基于高强钢抗凹陷性的汽车零部件的轻量化研究设计.docx

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基于高强钢抗凹陷性的汽车零部件的轻量化研究设计

YanZhang,XinminLai,PingZhu,WurongWang

SchoolofMechanicalEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200030,PRChina

Received19May2004。

accepted14September2004

摘要

重量轻，耐撞性是车身设计的重要方面。

在本文中，基于薄壳理论，叙述了在集中荷载作用下获得双曲扁壳的抗凹刚度的情况。

导致扁壳产生局部琐碎凹痕的临界负荷被视为轻量级的汽车零部件的重要指标。

本规则适用于采用高强度钢代替低碳钢的轻量化设计的保险杠系统。

轻量级部分的耐撞性仿真证明了轻量化方法的有效性。

一、介绍

近年来，保持汽车的数量一直在稳步增加，这影响了社会和人类生活。

这种情况导致了许多严重的问题，比如能源危机，环境污染。

国际铝协会指出，减少汽车的重量可以降低汽油消耗量的8-10％与10％。

因此，汽车轻量化是一个节省燃料的基本方式。

为了降低汽车重量，有两点重要方法：

一，汽车零部件的结构优化设计。

采用变薄，镂空，小型，复合零件，可以降低汽车重量。

另一方面，越来越轻的

材料，如铝合金，高强度钢，复合材料，被广泛用作轻质材料替代传统材料，如碳钢。

这些材料可以显著减少重量。

材料替代一般在汽车轻量化中比结构改造更有效。

随着汽车安全法规的出台，耐撞性和安全性，应被视为在汽车车身轻量化设计的先决条件。

高强度钢取代了传统材料的低碳钢被广泛用于汽车。

高强度钢板可用于汽车车身部件以提高冲击能量吸收能力和抗塑性变形能力。

使用高强度且厚度较薄的钢板取代温和身体部分可减少汽车的重量。

与铝，镁，和复合材料相比，高强度钢具有较好的经济性，其原材料和制造成本便宜。

此外，高强度钢可直接用于产品线包括成型，焊接，装配和绘画。

由于不需要调整全线，可节省经营成本。

除车身外，还有几片金属板，其中大部分是薄板。

抗凹性是在外力作用下产生凹陷变形和局部凹陷还能保持形状的能力。

汽车板凹陷性成为一个重要问题和质量标准。

因此，抗凹刚度的汽车板应该在面板的设计和制造的过程中被测试和评价。

一些报告测试方法如下：

1、测试固定外力下凹陷变形的位移。

2、测试外力以获得凹陷变形的固定位移。

3、测试外部荷载作用下的力–位移曲线的斜率。

在这项研究中，第二种方法将被使用。

其余本文安排如下：

在2节，基于薄壳理论，表达了在集中荷载作用下获得双曲扁壳的抗凹刚度的情况。

导致扁壳产生局部琐碎凹痕的临界负荷被视为汽车零部件抗凹性的重要指标。

此规则适用于第2节的采用高强度钢代替碳钢和耐撞性仿真的轻量化设计的保险杠系统。

二、双曲扁壳的抗凹分析

2.1扁壳的抗凹刚度分析

壳中面可归纳为三大特点：

厚度h，中期表面尺寸L，曲率半径r，满足h/r_<<1。

当存在h/L<<1时，外壳可以被定义为薄壳。

如果L/r<<1添加作为上述两个条件的补充，则薄壳被视为扁壳。

如图1所示X-Y平面是扁壳中面沿z轴的投影，假设M是中面上的任意一点，两平面QMN和PMN分别平行于平面OYZ和OXZ。

由于中面的平整度，两边PM和QM可被视作垂直。

同时，直线MN相对中面是正常的，因此，MN,QM,PM可以构成垂直参照系MPQN，其直角坐标系OXYZ的差异可以忽略不计。

A和B表示PM和QM，曲线坐标MPQN。

图1双弯曲扁壳

假设M点的Z坐标为z，中面分析方程为如下：

Z=F（x，y）

（1）

因为壳的平整度，可以得到以下方程：

（2）

中面的曲率和挠率可以近似为：

中面的比例系数沿a和b两个方向推导：

由于沿Z轴的应用集中力P和忽略影响的横向剪切合力，扁壳的平衡微分方程是：

其中δ（0，0）是Dirac-d作用。

扁壳的兼容性方程是：

其中

用横向位移w的函数表示合力M1，M2和M12，扁壳在横向集中力下的基本方程是：

其中N1是X方向产生的膜应力；N2，在Y方向产生的膜应力，D，扁壳的抗弯刚度。

这很难解决上述方程。

根据实际情况，下沉只会集中在围绕外部压力P的一块小面积区域上，所以在本研究中假设扁壳无限大。

因为w，N1，N2是对X，Y轴对称，所有w，N1，N2衍生出来的结果都成为零无穷。

以下方程可以通过傅立叶变换到式（7）中：

其中：

从式（8），可以得到^w。

逆向傅立叶变换到^w和在极坐标系下可以极坐标变换到n，g，w。

矩形扁壳的挠度fp和集中力P之间的关系，可以实现如下：

最后，得到扁壳的抗凹刚度K:

这个公式综合说明了双曲扁壳的抗凹陷性刚度和所有的影响因素之间的关系，包括材料特性，几何参数，可用于指导设计，材料选择与制造。

2.2分析造成局部琐碎凹痕的临界荷载

对导致板局部凹痕的临界载荷的定量评价，研究人员已经提出了一些经验公式。

大量实验的基础上，Dicellello用最小厚度t、屈服应力RS和基本的抗凹陷性刚度K写的公式很清楚了表达了跟踪能源w造成可见微不足道的凹痕的情况：

其中C为比例常数。

从式（12）和（13），临界载荷PCR在扁壳中心产生琐碎凹痕是可以实现的，这是作为评价指标的定义

从式（14），临界载荷PCR和厚度t、屈服应力RS之间是密切相关的。

临界载荷可以是一个使用高强度钢代替低碳钢来开展汽车零部件的轻量化设计的规则。

三、举例和耐撞性分析

3.1全车的有限元模型及其碰撞模拟

在房车车改装成客车的基础上，已经建立了一个详细的有限元模型，如图2。

图2整车的有限元模型

为了确保有限元模型的正确性和有效性，采用了下面的方法：

1、既然目标是模拟汽车的正面碰撞，前车体的啮合要比后方车体密集。

2、减少集成方法与沙漏控制是采取4节点壳单元和8个节点砖实心元件以提高仿真效率。

3、利用啮合质量缩放技术，保证最小元素的特征长度以提高模拟效率。

4、材料本构与考珀–西蒙兹应变率工程被用于钢件。

5、针对复杂的汽车碰撞模拟，自动单面接触算法被采用。

6、点焊元件失效准则，考虑到用来模拟汽车配件间的点焊连接的法向力和剪切力。

根据国家立法规则CMVDR294，显式动力有限元软件LS-DYNA的950版本被用来做汽车以50公里/秒的速度与刚性墙正面碰撞损毁的模拟。

做一个真正的汽车碰撞实验在清华大学汽车碰撞实验室落户。

通过比较A柱在0.1秒内的某些位置的加速度时间历程，模拟实验结果给出了合理的实验结果，保证了有限元模型的正确性，并为未来的轻量化优化设计给出了一个更好的基础。

3.2轻量化设计及耐撞性分析

使用高强度钢是一种减少汽车的重量的有效方法。

然而，应保证由新材料制成的部分的性能（如耐撞性，硬度，耐冲击性）。

例如，车的前部分零件是车毁人亡的过程中能量吸收主要部分，所以在不影响乘客的安全的情况下应保证汽车的前部分能量吸收性能的设计。

在这项研究中，根据不同的材料对轿车的保险杠进行了研究，但保留了其抗凹性。

下面列出的低碳钢和高强度钢的力学性能（见表1）。

用低碳钢做的保险杠的抗凹性评价指标是:

当高强度钢被用来取代碳钢剩余的主要形状和抗凹性能，高强度钢新厚度t2可以得到：

从（16），在全车的有限元模型中采用高强度钢的保险杠的厚度被增加和更新。

使用新材料的保险杠的变形历史在通过更新部分厚度来重新模拟汽车碰撞后被展现（见图3）。

通过模拟，由两根不同材料制成的保险杠的变形是相似的，塑性铰和拉伸塑性变形出现在保险杠的中间部分。

而且能量吸收的历史显示在以下的保险杠梁上。

从图4，两种材料之间的能量吸收的差别很小，约占保险杠梁的4.1％，从中可以得出结论，在抗凹性评价指数基础上的减少保险杠面板的厚度是可行的。

表1两种材料的力学性能

材料

密度（g/cm3）

E（GPa）

μ

（MPa）

低碳钢

7.8

210

0.3

166

高强度钢

7.8

210

0.3

220

图3保险杠的变形历史

、

图4保险杠梁的能量吸收的历史

四、结论

对小曲率扁壳类汽车零件的抗凹性能进行了如下研究：

1、给出了此类零件在集中力作用下的抗凹刚度。

2、在扁壳中心造成的局部琐碎凹痕的临界负荷被推导出来，从而成为评价汽车零部件抗凹陷性的指标。

3、通过碰撞仿真来应用开发规则到使用高强度钢代替低碳钢的保险杠系统的轻量化设计中，证明了评价指标的有效性。

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