（车辆工程专业论文）高强度钢板在汽车轻量化中的应用研究.pdf

摘要 随着汽车保有量的与日俱增，能源短缺、环境污染等一系列问题日益突出， 节能和环保成为关系人类可持续发展的重大问题，汽车轻量化是实现节能减排 的重要途径。 本文以某重型货车身驾驶室地板为对象，从选取高强度钢板和铝合金板材 改变板厚来实现轻量化的目标出发，对地板主要零部件进行轻量化研究。本文 研究的主要内容如下： ( 1 ) 根据汽车车身结构轻量化研究的特点，系统分析了用于轻量化的各种 材料及其应用现状，着重介绍了高强度钢板的特点及其应用情况。 ( 2 ) 论述了有限元法的基本理论，介绍了相关有限元分析软件，并建立某 重型货车驾驶室地板的有限元模型，同时分析了建模过程中要注意的问题，包 括c a e 建模中几何模型的整理、单元的选取、焊点的处理，并对模型质量的评价 指标进行分析。l ( 3 ) 介绍了线性静力分析的基本原理，包括静态强度和刚度分析理论。计 算分析了地板在弯曲和扭转两种工况下的变形和应力情况，并对计算结果做出 评价，通过地板纵梁处弯曲挠度曲线的连续性验证了有限元模型的正确性。在 此基础上，采用高强度钢板减小板厚，对地板5 个主要零部件进行轻量化研究， 从刚度和强度两个方面分析比较，得出可行的轻量化方案。 ( 4 ) 选取铝合金材料进行轻量化研究，与高强度钢板的轻量化方案作比较。 首先，分析了不同系列铝合金的特点，选择车身用铝合金材料用于地板的轻量 化研究，根据相同弯曲刚度和弯曲强度下铝合金与钢的厚度比和质量比，修改 5 个零部件的板厚，得出可行的轻量化方案。最后，将普通低碳钢、高强度钢板 与铝合金三种材料的方案作性价比的比较。 上述研究表明，虽然高强度钢板减重的效果与铝合金相比有一定差距，但 是高强度钢板具有生产成本较低，加工工艺成熟等特点，采用高强度钢板具有 一定的优势。从该车驾驶室地板的轻量化可以推广到整个驾驶室、车架、车厢 等的轻量化研究，实现该货车的整体减重。 关键词：高强度钢板，轻量化，有限元法，静力分析 a b s t r a c t w i t ht h ee v e r - i n c r e a s i n gv o l u m eo fc a r s ， e n e r g ys h o r t a g e ， e n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o na n do t h e ri s s u e sa r eb e c o m i n gm o r ep r o m i n e n t ， e n e r g yc o n s e r v a t i o na n d e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nh a v eb e c o m ei m p o r t a n tp r o b l e m sr e l a t i n gt os u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n to fh u m a n ，e n e r g y - s a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o nh a v eb e e nt h e p r o b l e m sc r y i n go u tf o rs o l u t i o n sf o ra u t o m o t i v ei n d u s t r y i nt h i sp a p e r ，t h ef l o o ro fah e a v yt r u c kc a bw a st a k e na ss t u d yo b j e c t ，t h e l i g h t w e i g h tg o a lw a sh o p e dt ob ea c h i e v e dt h r o u g hs e l e c t i n gh i g hs t r e n g t hs t e e la n d a l u m i n u ma l l o ym a t e r i a lt oc h a n g et h et h i c k n e s s ，a n dl i g h t w e i g h tr e s e a r c hw a s d o n e f o rm a i nc o m p o n e n t s ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fr e s e a r c ho nl i g h t w e i g h to fa u t o m o t i v eb o d y s t r u c t u r e ，av a r i e t yo fl i g h t w e i g h tm a t e r i a l sa n dt h e i r a p p l i c a t i o n s w e r e s y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e d ， f o c u s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g hs t r e n g t hs t e e la n di t s a p p l i c a t i o n ( 2 ) b a s i ct h e o r yo ff i n i t ee l e m e n tm e t h o da n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f l w a r e s w e r ed i s c u s s e d ，f i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ef l o o ro fa h e a v yt r u c kc a bw a sc r e a t e d t h em o d e l i n gp r o c e s ss h o u l dp a ya t t e n t i o nt ot h ep r o b l e m so fc a e m o d e l i n g ， i n c l u d i n g t h ec o l l a t i o no ft h eg e o m e t r i cm o d e l ，e l e m e n t s e l e c t i o n ，s p o tt r e a t m e n t ， a n dq u a l i t yi n d e xo fe v a l u a t i n gm o d e lw a sa n a l y z e d ( 3 ) p r i n c i p l e so fl i n e a rs t a t i ca n a l y s i sw e r ei n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gs t a t i cs t r e n g t h a n ds t i f f n e s sa n a l y s i s t h e nd e f o r m a t i o na n ds t r e s so ft h ef l o o rw e r ec a l c u l a t e da n d a n a l y z e di nc o n d i t i o n so fb e n d i n ga n dt o m i o n ， a n dt h ee v a l u a t i o nr e s u l t sw e r e m a d e ，t h ef i n i t ed e m e n tm o d e lw a sv e r i f i e dc o r r e c tt h r o u g hc o n t i n u i t yo ft h e b e n d i n gd e f l e c t i o nc u r v eo ft h ef l o o r sl o n g e r o n o nt h i sb a s i s ，h i g hs t r e n g t hs t e e l w a su s e dt or e d u c et h i c k n e s so ft h ef l o o rf o rf i v em a i np a r t sl i g h t w e i g h tr e s e a r c h ， b o t ht h es t i f f n e s sa n ds t r e n g t hw e r ec o m p a r e d ，t h e nf e a s i b l el i g h t w e i g h tp r o g r a m w a sb r o u g h to u t ( 4 ) a l u m i n u ma l l o ym a t e r i a lw a su s e dt od ol i g h t w e i g h tr e s e a r c h ，a n dt h e nw a s c o m p a r e dw i t ht h el i g h t w e i g h tp r o g r a mo fh i g hs t r e n g t hs t e e lp l a t e f i r s to fa l l ，t h e e h a r a c t e r i s t i e so fd i f f e r e n ts e r i e so fa l u m i n u ma l l o yw a r ed i s c u s s e d ，a l u m i n u m a l l o y i i u s e df o rt h el i g h t w e i g h ts t u d yo f b o d yw a s s e l e c t e d ，a c c o r d i n gt ot h i c k n e s sr a t i oa n d m a s sr a t i ow i t hs t e e lu n d e rt h es a m eb e n d i n gs t i f f n e s sa n db e n d i n gs t r e n g t h ， t h i c k n e s so ff i v ep a r t sw a sm o d i f i e d ，t h ev i a b l el i g h t w e i g h tp r o g r a mw a sc o m et o f i n a l l y ，c o s t - e f f e c t i v eo ft h r e em a t e r i a l s l i g h t w e i g h tp r o g r a mw a sc o m p a r e d ， o r d i n a r yl o w - c a r b o ns t e e l ，h i g hs t r e n g t hs t e e la n da l u m i n u ma l l o ym a t e r i a l t h ea b o v em e n t i o n e ds t u d i e sh a v es h o w nt h a tt h eu s eo fa l u m i n u ma l l o y m a t e r i a l sa n dh i 【g hs t r e n g t hs t e e lp l a t ec a l la c h i e v el i g h t w e i g h to fv e h i c l es t r u c t u r e ， t h ee f f e c to fl i g h t w e i g h to fa l u m i n u ma l l o ym a t e r i a li s b e t t e r a l t h o u g ht h e r ei sa c e r t a i ng a pb e t w e e nh i g hs t r e n g t hs t e e lp l a t ea n da l u m i n u ma l l o ya b o u te f f e c to f w e i g h tl o s s ， i th a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o w e rc o s to fp r o d u c t i o n ， m a t u r e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ， s ot h eu s eo f h i g hs t r e n g t hs t e e lh a sac e r t a i na d v a n t a g e l i g h t w e i g h tr e s e a r c hc a l lb ee x t e n d e dt ot h ee n t i r ec a b ，f r a m e ，l i g h tc a r r i a g e ，e t c o v e r a l lw e i g h to ft h et r u c kc a nb er e d u c e d k e yw o r d s ：h i g hs t r e n g t hs t e e l ，l i g h t w e i g h t ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，s t a t i ca n a l y s i s i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ： 弹日 期：三里垡乙j i ? 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：耋4 主军导师( 签名) ： e t 期：丝全2 ：笪! 卫， 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 世界汽车保有量与日俱增，正以巨大的影响力改变着人们的工作与生活， 但随之而来的能源短缺、环境污染等一系列问题也日益突出。轻型、节能、环 保、安全、舒适、低成本成为各汽车制造厂家追求的目标，尤其是节能和环保 更是关系人类可持续发展的重大问题，节能减排已成为汽车工业界亟待解决的 问题。 汽车轻量化的内涵是在保证汽车性能不受影响的前提下，既要有目标的减 轻汽车自重，又要保证汽车行驶的安全性和舒适性等，同时使汽车本身的造价 不被提高。从汽车产品的整个生命周期看，油耗费用是汽车生命周期总费用的 主体，占汽车生命周期费用的7 1 ，汽车客户迫切希望降低油耗费用以节约后期 的运行成本。由于汽车质量的大小影响到滚动阻力、爬坡阻力与加速阻力，因 此汽车质量与其燃油消耗有着极为密切的关系。据分析，降低油耗的主要方法 有：减轻重量( 轻量化) 占5 0 ，提高发动机效率占2 0 ，降低行驶阻力占3 0 ，其 中最有效的方法是汽车轻量化【l 】。世界铝业协会提出的报告指出，汽车质量每减 t j , l o ，可降低6 8 的油耗【2 1 。因此，在汽车设计中，轻量化是一个必须考虑 的问题。汽车的轻量化不仅可以减小各种行驶阻力，降低燃油消耗，而且也有 利于改善汽车的转向、加速、制动和排放等多方面的性能。我国发改委要求是 2 0 1 0 年与2 0 0 3 年相比，乘用车新车的平均油耗要减少1 5 ，要完成这个指标，没 有轻量化是实现不了的。 应当指出，不仅乘用车要求轻量化，同样也适用于商用车。文献 2 指出， 轻量化可改善燃油经济性，提高载货质量，商用车与乘用车同样具有明显的效 果。同时，随着计重收费范围的扩大和油价不断上涨，载货车用户既要多承载， 又要油耗少的呼声越来越高，各大卡车企业也正集中力量进行卡车轻量化研发。 汽车轻量化的途径有很多，主要有以下三种： ( 一) 结构优化设计，借助c a e 方法使各处承载截面及厚度更加合理，以及 内饰、发动机和汽车底盘等所有汽车零部件进行结构改进等，如在结构设计上 主要采用前轮驱动，可以减少传动系统重量，目前欧洲汽车已有约6 0 改为前轮 武汉理工大学硕士学位论文 驱动【3 1 。 ( 二) 应用新型轻质材料，使用密度小、强度高的轻质材料，如铝、镁合 金、塑料聚合物材料、陶瓷材料等；使用同密度、同弹性模量而且工艺性能好 的截面厚度较薄的高强度钢；使用基于新材料加工技术的轻量化结构用材，如 连续挤压变截面型材、金属基复合材料板、激光焊接板材等。其中，高强度钢、 铝合金和塑料的系列化商品化程度较高。如，1 9 9 6 年奥迪公司生产的全铝a 8 轿 车，采用铝合金挤压车架，质量降低了3 5 ，抗扭强度增：匀l ：l - j 5 0 t 4 1 。 ( 三) 采用先进的制造工艺，如激光拼焊、液压成型，将两个或多个零件 集成为一个零件。采用液压成形技术生产的高强度钢构件越来越多，如发动机 托架、散热器支架、仪表板横梁、座椅骨架，以及轻型车后桥壳和车架等。 第一次石油危机后，汽车的轻量化研究工作就开始了，从2 0 世纪9 0 年代初 开始，轻量化成为人们的研究热点。在s a e 2 0 0 4 年会上，轻量化材料技术、应用 新材料提高车辆的安全性、与环境协调发展，以及材料与设计、工艺紧密结合 等成为材料研究领域的热点【5 】。 1 2 国内外汽车轻质材料的应用现状及趋势 1 2 1 高强度钢 近几年，高强度钢逐渐成为汽车工业中发展最快的金属轻质材料之一，在 汽车上的应用比例不断增加，已成为颇具竞争力的汽车轻量化材料，它在抗碰 撞性能、耐蚀性能和成本方面较其它材料仍具有较大的优势。最新的应用情况 表n y j t 6 1 ，有些铝合金、镁合金零件，如保险杠、车轮、骨架、前门、后门、横梁 等，又转而采用高强度钢。安全法规是推动高强度钢应用的重要动力，为满足 更为严格的安全法规要求( 如侧面碰撞) ，各大汽车公司均加快了高强度钢在汽 车车身、底盘、悬架和转向系零件上的应用，高强度钢在汽车中的应用逐年增 加。 采用高强度钢，首先能改善汽车的安全和碰撞性能，现代汽车必须满足政 府规定的各部分乘用空间的安全性，尤其是正面碰撞和侧面碰撞的要求，虽然 采用更大的质量和安装更多的安全装置( 如a b s ，安全气囊等) 也可使汽车更加安 全，但与降低燃油消耗和排放相悖。采用高强度钢板，既可减少汽车质量，在 降低燃油消耗的同时降低排放，又可提高汽车的安全性。为强化竞争能力，包 2 武汉理工大学硕士学位论文 括提高汽车的性能与使用户更为满意( 车辆操纵、制动、噪音等) ，并使汽车制 造成本下降，就必然导致高强度钢的应用【7 1 。 上世纪8 0 年代，重庆汽车研究所就开展了双相钢研究；一汽轿车、奇瑞汽 车公司也在轿车车身上进行了高强度钢板的初步应用试验。中国奇瑞汽车公司 与宝钢合作，2 0 0 1 年在试制样车上使用的高强度钢板用量2 6 2 k g ，占车身钢板 用量的4 6 ，对减重和改进车身性能起到了良好的作用。吉利车身也大量采用 了高强度钢板、激光拼焊和液压成形等技术，其中吉利金刚4 8 个零件改用高 强度钢。同时，在新开发车型中，高强度钢板在车身中的重量已占3 0 以上， 预计0 9 年要超过5 0 ，保证车身强度及碰撞要求。据悉，吉利汽车目前已经实 现了汽车减重1 0 - 1 4 的初期目标，2 0 0 8 年吉利汽车轻量化的目标是1 3 , - - - 1 6 。 东风汽车公司在减轻东风商用汽车自重，提高有效载重量方面已经取得了一定 成果，目前已经采用含磷钢进行车身零件的试生产，如后围外板、后围内板、 地板、后下横梁、前围隔板、门外板、挡泥板等零件。 2 0 0 8 年1 月初，由中国汽车工程学会、中国第一汽车集团公司、东风汽车 公司、吉林大学、宝山钢铁股份有限公司、西南铝业等1 2 家相关企业及科研机 构共同组成了产、学、研一体的汽车轻量化技术创新战略联盟。汽车轻量化联 盟的1 2 个成员单位将获国家拨款1 亿元、企业自筹5 亿元的资金保障，联盟将 围绕汽车轻量化共性关键技术开展攻关，在2 0 0 8 年到2 0 1 0 年之间完成设计新 型轻量化材料、轻量化材料先进成型技术等3 个专题共l o 个课题的工作，实现 轿车减轻自重8 - - 1 0 的目标。汽车工业共性关键核心技术的缺失，是制约我国 汽车创新发展的瓶颈。轻量化技术是一项基础的共性技术，汽车轻量化技术创 新战略联盟的出现，对于提升我国汽车行业的自主研发能力和国际竞争力，有 着里程碑式的重要意义。 国内先进高强度钢板的生产和使用相对于国外落后，在热轧先进高强度钢 板方面，宝钢、武钢、鞍钢可生产一些低级别的双相钢：冷轧先进高强度钢板 方面，宝钢可生产一部分。我国已成功开发了抗拉强度分别为5 4 0 、5 9 0 和6 4 0 m p a 等级别的d p 钢，但是产量很低，大批量工业生产及应用则还未见报道，在汽车 中的应用范围有待进一步扩大【8 l 。总体而言，先进高强度钢板在国内多处在研发 阶段。 总之，我国汽车工业在应用高强度钢上存在以下亟待解决问题，自主开发 能力不足，新产品的开发与生产主要依靠引进技术与装备；品种少，没有形成 完整的产品系列，不能完全满足国内汽车工业的需求，以致目前有部分汽车薄 武汉理工大学硕士学位论文 板需从国外进口；大部分企业产品质量水平与国外存在较大差距。 表1 - 1 9 1 显示在过去的1 0 多年中，国际上针对汽车轻量化开展的一些代表 性研究项目及其实现轻量化的技术路线。 表1 - 1近年来国际上的主要汽车轻量化项目 序号项目名称轻量化目标技术路线 组织方 1p n g v3 0 多材料美国钢铁协会 2 l i g h t - c a r 4 0 多材料欧洲钢铁协会 3h l4 0铝 国际铝协会 4u l s a b a v c2 0 钢国际钢铁协会 5a b c3 0 钢阿赛洛钢厂 6n s c2 0 钢蒂森钢厂 美国p n g v ( p a r t n e r s h i pf o ran e w g e n e r a t i o no f v e h i c l e s ) 计划也称为“新一 代汽车合作计划是由美国联邦政府与3 大汽车公司联合实施的一个政府与企业 相结合的研究计划。其重要技术经济指标有：提高燃料效率3 倍( 以1 9 9 9 年技术 水平计算) ；大大降低排放污染物；提高汽车用材的可回收率，由目前的7 5 提 高到8 0 9 6 ；采用新一代轻质材料，使汽车自身质量大大减轻：价格与现有价格相 当；满足已有的安全标准。北美开发的p n g v c l a s s 级轿车，其车身全部采用高 强度钢板，质量只有2 1 8 k g ，与全铝车身相当【1 0 1 。 由国际钢铁协会组织的汽车轻量化项目主要包括超轻车身( u l t r al i g h ts t e e l a u t ob o d y ) 简称( u l s a b ) 、超轻覆盖件( u l s a c ) 、超轻悬挂件( u l s a s ) 和在此 基础上的超轻概念车项目( u l s a b a v c ) 0 1 。整个项目于1 9 9 4 年开始，至1 j 2 0 0 2 年结束。1 9 9 4 年，国际钢铁协会成立了由1 8 个国家的3 5 家钢铁公司组成的u l s a b 项目组，目的是在不增加成本的情况下，维持车身功能与抗冲击安全性的同时， 减轻车身重量，进行从车型设计到试制、评价等系列工作。其主要研究成果有 车身结构比同类车平均减重2 5 ，车身抗弯和抗扭强度比同类车提高5 2 和8 0 ， 车身造价比同类车降低1 5 ，可达到欧洲新车评估程序的五星级要求【l2 1 。 与u l s a b 相关的u l s a c 项目的研究成果有采用无框架车门结构；采用高强度 钢板制造车门外板，其厚度为0 6 m m 、0 7 m m ；用高强度钢制造车门杆件，其厚 度为1 0 m m ，采用双相钢d p ( 6 5 0 8 4 0 m p a ) 。 与u l s a b 相关的u l s a s 项目包括两个阶段，第一阶段对美洲、欧洲和亚洲 4 武汉理工大学硕士学位论文 车辆进行检测，并分别在美国和欧洲进行道路试验，对其设计、质量、性能、 成本和制造技术进行评价，标准参考车型根据尺寸分为b 级、c 级、d 级、豪华的 e 级以及美国p n g v 原型5 类；第二阶段为设计阶段，包括5 种悬架系统的设计。 u l s a s 的研究成果如下【1 3 j ： a t w i s tb e a m 悬架系统减小质量3 2 。 b s t r u t l i i l l ( 悬架系统减小质量2 5 。 c d o u b l e w i s h b o n e 悬架系统减小质量1 7 。 d m u l t l i n k 悬架系统减小质量3 。 e l o t u s 悬架系统减小质量3 4 。 在此基础上，1 9 9 8 年3 月钢铁企业又开始在全球实施u l s a b - a v c 计划，即先 进的汽车概念项目( a d v a n c e dv e h i c l ec o n c e p t ) ，该项目从整体上研究开发新一 代钢铁材料汽车结构( 车身、覆盖件与悬挂件等) ，详见表1 - 2 1 4 】，该车达到了 2 0 0 4 年美国和欧洲的五星级碰撞标准，生产成本约为9 2 0 0 - - - , 1 0 2 0 0 美元，可被普 通家庭接受。于是从2 0 0 4 年起，欧盟各国、美国、日本各大汽车公司所开发的 新款汽车无不部分或全部地采用u l s a b a v c 这一新技术。 表卜2u l s a b a v c 项目的主要成果 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 2 有色金属 目前，用于汽车配件上的有色金属一般有电解铜、锌合金、铝合金、镁合 金及钛合金等，其中铝合金和镁合金是汽车配件轻量化的主要研究方向。 铝在汽车中的应用范围将进一步扩大，并将成为仅次于钢的第二大汽车材 料。铝是一种很好的车用材料，质量只及钢的1 3 ，回收简便，是钢铁以外能最 大限度回收利用的材料，几乎9 0 9 6 的汽车用铝可以回收并循环利用。 对于车身系统、底盘和动力总成系统，可以采用铸造和挤压成型技术应用 铝合金材料。铸造铝合金目前大约占汽车用铝8 0 。可用铝合金替代钢材的汽车 部件有发动机缸体、铝合金车轮、悬挂系统零件、车身、热交换器等。铝代替 传统的钢铁制造汽车零部件，可使整车重量减轻3 0 ，- - - 5 0 。在p n g v 的进度计划 中，用于车身的铝结构设计有几种方案，可减小质量达5 5 ，并可以投入批量生 产。 通用汽车公司在凯迪拉克的悬挂系统使用了铝合金部件，还加大了悬挂系 统转向节的制造中以铝替代铸铁的规模。福特公司使用了铝合金的制动盘，该 制动盘质量仅为2 2 7 k g ，为原铸铁盘的1 3 。克莱斯勒公司的n e o d l i t e 车底盘由 于使用了大量的铝合金部件，质量减轻了许多，如转向机万向节质量降低3 k g ， 下控制臂降低2 6 k g ，转向机壳降低1 3 6 k g ，转向轴降低1 9 k g 等【1 5 l 。 镁是最轻的金属结构材料之一，质量仅为钢的1 4 、铝的2 3 。镁是比铝更 轻的金属材料，它可在铝减轻质量基础上再减轻1 5 - - - 2 0 ，在汽车工业上的应 用正在扩大。主要采取模铸成型技术其高温合金适合于制造自动变速器壳体和 发动机机体。价格则大大高于常规材料，成本和其他技术因素在一定程度上限 制了其应用范围。总体来说，镁应用呈现快速增长趋势，但近期内在汽车中所 占的比例预计不会超过1 。在轻量化的驱动下，自1 9 9 0 年以来，镁在汽车中的 应用就一直处于快速增长阶段。尽管目前全球每辆汽车镁合金的平均用量不到 3 k g ，但是汽车用镁正以年均增长2 0 9 6 的速度迅速发展，镁合金的开发与应用已 成为汽车材料技术发展的一个重要方向。 1 2 3 非金属材料 塑料最先使用在汽车的内饰和外饰件上，如仪表板、侧围内衬板、车门防 撞条、扶手、车窗散热器罩等，为汽车饰件的软饰化、高档化、舒适化起到了 一定的作用。近年来，塑料在车身板和发动机周围的零部件上的使用量在不断 6 武汉理工大学硕士学位论文 增大，约占车身质量的1 0 - - - 1 5 ，尤以欧美的汽车制造商采用为多。如，奔驰 的s m a r t 轿车车身覆盖件采用了具有本色的可随时更换的塑料覆盖件，倍受市场 关注，雷诺的e s p a c e 和莲花的e l i s e 轿车也采用塑料车身；戴克公司1 9 9 8 年推出 的c c v 概念车采用四块热塑车身板，加上板材连接件，白色的车身板总质量 9 5 k g ，开创了全热塑车身的里程碑【l6 。 泡沫材料是一种应用日益普及的汽车轻量化材料，分为非金属泡沫材料( 如 泡沫塑料) 和金属泡沫材料( 如泡沫铝) 两大类。泡沫材料是一种具有复合功 能的材料，它不仅可减轻零部件的质量，而且还可以提高其刚度与抗压陷性能、 减振、降噪、隔热、吸收较高的冲击能量。其应用方式通常有如下两种，一是 作为中间夹层材料与两侧金属板材组合在一起，构成所谓复合板，这种复合板 的外板一般为碳钢板或铝板，最近又出现了不锈钢板。最近的研究表明，复合 板在承载零件的应用方面同样具有广阔的前景。二是作为填充材料( 即所谓“结 构泡沫) 直接填入零部件中那些需要加强的部位，常用作结构泡沫基材的有 聚氨酯、环氧树脂和尼龙玻璃纤维复合材料等，结构泡沫材料作为加强内衬用 于轿车车身骨架中的各类构件，可显著提高车身的刚度与车辆的抗碰撞性能。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题主要就高强度钢板在汽车轻量化中的应用展开研究，要解决采用高 强度钢板后零件厚度减小的同时能够满足基本性能要求的问题，前人已经做了 大量的研究，也取得了很大的成就，本课题将在此基础上展开以下几方面的研 究： ( 1 ) 本文着眼于汽车用轻质材料的轻量化，根据汽车车身结构轻量化研究的 特点，系统分析用于汽车轻量化的各种材料，比较它们的特点的和各种材料优 缺点。 ( 2 ) 选取某重型货车驾驶室地板作为轻量化的研究对象，建立地板的有限元 模型，对地板的静态刚度和强度进行分析计算，然后将地板主要零部件的材料 由普通钢板替换为高强度钢板，并相应的减小板厚，通过分析证明在满足相同 性能的条件下，高强度钢板能够减小厚度，达到轻量化的目的。 ( 3 ) 将上述地板主要零部件的材料由高强度钢板替换为铝合金材料，相应的 调整板厚，在满足弯曲刚度相同的条件下，计算分析地板两种工况下的强度并 将高强度钢板和铝合金材料的两种轻量化方案进行比较。 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 总结全文，得出结论。 拟解决的关键问题： ( 1 ) 高强度钢板在轻量化推广应用的必要性条件，重点分析高强度钢板的优 劣势，充分发挥它在轻量化应用中的优势，是本课题解决的关键问题之一。 ( 2 ) 与铝合金材料相比，采用高强度钢板后，汽车的性价比明显提高。 武汉理工大学硕七学位论文 第2 章车身结构分析的有限元理论 2 1 有限元法基本理论 有限元是力学、计算方法和计算机技术相结合的产物，它有自己的理论基 础和解题方法。由于有限元在解决工程技术问题时的灵活、快速及有效性，发 展非常迅速，最初有限元方法被用来研究飞机结构中的应力问题，目前，其解 题范围己经包括了各个领域( 固体力学、生物力学、流体场、电磁场、温度场、 声场) 的数理方程；其计算机程序几乎能求解数理方程中的各类问题。它已成 为解数理方程的一种通用的数值计算方法。通过有限元法的计算，不仅能够预 测车身结构的轻量化潜力，还可方便地对车身结构的刚度进行优化设计，并且 充分证明车身结构存在既能减轻质量又能提高刚度的可能性。 2 1 1 有限元法的基本思想 有限元方法也叫“有限单元法或“有限元素法 ，英文是“f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ”。这种方法最初起源于结构分析，由结构力学的位移法发展 而来，其基本思想可以概括为“先分后合 或“化整为零又积零为整 。 首先，假想把连续系统( 包括杆系、连续体、连续介质) 分割成数目有限的 单元，单元之间只有数目有限的指定点( 称为节点) 处相互连接，构成一个单元 集合体来代替原来的连续系统。在节点上引进等效载荷，代替实际作用于系统 上的外载荷。其次，对于每个单元根据分块近似的思想，选择一个比较简单的 函数，近似表达单元的物理量，如单元的应力或位移，并按弹塑理论中的变分 原理建立单元节点力和位移之间的关系。最后，把所有单元的这种特性关系集 合起来，就得到一组以节点位移为未知量的代数方程组，由这个方程组就可以 求出物体上有限个离散节点上的位移分量。有限元法实质上就是把具有无限个 自由度的连续系统，理想化为只有有限个自由度的单元集合体，使问题简化为 适合于数值解法的结构型问题【1 7 】。 2 1 2 有限元法的分析过程 有限元法的分析过程，概括起来可以分为以下四个步骤： 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 结构的离散化 结构的离散化是有限元分析的第一步，它是有限单元法的基础。所谓离散 化过程就是将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元 组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。单元划分必须有效地逼近实际的 连续体，就需要考虑选择单元的形状、确定单元的数目和确定划分方案等问题。 在结构分析中，常用的单元包括梁单元、杆单元、三角形板单元、四边形板单 元、壳单元、四面体单元、六面体单元、管单元等。这些单元的节点数和节点 自由度各不相同。 结构离散化后，求解的问题就转变为求有限个自由度下的节点位移。显然， 单元越小( 网络越细) 则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算 量及误差都将增大，因此必须两方面兼顾，在满足计算精度的要求下，尽可能 使单元数少。求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。本课题选用的网格 单元是壳单元。 ( 2 ) 单元分析 在结构的离散化完成后，就可以对典型单元进行特征分析。单元分析的主 要目的是建立单元刚度矩阵k r ，根据刚度矩阵便可进一步得出节点力和节点 位移的关系。单元刚度方程的矩阵形式为： ，) 2 = 【k 】。8 ( 2 1 ) 式中， f 1 。一单元节点力矩阵； f k l 。一单元刚度矩阵； f 万 。一单元节点位移矩阵。 由此可见，单元刚度矩阵反映了节点力与单元节点位移之间的关系。下面 简要叙述单元刚度矩阵建立的具体过程。 位移模式的选择 在分析连续体问题时，为了能用节点位移表示单元体的位移、应变和应力， 就必须对单元中位移的分布作出一定的假设，也就是假定位移是坐标的某种简 单的函数，这种函数称为位移模式或位移函数。 位移函数的适当选择是有限元分析中的关键。在有限元法应用中普遍选择 多项式作为位移模式。其原因是因为多项式的数学运算( 微分和积分) 比较方便， 并且从所有光滑函数的局部来看都可以用多项式逼近，即所谓不完全的泰勒级 数。至于多项式项数和阶次的选择则要考虑到单元的自由度和有关解的收敛性 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 要求。一般说来，多项式的项数应等于单元的自由度数，它的阶次应包含常数 项和线性项，即单元位移函数是连续的，并且包括刚性位移项和常应变项。 根据所选定的位移模式，就可以导出单元内任一点位移与节点位移的关系 式，其矩阵形式是： m = 】 万) e ( 2 2 ) 式中， 甜卜一单元内任一点的位移列阵； 1 一形函数矩阵，它的元素是位置坐标的函数； 万 8 一单元的节点位移矩阵。 单元力学特性的分析 位移模式选定以后，就可以进行单元力学特性的分析。它包括下面三部分 内容： 由节点位移求应变 利用几何方程，由位移表达式( 2 2 ) 导出用节点位移表示单元应变的关式： = 【b i a 8 ( 2 - 3 ) 式中， 占) - 一单元内任一点的应变列阵； b 】一单元应变矩阵。 由应变求应力 利用物理方程，由应变表达式( 2 3 ) 导出用节点位移表示单元应力的关式： 仃) = d b 】8 ( 2 4 ) 式中， 仃卜一单元内任一点的应力列阵； d 1 一与单元材料有关的弹性矩阵。 由应力求节点 利用虚功原理建立作用于单元上的节点力和节点位移之间的关系式，即单 元的刚度方程： ，) 。= k 】。 万 其中k 1 8 的表达式为 【圈。= 1 0 lj r l r 【d 】【捌蚴 2 5 式中，q 。为单元体积域 上式的积分应遍及整个单元的体积。 ( 3 ) 整体分析 武汉理工大学硕士学位论文 即集合所有单元的刚度方程，建立整个结构的平衡方程。 集合的过程包括两个方面的内容。一是由各个单元的刚度矩阵集合成整个 物体的整体刚度矩阵；二是将作用于各单元的等效节点力列阵集合成总的载荷 列阵。 整个结构的平衡方程为： f ) = 【k ) ( 2 6 ) 式中，f f 卜吨荷列阵； k 1 一整体刚度矩阵； f 万卜一整个物体的节点位移列阵。 这些方程还应在考虑了几何边界条件作适当的修改之后，才能够解出所有 的未知节点位移。 ( 4 ) 求解计算 引进边界约束条件，修正总刚度方程，求节点位移。这将归结于求解一个 大型联立线性方程组。线性代数方程组的解法可以分为直接法和迭代法两大类。 求解大型联立代数方程组的方法很多，求解的时间占据了整个有限元计算时间 的大部分。 由于直接法算法简单方便，系数矩阵的消元或分解只需进行一次，特别适 合于求解多组载荷的情况，随着计算机性能的不断提高，直接法仍是首选的解 法。而迭代算法通用性差，使用不当，可能会出现迭代收敛很慢，甚至不收敛， 只适合于求解大型和超大型方程组。 选定求解算法后，求解平衡方程组( 2 - 6 ) 获得未知位移。然后，再利用公式 ( 2 - 3 ) 和( 2 - 4 ) 已求出的节点位移来计算各单元的应变及应力，并加以整理得出 所要求的结果。 从使用有限元程序的角度看，有限元分析可分为三个步骤，即有限元分析 的前处理、有限元分析的计算和有限元分析的后处理。图2 - i 为有限元法进行 结构分析的一般流程【1 8 】。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 1 采用有限元法进行结构分析的一般流程 2 2 作用在车身上的载荷 汽车在不平道路上行驶时所激起的振动，都带有随机性质。因此，汽车的 车身承受的是随机载荷，该载荷会导致汽车结构产生疲劳损坏。载荷大小及其 特性与路面情况、使用条件和汽车的结构参数等各种因素均有密切关系，故确 定车身所承受的载荷是一项相当复杂的工作。根据不同的计算工况确定载荷， 是保证有限元分析结果反映工程结构实际情况的前提。由于计算上的需要，载 荷可以按不同的方法分类【l 9 1 。 根据载荷在结构上的分布情况，可以分为以下两种： ( 1 ) 集中载荷 当外载荷作用在结构上的区域很小时，可认为这种载荷是集中载荷，如发 动机、油箱、转向系统、轮胎等的重量都是以集中载荷的形式作用在底架上的。 ( 2 ) 分布载荷 武汉理工大学硕士学位论文 如果作用在结构上的载荷，其位置是连续变化的，即载荷作用在一定面积 或长度上，称其为分布载荷。当分布载荷的集度是均匀的，则为均布载荷。结 构的自重、由质量引起的惯性力等，通常都作为分布载荷。 根据载荷作用随时间变化的情况，可以分为以下两类： ( 1 ) 静载荷 当载荷的大小、方向和作用点不随时间变化时，称为静载荷或固定载荷， 如结构自重。 ( 2 ) 动载荷 当载荷的大小、方向和作用点随时间变化时，称为动载荷，其中如仅仅是 载荷的作用点随时间而变化时，又常称为移动载荷。动载荷作用在结构上时一 般都是一个过程，如汽车在正常行驶过程中突然制动，在制动过程中，汽车结 构将承受很复杂的动载荷，其大小与变化情况不仅与施加的载荷本身有关，而 且与承受载荷的结构刚度有关。 2 3 有限元分析软件介绍 自2 0 世纪7 0 年代后期，我国陆续的引入n a s t r a n 、a n s y s 等大、中型著名 的有限元软件数十种。当前，在我国工程界比较流行，被广泛使用的大型有限 元分析软件有m s c n a s t r a n 、a n s y s 、a b a q u s 、m a r c 、h y p e r w o r k s 等，无论使用 何种软件，有限元方法的实施过程都是由前处理、分析计算和后处理三个部分 组成。 2 3 1h y p e r m e s h 简介 h y p e r m e s h 是美国a l t a i r 公司的h y p e r w o r k s 软件中提供的前处理工具。 它集成了设计与分析所需的各种工具，具有无与伦比的性能以及高度的开放性、 灵活性和友好的用户界面。在c a e 领域，h y p e r m e s h 最著名的特点是它所具有的 强大的有限元网格前处理功能和后处理功能。一般来说，c a e 分析工程师8 0 的 时间都花费在了有限元模型的建立和修改上，而真正的分析求解时间是消耗在 计算机工作站上的，所以采用一个功能强大，使用方便灵活，并能够与众多c a d 系统和有限元求解器进行方便的数据交换的有限元前后处理工具，对于提高有 限元分析工作的质量和效率具有十分重要的意义。 h y p e r m e s h 是一个高性能的有限元前后处理器，它能让c a e 分析工程师在高 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 度交互及可视化的环境下进行仿真分析工作。与其他的有限元前后处理器比较， h y p e r