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设计的轻量级复合材料汽车身体使用新材料性能指数和防撞性薄壁梁的材料选择的考虑 崔鑫涛 , 张宏伟 , 王舒新 , 张连宏 , 天津一汽夏利汽车股份有限公司 ,天津 300190 天津大学机械工程学院 ,天津 300072 工业和管理系统工程系 ,布拉斯加 林肯 ,美国东北 68588 文摘 目前 ,汽车的身体构造通常使用一个单一的材料 ,如钢或铝。 但是，相比于单一材料的车身而言，采用复合材料的车身可以允许 最优材料在每个结构组件选择更高的产品性能和更低的成本。 研究报告 提出 的 新材料性能指标和程序开发指导系统 可以对复合材料车身的材料选择提供依据。 这些新指数可以描述薄壁梁性能 ,以防产生弧垂 。所以复合材料车身的体内设计得根据材料类型而定。 本文还说明了这些性能指标的应用程序和程序设计 就可以设计 一个轻量级 复合 汽车车身。这些程序将有助于设计一个轻量级的 车身，以至于完全可以得到 汽车工业的青睐 ,从而减少燃料消耗和温室气体 的 排放。 汽车减重被认为是一个最重要的解决方案来提高燃油经济性和减少有害排放。近年来 ,由于汽车数量的急剧增加而使得过多的 油耗和污染 引起的担忧 的越来越多 ， 汽车行业 也因此承受了 巨大的压力减少燃料消耗和排放 方面 。 这些问题的一个解决方案是降低车辆的重量 ， ,因为 每 减少 57 公斤 车 重相当于每公升油耗增加 里 的行程 。 这些减少是至关重要的特别是在最近这比较敏感的时间里。 由于燃料成本上升 ,对气候的担忧 也 正在增 多 。 人们认为汽车 可以通过使用复合材料去减重而不需要担心它会增加成本。有很多 轻型汽车的车 身已经开发使用高强度钢 ,铝合金和复合材料。这些特殊的材料可以提供更轻的车身重量。然而 ,这些特殊材料的高价格 却成为 它们 取代钢材 的 一个主要障碍。因此 ,一些研究 人员 认为复合 车身是解决这些问题的办法。 此外，除了他们的宏观意义，材料车身总成的性能指标还可以解决 单一材料 车身性能方面的问题。 基于多材料车身优化设计需对新材料特性进行研究，以确定结构复杂的车身部件使用多材料后优劣。多材料应用指在合适的部位应用合适的材料实现产品功能。大量的研究材料选择方法已经被提出来。 一般来说， 材料 的 选择问题 是需要进行广泛的研究的。为此，有很多专著是专门提供材料选择及其过程的。材料选择的基础知识还作为了介绍同步工程的背景的角色。车身平衡梁的结构优化是要考虑到环境因素和材料本身性质的材料选择。 一些研究提出了材料刚性和轻型汽车车身总成的性能指标。这些研究可以 调查材料的减重与刚度常数替换。然而 ,对于更全面的绩效评估 ,进一步的研究需要考虑 其他方面的车身性能如防撞性和材料成本。 本文 提出了新颖的性能指标和程序为轻量级的和具有成本效益的 复合 汽车机构材料 的 选择。 2. 防撞性设计性能指标 本节介绍了薄壁结构件的材料性能指标有一 般截面最优材料选择考虑防撞性。在这项研究中 ,给出了 组件的拓扑结构 ，在材料的选择过程中材料厚度是可以改变的 。 压碎负荷 在本节中一个通用的公式表达 薄壁梁结构的平均压缩载荷 。 位于驾驶室较远距离的前面部分，是压缩载荷组件的位置，用于吸收碰撞能量 。平均压碎负荷是一个被广泛 被 接受的设计参数用来评估薄壁结构组件吸收碰撞能量的能力。 义为能量吸收变形长度的比率。 在分析以及实验研究 中 19, 20和 21,平均 压缩载 荷的公式 是基于简化的薄壁梁结构建立的，包含了 组件几何参数和材料性能。 9提出了 矩形 架平均压缩载荷 方程 (1) )0 . 3 2= 3 2 6 8 (1) f 4 是完全塑性的时刻 , 流动压力 ,B=(C+D)/ 2 中， C 和 D 是一个 矩形框柱的长度 ,t 是壁厚 。 et 圆管 实验 20开发了一个轴向负荷公式 方程 (2) )0 . 3 2= 3 2 f 6 (2) D 是管 直径 ， t 是管 平均 厚度。 表达式意味着压碎载荷的上流部分的结构 21。 方程 (3) )1 / 3= 3 f (3) t 壁厚 ,L=2w+2h+4f。 h,w 和 f 分别是截面载荷 的高度 ,截面载荷的宽度和 凸缘 的 宽度 。 可以观察到在上面的公式中 ,如果 是 拓扑 形状的薄壁梁 ,平均负荷 以表示为一个函数的平均流压力和壁厚 , 一个常数 ， t 是壁厚。 一般来说 ,塑性变形能量取决于 塑性 拉伸 ( )或 塑性 弯曲 ( )。 b 横截面的宽度。 此外 ,当薄壁结构在 塑性 拉伸载荷和弯矩 作用下的时候 ,平均负载 以表示为 21方程 (4) (4) 指数在 1 和 2 之间的差异。 可以观察到在上面的公式中 ,如果是拓扑 形状的薄壁梁 ,平均负荷 以表示为一个函数的平均流压力和壁厚 方程 (5) f (5) C 是一个常数 ,f 是 平均流动应力 ， t 是壁厚 。 平均流动应力 22 方程 (6) f =(Y +U )/2 (6) Y 和 U 分别是产量和极限应力。 评价材料的薄壁结构指数 在本节中 ,提出了材料平均压缩载荷评价指标 ,及其 计算过程。考虑 到 两个组件 (梁 )由两种不同的材料但是 其 形状 相同， 让下标 “1”表示 两种材料的参考材料和 下标 “2”的材料 为 设计 考虑使用材料 。如果两个组件具有相同的平均 压缩载荷， 然后 根据公式 方程 (7) 1 / Q (7) 薄壁梁的质量 方程 (8) m=8) 用 公式 5 取代 公式 8 中的 t。 ,薄壁梁的质量由 总坡度 ,材料属性和几何参数 m表示。预定义的梁几何 总坡度 ( C)1 / Q 在 常数。因此 ,适当的 (轻量级 )材料是那些小 q= q 的 。换句话说 ,大量的材料性能指标定义在低于 范围 将更适合 Mc指数 q 性能指标 的 计算。注意指数 Q 在方程式 中 ,不能纯粹的 用 分析方法计算 。这是因为 非线性薄壁复杂的几何图形。因此 ,有限元 (拟可以用来获得平均压碎载荷 F,它可 以迭代计算和 对 有限元分析 进行 帮助。 公式 两边的 两种不同的厚度值 但具有 同样的材料 ,因此 ,估计误差引起的均压碎负荷误差图 1 显示了一个示例 由 估计误差引起的 5%的误差平均压碎负荷评估。当 t 的值 是 意味着压碎 负荷 从简单的有限元计算软件使用 变成了 计算机辅助设计(数据。 方程 (9) m=(1/(9) 一个预定义 薄壁梁 和 压碎载荷的公式 , ()1/Q 。 (9)是常数。 因此 ,适当的 (轻量级 )材料具有较小的值 /1/1/ 。 (9)。 换句话说 ,复合 材料性能指标定义在E(10)下面将会更合适。 方程 (10) 1/(10) 指数性能指标可以计算如下。 注意 ,该指数在方程式 (5)和 (10)不能由一个纯粹的分析方法计算由于非线性薄壁复杂的几何图形。 因此 ,有限元 (拟可以用来获得平均负载 F,在此帮 助下可以计算迭代有限元分析。 方程 (11) m)=f)+t) (11) (11)两个不同的厚度值 t 和 t 和同样的材料 ,可以表示为 方程 (12) Q=m)m)t)t)=m/Fm)t/t) (12) (12)对两个厚度的各种组合 ,可以作为和平均值估计。 值得 注意的 是 准确数值计算取决于平均压碎负荷从有限元模拟和准确性 t /t 比率。 此外 ,更大的区别 t 和t 如下描述。 假设有一个薄壁梁它的 破碎力 和厚度是 t 。 方程 (13) Q=Fm+Fm)/Fm)lg(t/t)=1+Fm/Fm)(Fm/Fm)lg(t/t)=+Fm/Fm)lg(t/t)+m/Fm)lg(t/t)=+Fm/Fm)lg(t/t)+Q (13) 因此 ,估计误差均压碎负荷误差造成的 Fm 是 +Fm/Fm)lg(t/t)+F/F)lg(t/t)。图 1显示的一个例子 ， 估计误差引起的 5%的误差平均压碎负荷评估。 时 值 t/ tt/t是 时的值 t/ tt/t是 差降低到 图 1。 估计偏差引起的误差为 5% 3 应用程序的单个组件的材料选择的性能指标 本节描述如何将性能指标 用于确定单个组件的材料。 考虑刚度 一般来说 ,薄壁结构的刚度设计性能指标可以被定义为 中 E 是弹性模量。梁刚度的性能指标根据设计目的 可 分为三类 ， 指数派生组件用简单的几何图形基于经典弹性梁理论。对 于复杂的结构如汽车车身配件 可 以 用 值 1、 2 或 3 来表示 。 方程 (14) 1/E1/2/E1/14) m 是质量 ,下标 1和 2表示两种材料。 图 2 显示了相同刚度 的钢制梁 和铝 制梁的质量比 。 它们的 材料特性 可以 参考表 1。它可以观察到由铝代替钢 减重 的效果对不同的 q 值是不同的。 对于 一个 比较 大的 q 而言 ,铝可以提供显著的减重。 而对于比较 小 的 q 值 ， 铝会导致 较小的减重 。 图 2。 表 1 材料属性 材料 弹性模量 密度 价格 y 07 7840 80 300双铝 207 7840 10 500铝6 0 6 3 207 7840 50 800铝6 0 1 0 70 2720 0 压碎负荷的意义考虑与分析 方程 (15) 1/E1/1/15) 图 3 显示了由可硬化的 (强度钢和铝合金 6063 制成的 梁 的 压碎负荷。这些材料都是表1中给出的属性。有趣的是看到从图 3 值增加 ,而铝梁的质量下降。对于一个比较大的 q,铝似乎 是一个更好的选择 ,因为它可以实现更大的减重。 较 小 的 q 值 ,高 强度钢材可以优先考虑 ,因为高强度钢提供了一个类似的减重 ,但可以降低整体成本。 图 3。 (下标 x 表示高强度钢或铝 6063。 ) 4 成本评价模型 汽车身体的 复合 材料应满足相互冲突的需求 ,如最小重量和最低成本 ,同时确保刚度高、防撞性好。 为了 处理这些目标序列 ,本研究采用了一个价值函数 。 方程 (16) V=1 m+ C m=1 m+1 + p ) m (16) V 代表一个复合客观价值 ， V 值的变化对单位增加 ,p 是单位原材料价格 (美元 /公斤 )。 变 换有关的常数的值可以找到质量和成本 最合适于家庭用车 的 制车材料 ,例如 ( 公斤美元 23。可以通过选择材料 而得到 最好的设计方案 ,从而获得 最小的 V。如第 2 部分中所述 ,( C)1 / 恒定的。因此 ,对于一个给定的压碎载荷 ,最好的材料设计 是获得最小的 q。同样 ,集中刚度 设计 ,很容易获得最好的材料的最小值 。 方程 (17) V=(1+p)(1/(17) 方程式 (18)和 (19)可以用于单个组件防撞性和刚度设计。应用方程式 (18)和 (19)为整个车身所有组件 防撞行的 优化配。 方程 (18) 1+p)(/1/(18) 0)代表了目标函数 ,词风投 ,j 代表结构成员的值函数防撞性。变量的值 且仅当一个材料选择成员 j,否则为零。约束 (21)表示防撞性和刚度条件。直流代表全球防撞性标准外 ,整个车身和 全刚度要求。防撞性和刚度有限元计算软件对整个车身 用于 约束 22)确保为每个成员独特的材料 提供 选择 从而 约束 (23)表示二进制条件变量。 它 是高度非线性的 ,因为涉及到非线性有限元模拟计算。 V s=(1+p)(/ q ) (19) 因此 ,不可以用 传统的优化方法 。但是可以使用可以代替的方法， 一种方法是使用一个迭代的方法。 即 获得的价值首先不考虑全身防撞性和刚度。然后对每个成员的材料选择 ,查是否满足约束。然后 ,组件的材料更新迭代 ,直到找到可行的解决方案。另一种方法是使用近 似 主要防撞设计或刚度设计的组件。许多组件相关 于 防撞性和刚度 ,但车身设计 的知识可以显示每个组件防撞性或刚度的主要贡献。然后 ,用 独评估使用每个组件组。详细的优化方法 得 结合其他解决方案 ，该 过程超出了本文的范围 ,应 用 在未来的研究中 ,因为本文的主要目标是开发材料的性能指标。 方程 (20) j (20) 方程 (21) fC( , ,DC fS( , ,21) 方程 (22) (22) , j 方程 (23) 0,1 (23) 5. 案例研究 本节说明了应用程序的性能指数和轻型汽车车身结构材料选择的设计过程。 问题描述 最优材料选择 将 每个身体 的 主要框架结构设计尽可能 的低成本 和 轻质 。 如 车身的有限元模型图 4 所示。该有限元模型得到来自美国国家公路交通安全管理局 (25许可使用 从而进行研究。 5 个候选材料是 从 表 1 中列出 的 。 车 身最初由低碳钢 (轻度 )和 防撞 钢 制造的 。 车身结构分解为 20 个 主要结构 ， 组成如表 2 所示。 全球静态抗弯刚度 的 影响对汽车材料的选择。 该 影响是一个模拟额对刚性墙碰撞速度 h。事故分析是由 示 动态有限元代码。静态抗弯刚度分析 ,四个加载 1000 N 分别应用在前方和后方的座位安装。后方在纵向约束 ,横向和垂直方向 ,和前面防震安装限制只有在垂直方向。抗弯刚度被评估为平均负载应用程序点的变形量。静态弯曲的分析是由有限元分析软件 件 来完成的 。 图 4。 案例研究汽车车身结构 25。 主要成员 的 最优材料选择 20 个 主结构组件根据 它 们的目的分为两组。在发生正面碰撞 ,将有由 正面成员 ， 包括摇篮 ,上层 前 为能量吸收器。这三个部分而被选为防撞性设计、材料选择和抗弯刚度的设计。 并对这 三个主要组件 的 碰撞能量吸收、材料的性能指标以及使用 数 Q 进行了评估和有限元分析。三个正面成员与初始轴向单独模拟 ，并 与刚性墙碰撞 。 速度 48 公里 /小时由有限元分析 出为 有限元模型 ,大量元素附加到结构的一端为粉碎提供足够的能量。表 2列出了计算 Q 值 。 静态抗弯刚度的情况下 ,一阶的概念分析是用来确认每个主帧和加载条件。 激光校准 型代表整个身体结构构造。在这个模型中 ,梁元素有详细的横截面信息。每一个主要成员可以由 激光校准 有限元模型使用成员力量和时间 对 局部弯曲边界和加载 进行 条件决定。表 2 显示了指数 q 值的性能指标抗弯刚度设计 ,用来 评估究车身刚度。 基于计算性能指标 ,优化材料选择为每个主要成员使用的最小值方程式。交换常数 公斤。所有主要组件的最佳材料表 由 2 中列出。注意 ,在这个案例研究中相关的 “最优 ”是唯一的 V 值说明目的和 “最优 ”的含义实践中根据目标函数的选择可以是不同的。 验证材料的选择 验证车身最优材料的性能选择 ,整个车辆的面前崩溃的模拟进行了原始的身体结构 (全钢体 )和优化设计 ， 采用表 2 中的材料组合。三个正面成员防撞性设计厚度是用 定的。图 5显示了原始的身体碰撞 ， 车身变形设计和优化设计。 可以 观察到 , 两个设计的整体变形形状几乎没有区别。图 6 显示了三个成员的正面的总能量吸收 的 原始和优化设计。虽然差别不大 ,但优化设计显示比最初的设计 能 更好的能量吸收。加速度在 b 并给出优化设计在图 7 中。这是观察到加速度曲线的形状 ,峰值大小和平均减速两种情况没有显著的不同。 最佳选材也验证了全球抗弯刚度有限元弯曲刚度模拟 的 原始和最优材料 得 选择。抗弯刚度分析的结果表明 ,优化设计的刚度非常接近原来的车身设计。两 种 米和 米。 在这项研究中进一步验证 ,最 严谨 的选材也 得以 检查了材料选择方面的最大价值 q。除了三个主要 防撞载荷 吸收组件。这种严重的弯曲挠度设计是 米。虽然最糟糕的设计是比原来的车身设计略硬 ,但 边缘 也 是有区别的。 图 5。 车身的碰撞变形 :原始体设计 (a)和 (b)的优化设计。 图 6。 组件正面 能量吸收的原始和优化设计。 图 7。 6。 讨论 本节讨论的结果和有效性的 最优 复合材料 车身 案例研究结果表明 ,使用 先进的 方法导致了新的设计优于原设计。如 所示 , 选择最优材料替代原始材料至少 是有 一样好的防撞性性能。抗弯刚度的优化设计也非常类似于 车身 的其他设计。所有这些性能值实现了更少的重量和成本值。 比较不同的详细设计 ,等效抗弯刚度的设计更新。几个组件的厚度稍微修改为最优和最差的身体设计 ,两具 车身 有等效抗弯刚度原体设计。表 3 比较了结构重量、材料成本和 V 的原始值和最优和最差的身体设计更新。从表 3 可以看出 ,最优 复合材料 达到体重减少 斤 而增加材料成本只有 元。这种优化设计了一个轻量级的和具有成本效益的身体组装 ,可以提供高燃油经济性和支付能力。最糟糕的设计的 V 是 从最初的设计体重减少 斤 ,但材料成本增加了 元。这是由于大量使用轻质但昂贵 的 铝合金。如图所示 ,这些比较 ,这些不同的设计会导致完全不同的产品性能。 表 3。车身结构 抗弯刚度 车重 成本 V 价值原始设计 24 偏差在固定负载下的负载应用点。 先进 指数和过程的有效性 案例研究结果还表明 ,这项研究提供了有效的 复合材料 车身和加强现有的材料 的 程序 ， 公式和 选择方法。 首先 , 在较薄的结构发达指数允许评估不同材料的优点和缺点。特别是 , 防撞性性能指数很容易考虑。这是可能通过使用新材料的性能指数防撞性 计算 数 来实现的 。 即 轻松地使用基于 序。这些新指标和计算程序 可以 扩展先前在刚度和简单的结构的研究 ， 包括复杂的防撞梁。 第二 ,开发的成本评价方法允许实现 在 汽车的 车身 刚度和防撞性约束 下 最好的轻量级的和具有成本效益的设计。案例研究结果 表明 车身 可以 显著的减重 30 公斤左右 ,同时也可以 减少材料成本。这是可能 实现的 成本评估方法 ，如 第四节所示。因此 , 克服材料价格问题的开发过程可以用来取代主要障碍之一 的钢架 结构对燃料 消耗 效率 的问题 。通过优化每个主要结构部 件材料的选择 ,很有可能要充分利用每个材料的优势 ,实现最优产品性能。车身设计 以 这样一种方式吸引客户和制造 商 ,因为 钱只会花在如 重量轻 的 材料 这样 正确的地方 。 7 结论 本文开发 的是 新材料薄壁结构零件的防撞性能指数设计。这些新的性能指标使描述较薄结构组件在汽车身体的机械性能和材料成本 的方面，有了 根据。因此 ,索引允许我们选择最佳的材料系统的结构部分。此外 ,该指数的概念是为方便开发评价和平面图的案例 ， 研究表明新的指数帮助实现 了 大幅降低材料成本 ， 与同类产品 相比 显著减少 了车重但并 没有显著的增加成本。 这项研究表明 ,通过 复合材料 建设和最优材料选择为每个结构 组件 在汽车的 车 身轻量级和高结构性能 的提升上 没有 造成 成本增加。这些新的指数设计 了 一个轻量级的和负担得起的 车身，从而得到了 汽车行业和消费者的青睐 ,并将有助于减少燃料消耗和温室气体 的 排放。 在未来的研究中 ,制造过程也可以被考虑 进去。 汽车车身的 复合材料 建设 将高科技 加入 到生产 流程 这件事也需要考虑到经济方面的因素 。例如 ,加入不同的材料可能导致更多昂贵的过程或设备。这些 方面的 扩展是值得进一步调查的 。 引用 1汉 拉克 身工程生命周期成本 :钢铁和铝。 7 1995;(5):。 2r . 铁 汽车。 术论文。 2001,2001 3李 Y,Z,重量轻 ,高强度钢板的使用 汽车防撞的身体。 4:177 2003;82 年。 4士 ,国设计 对铝 制
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