先進(jìn)車型輕量化研究及材料高應(yīng)變率力學(xué)性能表征簡析

先進(jìn)車型輕量化研究

及材料高應(yīng)變率力學(xué)性能表征簡析2018.08.30中國·蘇州目錄已有研究成果介紹第二部分研究背景第一部分下一步研究計劃第三部分總結(jié)第四部分研究背景1輕量化是一個系統(tǒng)工程，通過材料、結(jié)構(gòu)和工藝協(xié)同實現(xiàn)降低自重，減少油耗，提高節(jié)能和安全性指標(biāo)1.1輕量化技術(shù)現(xiàn)狀123輕量化材料中低端車型汽車用鋼占比幾乎均在90%以上，高端車型的鋁合金和塑料復(fù)合材料用量明顯增多輕量化結(jié)構(gòu)以拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化和形貌優(yōu)化設(shè)計實現(xiàn)減重，應(yīng)用較多也較為成熟，并逐步向多目標(biāo)設(shè)計發(fā)展輕量化工藝逐步采用熱成型、不等厚度軋制、液壓成型、輥壓成型、激光拼焊應(yīng)用，并重點研究異種材料連接性能歐、美、日在輕量化材料研發(fā)給予明確的方向1.2國外車用材料研究熱點分析美國歐洲日本先進(jìn)材料開發(fā)及應(yīng)用：高強(qiáng)鋼，新型鋁合金和玻纖增強(qiáng)塑料復(fù)合材料，以及創(chuàng)新型混合/三明治材料。設(shè)計和制造技術(shù)：軟件工具和多參數(shù)設(shè)計優(yōu)化方法，變厚度定制擠壓鋁型材的生產(chǎn)工藝，金屬和纖維增強(qiáng)塑料的同步成形工藝等高強(qiáng)鋼：集成計算材料工程在第三代汽車鋼的應(yīng)用、提高高強(qiáng)鋼拉伸性能、第三代汽車鋼熱處理參數(shù)優(yōu)化。鋁、鎂合金：高強(qiáng)度電鑄納米結(jié)構(gòu)鋁應(yīng)用、高強(qiáng)度鋁合金激光拼焊板、低成本高強(qiáng)度鋁板、鑄造鎂合金應(yīng)用、成本合理的擠壓鎂型材、鎂合金防腐蝕等。工程塑料及復(fù)合材料：低成本碳纖維開發(fā)、集成計算材料工程在玻纖和碳纖復(fù)合材料零部件開發(fā)中的應(yīng)用等。連接技術(shù)：粘接、金屬與非金屬材料連接、鋁合金與高強(qiáng)鋼點連接、鋼鋁攪拌摩擦焊、鋁合金與碳纖維復(fù)合材料攪拌摩擦線連接等。熱塑性碳纖維復(fù)合材料：性能評價技術(shù)、設(shè)計技術(shù)和成形技術(shù)。高強(qiáng)度鋼板：高強(qiáng)高韌中高碳素鋼板開發(fā)及評價。有色金屬：新型鋁合金、鎂合金、鈦合金等有色金屬開發(fā)。連接技術(shù)：鋁合金與碳纖維復(fù)合材料連接、鋁合金與其他材料的點連接、中高碳鋼與中高碳鋼摩擦連接、鋼與碳纖維復(fù)合材料連接、鈦合金與鈦合金連續(xù)連接技術(shù)。我國汽車行業(yè)輕量化整體水平處于穩(wěn)步上升階段，已具備一定的輕量化技術(shù)儲備。1.3我國輕量化用材現(xiàn)狀及面臨挑戰(zhàn)高強(qiáng)鋼

仍然是乘用車車身應(yīng)用比例最高的汽車材料，當(dāng)前超高強(qiáng)鋼、熱成型鋼應(yīng)用越來越多，主要應(yīng)用于B柱加強(qiáng)件、前后防撞梁、門檻梁、車門橫梁等。鋁合金

隨著新能源汽車增長，鋁合金開始大量應(yīng)用，主要集中于防撞梁、發(fā)動機(jī)罩蓋、底盤轉(zhuǎn)向節(jié)等，相對國外車型覆蓋件用鋁量偏少。鎂合金鎂合金綜合性能優(yōu)越，應(yīng)用潛力巨大，主要應(yīng)用于方向盤骨架、儀表板骨架等，其成型技術(shù)及腐蝕防護(hù)問題，是研究熱點。非金屬

我國量產(chǎn)乘用車塑料及復(fù)合材料相對較少，處于快速提升階段，逐步建立薄壁化保險杠、塑料前端模塊、塑料尾門等輕量化能力。輕量化與安全性汽車輕量化與安全性息息相關(guān)；汽車碰撞伴隨著材料變形和失效，需要充分掌握材料力學(xué)性能機(jī)理；材料的強(qiáng)度、失效特性與應(yīng)變率、應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)聯(lián)；充分掌握材料性能數(shù)據(jù)，提高碰撞仿真的精度，指導(dǎo)安全性設(shè)計已有研究成果介紹

2輕量化材料高應(yīng)變率力學(xué)性能表征2.1技術(shù)路線試驗方案設(shè)計試驗測試數(shù)據(jù)擬合外推模擬實驗材料參數(shù)標(biāo)定試驗驗證選擇試驗機(jī)器設(shè)計試驗方案預(yù)實驗調(diào)整濾波方案確定采集數(shù)據(jù)重復(fù)性試驗工程應(yīng)力應(yīng)變真應(yīng)力應(yīng)變曲線擬合外推試驗建模模擬試驗條件加載結(jié)果比對確定優(yōu)化參數(shù)建立優(yōu)化模型得到與試驗匹配度高的參數(shù)搭建驗證平臺建立CAE模型結(jié)果對比分析原始曲線處理后曲線優(yōu)化曲線驗證曲線行業(yè)認(rèn)可檢測機(jī)構(gòu)準(zhǔn)確材料本構(gòu)模型工程應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)不適合做高精度CAE分析真應(yīng)力應(yīng)變曲線數(shù)據(jù)需與試驗對準(zhǔn)達(dá)標(biāo)的曲線數(shù)據(jù)精確曲線數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)中心以聯(lián)合檢測方式降低行業(yè)成本，并聯(lián)合行業(yè)進(jìn)行共性技術(shù)攻關(guān)獲取高質(zhì)量曲線2.2規(guī)范研究集合行業(yè)技術(shù)力量，調(diào)研和研討進(jìn)而確立高級曲線檢測規(guī)范、數(shù)據(jù)處理規(guī)范、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性驗證方法《車用材料高速拉伸試驗規(guī)范》《車用材料高速拉伸試驗數(shù)據(jù)處理規(guī)范》弗勞恩霍夫研究所德國國家標(biāo)準(zhǔn)委員美國戴頓大學(xué)清華大學(xué)蘇州研究院成立車用材料性能高級曲線聯(lián)合檢測與數(shù)據(jù)共享平臺,圍繞高速測試和數(shù)據(jù)應(yīng)用方面的規(guī)范要求和共性問題，依托國內(nèi)外知名行業(yè)專家構(gòu)建平臺專家?guī)?，制定認(rèn)可的數(shù)據(jù)測試和處理規(guī)范，切實解決行業(yè)難題。金屬MAT24塑料等非金屬MAT24/MAT187泡沫MAT83復(fù)合材料PVB夾層玻璃2.3高速拉伸測試方法研究參考ISO等通用標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建高速拉伸檢測規(guī)范，重點從試驗設(shè)備、測試方法、試樣設(shè)計等進(jìn)行制定

應(yīng)變率/s-1載荷測量變形測量備注靜態(tài)試驗0.001萬能試驗機(jī)力傳感器CCD相機(jī)變形測量統(tǒng)一用相機(jī)拍攝，后期用非接觸軟件計算分析動態(tài)試驗0.1,1,10高速拉伸機(jī)力傳感器高速攝像機(jī)100,1000粘貼應(yīng)變片高速攝像機(jī)典型汽車碰撞時材料的變形為中高應(yīng)變率行為（≤103），設(shè)備選取控制能力較好的液壓伺服試驗機(jī)；準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗萬能試驗機(jī)萬能試驗機(jī)試驗結(jié)果足以滿足質(zhì)量要求，高速載荷測量中，當(dāng)應(yīng)變率高于100時需要采用黏貼應(yīng)變片的方式測量可以有效地為降低測量噪聲及系統(tǒng)震蕩原則2.4數(shù)據(jù)擬合外推方法研究依據(jù)材料力學(xué)基礎(chǔ)理論，制定關(guān)鍵參數(shù)的提取準(zhǔn)則典型工程應(yīng)力應(yīng)變曲線關(guān)鍵參數(shù)求取彈性模量E采用線性擬合的方法計算，擬合直線斜率即為試驗材料的彈性模量屈服強(qiáng)度求取從應(yīng)變軸????=0.2%處作斜率為E的直線，直線與應(yīng)力-應(yīng)變曲線交點處抗拉強(qiáng)度為應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)力最大處斷后延伸率為斷裂處應(yīng)變值大小典型真應(yīng)力應(yīng)變曲線轉(zhuǎn)化真應(yīng)力真應(yīng)變塑性應(yīng)變2.5數(shù)據(jù)擬合外推方法研究針對試驗數(shù)據(jù)處理過程中的多種硬化準(zhǔn)則，篩選并選定了最優(yōu)的本構(gòu)關(guān)系曲線擬合外推中硬化準(zhǔn)則選取加權(quán)本構(gòu)關(guān)系2.6數(shù)據(jù)擬合外推方法研究利用CAE軟件進(jìn)行對標(biāo)分析，并通過模擬結(jié)果對擬合數(shù)據(jù)進(jìn)行修正板料一側(cè)的1/3至1/2固支輸出測試段的拉伸時間載荷曲線輸出測量段兩端節(jié)點的位移板料一側(cè)施加恒定的速度體現(xiàn)應(yīng)變率試驗數(shù)據(jù)對標(biāo)后數(shù)據(jù)對標(biāo)前數(shù)據(jù)對比2.7零部件碰撞研究綜合國內(nèi)外零部件碰撞研究方法，通過選用符合實際的驗證方法，對零部件進(jìn)行碰撞對比分析分析對象優(yōu)勢劣勢沖擊試驗板材、帽形梁準(zhǔn)確度一般費用高，有局限度臺車壓潰帽形梁準(zhǔn)確度高費用高，實驗條件苛刻零部件碰撞成型后的零部件準(zhǔn)確度較高費用昂貴系統(tǒng)總成碰撞系統(tǒng)總成準(zhǔn)確度很高費用昂貴，實驗條件苛刻2.8數(shù)據(jù)系統(tǒng)構(gòu)建研究構(gòu)建材料數(shù)據(jù)庫/材料系統(tǒng)，集數(shù)據(jù)存儲查詢及CAE材料卡片導(dǎo)出于一體，實現(xiàn)與碰撞模擬軟件

的對接，減少CAE工程師繁瑣的材料數(shù)據(jù)導(dǎo)入工作13245設(shè)計開發(fā)碰撞軟件材料卡片試驗數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫碰撞模擬2.8數(shù)據(jù)系統(tǒng)構(gòu)建研究鋼材鋁合金非金屬PP-EPDM、PP-T20、EPP、前擋風(fēng)玻璃、ABS、PA+30%GF、PU（坐墊發(fā)泡）、織物蒙皮、PVC、PU（皮革蒙皮）……B340LA（1.2mm）、B340LA（1.6mm）、BUSD、B180H1、B170P1、B210P1、B340/590DP、B280VK、SAPH440、HC550/980DP、SAPH400、SPCC、BLC、B400/780DP、HC420LA、HC340/590DP、HC420/780DP、B340LA、BR1500HS、……5182/O5754/O5754/O+10%變形烘烤、5754/H22、5754/H111、5182/H111、6016/T4p、6014/T4、6063/T6、6082/T6、6061/T6、…………構(gòu)建高精度材料高速拉伸曲線數(shù)據(jù)，并提供LS-DYNA直接調(diào)用的K文件2.9案例分享金屬材料MAT24材料卡B400-780DP試驗數(shù)據(jù)B400-780DP處理后數(shù)據(jù)B400-780DP對標(biāo)結(jié)果6082-T6試驗數(shù)據(jù)6082-T6處理后數(shù)據(jù)6082-T6對標(biāo)結(jié)果高強(qiáng)鋼鋁合金3先進(jìn)車型輕量化研究下一步研究計劃3.1輕量化研究內(nèi)容輕量化技術(shù)研究組數(shù)據(jù)采集及測試方法制定輕量化材料性能研究輕量化評價及出具分析報告Model3領(lǐng)克01材料、結(jié)構(gòu)、工藝和成本分析車身及電池系統(tǒng)性能測試車身系統(tǒng)性能測試材料、結(jié)構(gòu)、工藝和成本分析總體技術(shù)路線：以傳統(tǒng)車和電動車為基點，提供針對性的課題研究成果交付物3.2具體研究工作研究內(nèi)容一：車型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集名稱儀表板管梁用材鋁合金型材+工程塑料工藝復(fù)合工藝尺寸1480*680*340重量5.3kg建立輕量化數(shù)據(jù)采集規(guī)范先進(jìn)競品車車身及電池系統(tǒng)精細(xì)化拆解結(jié)構(gòu)、膠、焊工藝、BOM信息采集以圖片、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)交付標(biāo)準(zhǔn)化角度結(jié)構(gòu)圖片3.2具體研究工作研究內(nèi)容二：輕量化測試分析性能分析車身彎扭剛度局部剛度車身整體模態(tài)局部模態(tài)材料系統(tǒng)激光掃描點云結(jié)構(gòu)化學(xué)成分力學(xué)性能金相測試推薦牌號逆向分析三維掃描剛度模態(tài)部件定制化性能測試剛強(qiáng)度疲勞耐久3.2具體研究工作研究內(nèi)容三：專項技術(shù)分析，出具分析報告成本分析安全設(shè)計分析輕量化設(shè)計與載荷傳遞路徑車身的環(huán)形設(shè)計保證強(qiáng)度、剛度電池包考慮pack對電池組保護(hù)輕量化材料工藝應(yīng)用高強(qiáng)鋼應(yīng)用比例熱成型鋼應(yīng)用部位，解決關(guān)鍵問題鋁合金激光焊接、膠粘應(yīng)用用門檻梁前段A柱加強(qiáng)版上段A柱內(nèi)板下段B柱內(nèi)板熱成型鋼應(yīng)用電池pack設(shè)計車身安全環(huán)設(shè)計確定關(guān)鍵輕量化設(shè)計成本及具體構(gòu)成成本構(gòu)成費用材料成本-人工成本-制造成本-加成：管理費用+財務(wù)費用+銷售費用+利潤-包裝費用-運輸費用-工裝模具費用-含稅到場單價-3.2具體研究工作研究內(nèi)容四：企業(yè)定制化減重策略研究純電動轎車燃料電池轎車傳統(tǒng)轎車傳統(tǒng)SUV純電動SUV輕量化分析樣車減重策略分析提供樣車并與標(biāo)桿車進(jìn)行輕量化對比分析，確定減重策略—減重空間計算（模型）—減重方案分析（車型對比）對同一類型不同車型部件進(jìn)行輕量化設(shè)計對比分析按類型分組總結(jié)44.1總結(jié)基于以上研究成果與研究計劃，組建“先進(jìn)車型輕量化研究組”，開展先進(jìn)車型的輕量化共性技術(shù)研究和對標(biāo)分析工作車型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集車型：Model3、領(lǐng)克01對車身/電池包系統(tǒng)進(jìn)行解析，獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)組建專家團(tuán)隊對車身及電池系統(tǒng)輕量化設(shè)計及成本進(jìn)行研討分析，出具分析報告重點輕量化部件性能測試及用材分析結(jié)構(gòu)圖片重量