非線性以及狀態(tài)非線性(接觸)，碰撞過程具有不穩(wěn)定性和不確定性的特點(diǎn)，讀取平均碰撞力難免會(huì)出現(xiàn)誤差。根據(jù)對(duì)數(shù)函數(shù)的特點(diǎn)，計(jì)算每一個(gè)Q的時(shí)候，厚度(t',t")的選取應(yīng)該基于厚度之差盡量大的原則。比如，選取4個(gè)數(shù)值遞增的厚度(t1,t2,t3,t4)，使用有限元分別計(jì)算4個(gè)厚度的薄壁構(gòu)件的平均碰撞力，則計(jì)算指數(shù)Q值的時(shí)候，選取(t1,t3),（t2,t4）和(t1,t4)得到的結(jié)果一般要比選取(t1,t2),(t2,t3)和(t3,t4)得到的結(jié)果更精確?，F(xiàn)證明如下，假設(shè)厚度為t'的薄壁梁構(gòu)件平均碰撞力為，讀取時(shí)存在誤差，則真實(shí)Q值變?yōu)榇嬖谡`差的=(5.20)式中表明，平均碰撞力誤差對(duì)指數(shù)Q帶來的誤差為。圖5.3為隨厚度比t'/t"的不同，5%的平均碰撞力誤差帶來的Q的誤差，可看到，當(dāng)厚度比t'/t"為1.1時(shí)，Q值的誤差達(dá)到約0.5，而一般Q值的取值范圍僅為[1，2]；當(dāng)厚度比t'/t"為1.6時(shí)，Q值的誤差減小到0.1。同理可以證明，平均碰撞力存在誤差時(shí)，也有相同的結(jié)論。圖5.3不同的厚度比t'/t"下，5%平均碰撞力誤差帶來Q值的誤差設(shè)橫截面半徑為75mm，高度為200mm，厚度為2mm的圓形截面薄壁梁，以10m/s的初速度撞向一個(gè)剛性墻。為了有足夠的動(dòng)能，在梁的末端附加一個(gè)500倍于梁質(zhì)量的附加質(zhì)量，梁的材料為6010鋁合金()。建立有限元分析模型，并分別計(jì)算4個(gè)厚度(t1=2mm,t2=2.5mm,t3=3mm,t4=3.5mm)下的平均碰撞力,分別為(56.45KN,79.96KN,104.99KN,135.31KN)。選取(t1，t3)、(t2，t3)和(t1，t4)，按照式(5.19)計(jì)算得到3個(gè)指數(shù)分別為(1.530，1.563，1.562)，取平均值得到Q=1.55。計(jì)算得到的指數(shù)Q值和式(5.5)中解析模型的指數(shù)1.5比較相近。原設(shè)計(jì)中，鋁合金薄壁圓筒的厚度為2mm，若將材料替換為BH鋼（），按照式(5.14)，在保證平均碰撞力不變的情況下，BH鋼圓筒的厚度應(yīng)該為圖5.46010鋁合金和BH鋼薄壁圓筒平均碰撞力5.3.2薄壁梁部件剛度設(shè)計(jì)的材料性能指數(shù)薄壁梁構(gòu)件在一定的載荷和約束下的剛度S可以表示為(5.21)式中，C1為和邊界條件及幾何參數(shù)有關(guān)的常數(shù);E為彈性模量;I為截面二次矩，對(duì)于薄壁梁構(gòu)件，1可以近似表示為(5.22)式中，C2為常數(shù);t為材料厚度;q為指數(shù)。式(5.22)只是一個(gè)近似表達(dá)式，但是在薄壁梁截面尺寸遠(yuǎn)大于厚度，并且在設(shè)計(jì)過程中材料厚度變化范圍不大的情況下，此式足夠準(zhǔn)確。比如，對(duì)于帽形薄壁梁，其截面二次矩為（5.23）由于一般薄壁梁的橫截面的高度h要遠(yuǎn)大于材料厚度t，則有（5.24）將式(5.24)代入式(5.23)中有（5.25）其中,,如果梁截面尺寸固定，則C3為常數(shù)。將式(5.22)代入(5.21)中得到（5.26）如果使用材料2替換材料1制造的薄壁梁構(gòu)件，在梁截面尺寸和長(zhǎng)度不變的情況下，為保證梁的剛度不變，根據(jù)式（5.26）應(yīng)該有（5.27）其中，t1、t2分別為材料1、材料2的厚度，E1、E2分別為材料1和材料2的彈性模量。根據(jù)式(5.26)可以得到厚度t的表達(dá)式，并代入式(5.15)，則薄壁梁的質(zhì)量可以表示為（5.28）如果在梁截面尺寸和長(zhǎng)度不變的情況下，并且梁的剛度不變，則為常數(shù)，因此使薄壁梁構(gòu)件質(zhì)量最輕的材料應(yīng)該為使下式最大的材料（5.29）Ms為薄壁梁構(gòu)件剛度設(shè)計(jì)材料性能指數(shù)。將式(5.26)兩端取對(duì)數(shù)可以得到(5.30)對(duì)于同一種材料分別選取兩個(gè)厚度t'和t"，計(jì)算各自相應(yīng)的剛度，代入式(5.30)并相減可以得到(5.31)式中，t'和t"為兩個(gè)厚度，S'和S"分別對(duì)應(yīng)t'和t"時(shí)候的剛度。類似于結(jié)構(gòu)碰撞的情況，一般很難使用解析的方法來求解得到式(5.26)或式(5.29)中的指數(shù)q，借助有限元，可由式(5.31)計(jì)算得到q。具體方法為，首先利用有限元，分別計(jì)算求得兩個(gè)厚度（t'，t"）對(duì)應(yīng)的梁的剛度(S',S")，就可以根據(jù)式(4.31)求得q。實(shí)際計(jì)算過程中，選取多個(gè)厚度，然后對(duì)得到的多個(gè)q取平均值以便提高q的準(zhǔn)確性。5.4車身薄壁梁部件的選材與多材料車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)基于前文提出的車身薄壁梁材料性能指數(shù)和材料選擇方法，對(duì)車身薄壁梁部件材料進(jìn)行優(yōu)選，候選材料及其參數(shù)見表5.1，原車身結(jié)構(gòu)材料為Mild鋼和BH烘烤硬化鋼。實(shí)際車身設(shè)計(jì)過程中，需要考慮包括車身彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、動(dòng)態(tài)特性等基本力學(xué)性能指標(biāo)，還需要考慮整車正面100%重疊剛性壁障碰撞、正面40%重疊可變形壁障碰撞、側(cè)面碰撞等多個(gè)碰撞安全性能指標(biāo)，此處僅以100%正面碰撞和彎曲剛度作為車身結(jié)構(gòu)性能的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，來說明多材料車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)方法。首先計(jì)算薄壁梁部件材料性能指數(shù)，并對(duì)其正確性驗(yàn)證，然后對(duì)車身部件優(yōu)化選材，并對(duì)不同材料的車身進(jìn)行性能分析與對(duì)比。表5.1材料及材料參數(shù)材料彈性模量（GPa）密度材料價(jià)格(＄/kg)(MPa)(MPa)Mild20778400.8180300BH20778400.85210500DP20778401.1450800AL60637027202.290172AL60107027202.4170290Mild(低碳鋼)；BH（烘烤硬化鋼）；DP（雙相鋼）；AL（鋁合金）5.4.1車身薄壁梁部件剛度材料性能指數(shù)計(jì)算車身薄壁梁部件剛度材料性能指數(shù)的計(jì)算基于有限元?jiǎng)偠确治鼋Y(jié)果。車身部件的有限元?jiǎng)偠确治龅年P(guān)鍵是在整車剛度分析的基礎(chǔ)上確定部件的邊界條件。在白車身靜剛度有限元分析中，各個(gè)部件之間的作用載荷為系統(tǒng)的內(nèi)力，當(dāng)單獨(dú)分析某個(gè)部件剛度的時(shí)候，這個(gè)部件與其它部件的作用載荷便成為它的外載荷，并且這個(gè)部件受到的所有外載荷必然是處于靜力平衡的。為簡(jiǎn)化分析，本文使用基于梁?jiǎn)卧暮?jiǎn)化車身有限元模型來得到各個(gè)薄壁梁部件近似的邊界條件。有限元分析中，認(rèn)為單元與單元之間僅通過節(jié)點(diǎn)相互聯(lián)系，傳遞變形和載荷，基于車身梁?jiǎn)卧Ｐ停捎?jì)算得到各部件連接節(jié)點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)力矩，然后按靜力等效原則即可得到各部件剛度分析的邊界條件。比如對(duì)于B柱，通過梁?jiǎn)卧Ｐ陀?jì)算得到B柱上下兩端的節(jié)點(diǎn)力和力矩，然后可以約束B柱下部的自由度，并按靜力等效原則計(jì)算在B柱上端需要施加的力和力矩，從而進(jìn)行結(jié)構(gòu)剛度分析。利用車身薄壁梁部件剛度有限元分析模型，即可計(jì)算部件的材料性能指數(shù)。原設(shè)計(jì)中材料為鋼(由于剛度計(jì)算需要考慮彈性模量，而各種鋼的彈性模量差別不大，因此此處統(tǒng)稱為鋼)，選取4個(gè)數(shù)值遞增的厚度(t1,t2,t3,t4)，分別計(jì)算4個(gè)厚度對(duì)應(yīng)的薄壁梁部件的剛度(S1,S2,S3,S4)，然后根據(jù)式(5.31)計(jì)算得到各薄壁梁部件的指數(shù)q?？梢钥吹?，計(jì)算的得到的車身薄壁梁部件材料性能指數(shù)中的q值介于1和3之間，并且各不相同。為了驗(yàn)證指數(shù)q的準(zhǔn)確性，將薄壁梁部件材料更改為鋁合金，在保證剛度不變的情況下，根據(jù)式(5.27)計(jì)算并改變相應(yīng)零件的厚度，計(jì)算得到鋁合金部件的剛度。表5.2車身薄壁梁部件剛度及q值車身薄壁梁部件q鋼部件撓度鋁合金部件撓度發(fā)動(dòng)機(jī)支撐2.172.0402.063前上縱梁1.210.6050.603前縱梁2.590.9190.916儀表板支撐梁1.610.1120.109車頂邊梁1.980.7540.722門檻1.660.4680.459后縱梁1.234.5834.393圖5.5鋁合金部件撓度變化圖5.6鋼部件撓度變化5.4.2車身薄壁梁部件碰撞材料性能指數(shù)計(jì)算車身薄壁梁部件碰撞材料性能指數(shù)計(jì)算基于有限元碰撞分析結(jié)果。分別建立發(fā)動(dòng)機(jī)支撐、前上縱梁和前縱梁的碰撞有限元分析模型。各部件以50km/h的初始速度撞向剛性墻。為了具有足夠的初始動(dòng)能，在尾部附加一個(gè)500倍的點(diǎn)質(zhì)量單元，并且約束質(zhì)量單元的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。原設(shè)計(jì)中材料為BH鋼，選取4個(gè)數(shù)值遞增的厚度(t1,t2,t3,t4),分別計(jì)算4個(gè)厚度對(duì)應(yīng)的平均碰撞力(Fm1,Fm2,Fm3,Fm4)?；诤穸戎畋M量大的原則，選取3對(duì)厚度(t1,t3)、(t2,t4)、和(t1,t4)，根據(jù)式(5.19)計(jì)算指數(shù)Q并取平均，得到發(fā)動(dòng)機(jī)支撐、前上縱梁和前縱梁的指數(shù)Q，分別為1.28,1.67和1.43?？梢钥吹剑?個(gè)薄壁梁部件材料性能指數(shù)中的Q值各不相同，并且介于1和2之間。5.4.3車身薄壁梁部件的材料選擇與車身性能分析對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)支撐、前上縱梁和前縱梁3個(gè)部件，最合適的材料分別為DP雙相鋼、6010鋁合金和DP雙相鋼。根據(jù)式(5.14)更換這3個(gè)部件對(duì)應(yīng)零件的厚度，分析優(yōu)化多材料車身的整車正面碰撞響應(yīng)。表5.3車身薄壁部件Q和q計(jì)算結(jié)果及材料選擇車身薄壁梁部件Q和q原設(shè)計(jì)多材料車身設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)支撐1.28BHDP前上縱梁1.67BHAL6010