（车辆工程专业论文）压铸铝合金车门设计与性能有限元仿真计算研究.pdf

，l a p p l i c a t i o nf ， 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明，本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 毖舛 日期：加矽年j ，月1 2 _ 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，雇_ 年解密后适用本授权书。 2 不保密翻。 ( 请在以上相应方框内打”) 作者签名： 导师签名； 弦纫年，月，z 日 加年j 乒月 ，日 芨阁义劁 a r t 程硕士学位论文 摘要 本文以作者亲自参与的“中国高水平汽车自主创新能力建设 项目( 简称中气项 目) 为为课题实践平台，结合从业多年的车身结构设计经验、行业发展动态及新技术、 新材料等进行整理和研究，并以中气项目中的轿车前门子系统为实施对象，对其进行 全新的结构设计及性能验证。本课题意图通过对车门子系统的应用材料和工艺进行替 换，以达到车身轻量化和提升零部件性能的目的。 本文的主要进行了以下研究： ( 1 ) 铝合金材料特性与成型工艺的整理，车门零部件替换材料与其制造工艺的 甑选。 ( 2 ) 对车门的造型进行人机工程及法规、结构设计及制造可行性校核。 ( 3 ) 以典型断面的方式进行车门结构方案的抽象表述，并完成铝合金车门结构 的三维数据模型。 ( 4 ) 在铝合金车门三维模型的基础上，建立符合铝合金车门结构特色的刚度有 限元分析模型，并详细论述了模型建立过程中的建模的方法。 ( 5 ) 分析铝合金车门的各个刚度性能，针对分析结果进行结构方案的优化和改 进。 本文是对工程中压铸件车门设计过程的详细的论述，在与普通车门的结构设计 差别方面也进行了大量的说明，在结构设计的基础上面运用有限元分析的方法验证车 门刚度性能，保证了设计的可靠性和工程的实用性，大大缩短了设计的周期，提高了 研发效率。对铝合金压铸车身的工程应用有一定的指导意义。 关键词：车门；铝合金压铸件；有限元；刚度；优化 i i 刊 、 压铸铝合金车门设计方法与性能有限元仿真计算研究 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r , t h es u b s y s t e mo ft h ef r o n td o o ro fac a ri n ”i n d e p e n d e n t i n n o v a t i o nc a p a b i l i t yo fc h i n e s eh i g h - l e v e lc a rc o n s t r u c t i o n ”p r o je c t si ss t u d i e d i t sn e w d e s i g na n dp e r f o r m a n c ea r ev e r i f i e d t h i sp r o je c ta p p l i c a t i o ni si n t e n d e dt or e p l a c et h e door s u b s y s t e mm a t e r i a l sa n dp r o c e s s e s ，i no r d e rt oa c h i e v el i g h tw e i g h ta n de n h a n c e ， b o d yp a r t sp e r f o r m a n c ep u r p o s e s t h em a i ns t u d i e so ft h i sp a p e ra r ed e s c r i b e da sf o l l o w s ： ( 1 ) c o n s o l i d a t i n ga l u m i n u mm a t e r i a lp r o p e r t i e sa n df o r m i n gp r o c e s s ，r e p l a c i n gd o o r p a n sm a t e r i a la n ds e l e c t i n gi t sm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ( 2 ) c h e c k i n gt h ef e a s i b i l i t yo f t h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r i n go nd o o r sa n ds h a p ef o r e r g o n o m i c sr e g u l a t i o n s ( 3 ) r e p r e s e n t i n gt h ed o o rs t r u c t u r es c h e m e 谢t hat y p i c a lc r o s s - s e c t i o ns t r u c t u r ea n d c o m p l e t i n gt h et h r e e d i m e n s i o n a ld a t am o d e lo ft h ea l u m i n u md o o rs t r u c t u r e ( 4 ) o nt h eb a s i so ft h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lo ft h ea l u m i n u md o o r ，e s t a b l i s h i n gt h e s t i f f n e s sf i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ea l u m i n u md o o rs t r u c t u r e ，a n dd e s c r i b i n gt h ep r o c e s s o fm o d e l i n gm e t h o d si nd e t m l ( 5 ) a n a l y z i n ga l la l u m i n u md o o r s s t i f f n e s s e sa n do p t i m i z i n gt h ed o o rs t r u c t u r e s c h e m ea c c o r d i n gt ot h er e s u l t s t h i sp a p e ri sap r o je c to fc a s t i n gt h ed o o rd e s i g n p r o c e s si nd e t a i l ，w i t ht h eg e n e r a l d e s i g no ft h ed o o ra l s oc o n s i d e r a b l ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h ea b o v ed e s c r i p t i o no ft h eb a s i s o ft h ea b o v ei nt h es t r u c t u r a ld e s i g nu s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i su s e dt ov e r i f yt h e s t i f f n e s so ft h ed o o rt oe n s u r et h ed e s i g nr e l i a b i l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t yo ft h ep r o je c t ， g r e a t l yr e d u c i n gt h ed e s i g nc y c l e ，i m p r o v ed e v e l o p m e n te f f i c i e n c y a f t e rc a s t i n go nt h e p r o je c td e s i g nh a ss o m es i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：d o o r ；a l u m i n u m d i ec a s t i n g ；f e m ；s t i f f n e s s ；o p t i m i z a t i o n i i i ，r ， a r 工程硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明i 学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 附表索引v i i 第l 章绪论1 1 1 铝合金材料在车身中应用现状1 1 2 有限元方法在汽车性能计算中的应用现状2 1 3 本文的研究背景与意义4 第2 章铝合金车门的材料及制造工艺选择5 2 1 常见铝合金材料的特点及分类5 2 2 常见铝合金的成型工艺6 2 3 车门零件的铝合金材料选择7 2 4 本章小结9 第3 章铝质车门的结构设计1 0 3 1 车门造型的工程校核1 0 3 1 1 人机工程与法规校核1 0 3 1 2 结构设计、制造可行性校核1 0 3 2 铝合金车门结构方案定义1 2 3 2 1 典型断面结构设计的意义1 2 3 2 2 车门典型断面设计1 3 3 2 3 车门附件的模块化布置1 7 3 2 4 铝合金车门结构的方案差异化1 8 3 3 铝合金车门的三维数字模型构建2 0 3 3 1 现代车身设计的数据构建方式2 0 3 3 2 压铸门内板的模型构建2 0 3 3 3 模型构建可行性验证2 6 3 4 本章小结2 7 第4 章车门刚度有限元分析模型的建立2 8 4 1 有限元理论简介2 8 4 2 车门刚度有限元分析模型的建立3 3 4 2 1 数模的转换处理3 4 4 2 2 几何处理3 4 i v a ， 5 1 简述3 8 5 2 前门静刚度工况表述3 8 5 3 前门静刚度分析结果4 1 5 4 前门刚度优化一4 2 5 5 门的模态分析验证4 5 5 6 优化结果外板抗凹性能验证4 7 5 7 本章小结4 8 总结与展望4 9 致j 射5 4 v 1 工程硕士学位论文 插图索引 图3 1 水切断面图1 2 图3 2 车门典型断面定义图1 3 图3 3 车门s 1 断面示意图1 4 图3 4a 柱视野法规示意图一1 5 图3 5 车门s 4 断面示意图一1 6 图3 6 车门s 9 断面示意图1 7 图3 7 窗框的型材断面方案1 8 图3 8 窗框的装饰附件表述方案1 9 图3 9 车门初步简化模型2 2 图3 1 0 车门内板模型( 未分块前) 2 3 图3 1 1 压铸结构示意图。2 4 图3 12 压铸车门详细图。2 4 图3 1 3 车门内板最终三维数据模型2 6 图3 1 4 车门浇铸系统一2 6 图3 1 5 车门充型系统模拟2 7 图4 1c a e 分析常用流程3 0 图4 2 车门分析的几何模型3 4 图4 3 四边形单元四节点结构图3 5 图4 4 车门刚度有限元分析模型：3 7 图5 1 车门刚度分析工况示意图3 9 图5 2 考虑侧围变形时的垂直刚度分析。4 1 图5 3 考虑侧围变形时车门垂直刚度工况下a 柱变形4 3 图5 4 方案四补充说明图4 4 图5 5 方案七补充说明图4 4 图5 6 各种方案结构柱状图4 5 图5 7 门外板抗凹性分析点4 7 图5 8 门外板抗凹性结果曲线4 7 v i a 压铸铝合金车门设计方法与性能有限元仿真计算研究 附表索引 表2 1 各种铝合金材料特性表6 表2 2 某车型门系统零件材料8 表2 3 车门内外板及窗框材料9 表3 1 人机工程要求1o 表3 2 各断面名称1 3 表3 3 孔的铸造参数2 5 表4 1 车门有限元模型单元质量控制3 6 表4 2 车门刚度有限元模型3 7 表5 1车门刚度分析工况说明一4 0 表5 2 车门刚度分析结果采样点一4 0 表5 3车门刚度分析结果4 2 表5 4 车门刚度分析结果( 装配在侧围上) 4 2 表5 5车门刚度优化方案4 3 表5 6 各种方案计算结果4 5 表5 7 优化方案模态结果。4 6 v l i j 厂 t 程硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 铝合金材料在车身中应用现状 为响应国家节能减排，打造绿色低碳型经济的政策，整车的轻量化虽然是一 个老生常谈的话题，但却因为它与汽车工业三大课题( 环保、能源、安全) 有着 千丝万缕的联系，而再次成为行业的技术攻关热点。据统计，整车重量每减少1 0 0 公斤，油耗每百公里可降低0 4 - - - 1 0 升，整车重量减轻1 0 ，油耗最多可节省8 ； 国家发展改革委员会于2 0 0 4 年6 月1 日正式颁布并实施新汽车产业发展政策。 新的政策要求：在2 0 1 0 年前，上市的乘用车平均油耗比2 0 0 3 年车型的平均油耗 要降低超过1 5 。2 0 0 5 年，我国“十一五规划”出台，首次提出具体的环境目标： 到2 0 1 0 年国内生产总值能耗降低2 0 左右、主要污染物排放总量减少1 0 。这 个举措对于我国汽车行业的节能环保现状无疑是一个很大的挑战。北美、欧洲、 日本等汽车工业发达国家对汽车行业的发张提出了更高的要求，甚至对轿车工业 提出了，2 0 1 0 年轿车百公里油耗为3 升的能耗目标。所以汽车工业的轻量化话题 也将进入白热化的阶段。 新材料，新工艺的应用相对常规的结构优化，零件整合等车身轻量化手段来 说效果更为显著。汽车车身大约占整车重量的3 0 ，车身薄板件用铝合金代替钢 板可使车身重量降低约4 0 5 0 ；故车身采用铝合金材料可使整车重量降低 1 0 1 5 。可见车身采用铝合金材料减重效果十分显著。同时，铝蕴藏量大，回 收能耗低，循环再生后材料性能衰减不明显。铝合金的这些优点为车身轻量化领 域的应用提供了良好实用基础和市场前景。 目前，北美、欧洲及日本等著名汽车制造商都在新研发的车型大量采用用铝 合金材料。1 9 9 4 年3 月，奥迪在日内瓦车展上推出了第一款拥有世界上独一无二 的奥迪全铝车身框架结构( a l u m i n u ms p a c ef r a m e ，a s f ) 的豪华轿车a u d ia 8 。a s f 技术可以使整车减重5 0 ，而强度性能提升6 0 。2 0 0 3 年出现的新一代a u d ia 8 ， 车身大量采用激光焊和自创的自切削螺钉工艺，一举获得“欧洲最佳车身奖”。同年， 在福特汽车公司生产的纪念成立百周年车型f o r dg t 上，整车采用全铝质结构， 绝大部分车身外覆盖件的制造均采用超塑性成形技术。目前就欧洲而言，每辆轿 车的轻合金用量在1 2 0 公斤以上，约占整车重量的1 0 ，除车身外，在其他结构、 部位甚至出现了“以铝代钢 的趋势。当前汽车行业领域，汽车覆盖件材料用铝 合金或其他轻质板材代替钢板已经是大势所趋。 目前国内汽车行业车铝合金的使用量还比较少，约为国外先进水平的5 0 。 铝合金精密塑性成形工艺的零件就更少，不到先进水平的三分之一。目前，国内 汽车上用铝主要分布在发动机、热交换器、轮毂、自动变速器壳体、转向管柱等 压铸铝合金车门设计方法与性能有限元仿真计算研究 部件上。铝合金在车身上的应用还处于实验阶段。铝合金在车身上的应用与发达 国家相比还存在比较大的差距：专用铝合金材料比较少，材料性能无法满足使用 要求，关键设备和技术均需要进口。所以铝合金在中国汽车车身工业上还有美好 的使用前景，也还有更多的空白需要发掘和填补。 1 2 有限元方法在汽车性能计算中的应用现状 1 9 6 5 年“有限元”这个名词首次出现。它的核心理论是结构的离散化，也就是 将实际结构虚拟为有限数目的某种规则单元的组合体。经过半个世纪的发展，有 限元的理论和算法都已相当完善。通过对实际结构进行离散和分析可以得出它的 物理性能；分析结果结合具体的工程物理指标可以有针对性的给出优化方案，使 其满足实际工程需求。通过这样可以精准的解决很多实际工程难题。因此它在汽 车工业得了到十分广泛的应用。 对汽车结构进行限元方法分析是相当复杂和繁琐的，它主要包括从实际结构 的物理学模型抽象为有限元计算的数学模型、在计算机上的模拟实施，以及分析 计算之前数据的准备和之后大量信息数据的归纳整理等这样一个全过程，这个过 程最后获得的主要数据是：结构的应力分布、应变分布、结构的固有特性和动态 特性。利用这些数据就可以对所研究的结构进行分析。分析的目的包括： 在进行汽车的结构设计时，可以通过对可能的结构方案进行有限元方法计算。 根据对设计方案计算结果的分析和对比，结合强度、刚度和稳定性的等方面的要 求，优化设计方案。最终得到应力、应变分布和经济性都比较理想的解决方案。 当结构件在工作中发生故障如裂纹、断裂、磨损过大等情况时可应用有限元 方法进行计算，找到破坏或有潜在危险的区域和部位，研究结构破坏的原因，提 出结构改进方案，并再次进行相应的分析计算，如此反复多次直到找到合理的结 构方案为止。 研究表明，汽车的所有结构件都可应用有限元方法进行静态分析、固有特性 分析和动态分析。实际工程问题分析也有原来的静态分析为主转变为以模态分析 和动态分析为主。甚至根据实际工程结构的特点要求进行非线形分析。 c a e 技术可以在提高产品质量和建立产品开发能力方面，对汽车企业提供极 大帮助。a n s y s 是最早通过i s 0 9 0 0 1 质量认证的设计分析软件，其全面的分析 功能涉及结构、疲劳、热、流体、电磁场、碰撞、板金成形等汽车行业所需的各 种分析仿真功能，产品应用的深度、广度、解算结果的高精度及其图形界面的易 学易用，已经使之成为汽车产品开发必不可少的伙伴。国际上，在广泛应用a n s y s 进行产品开发的企业中，有限元分析已是设计流程中不可缺少的程序，没有通过 有限元分析的设计无法直接进入下一个技术流程。新车开发中的疲劳、寿命、振 动、噪声等强度和刚度问题，可以有效的在设计阶段得到预见和解决，大幅度提 2 工程硕上学位论文 高了设计质量，缩短了产品开发周期，降低产品研发成本。同时避免了产品投放 市场初期常常出现的质量问题而影响新产品的声誉。这就可以使得企业集中力量 于汽车的环保、节能和安全等现代汽车设计主题研究。可以说，没有c a e 应用， 则没有产品的高质量，没有c a e 则没有自主的产品开发能力。 c a e 分析是一个系统工程，需要要综合多个方面的物理因素；比如车身结构 可靠性和耐久性、整车的静态和动态特性、车身n v h 性能、车身密封性、结构 轻量化以及整车的动力特性等。车身结构疲劳有限元仿真技术己越来越完善，有 些已基本可以替代实车实验川。如美国工程技术合作公司( e t a 公司) 推出的虚 拟试验场技术( v p g ) ，分析对象不再是分开的各个零部件，而是包括车身有限元 模型、悬挂系统( 弹簧、减振器、动力控制臂) 、转向梯形机构、车轮轮胎等整车 非线性系统模型【2 。5 】。由于客观条件的限制，国内在车身结构疲劳方面的研究水平 还非常有限，主要侧重于理论研究和对局部零部件的分析【6 7 】，把车身整体作为 研究对象的还相对较少【& 9 1 。nj a l i l i t l 0 】等人通过建立包括乘客在内的六自由度半 车身有限元模型，并将悬架处理为e u l e r - b e m o u l l i 梁单元，研究了汽车行驶过程 中车身与独立悬架系统的振动及其相互影响。prm a r u r 1 1 】以一维梁单元理论为基 础研究了汽车薄壁结构的接头刚度和频率响应。夏国林等人【1 2 】进行了振动固有频 率对壳体厚度等结构参数的灵敏度分析，并选取灵敏部件进行了结构优化设计。 其优化结果表明，目标车身质量得到了更好的分布。清华大学的周长路等人【l 玉1 4 】 建立了某微型客车白车身结构的有限元模型，并提出了鉴别整体模态与局部模态 的方法。吉林大学的兰风崇等人【l5 j 探讨了基于有限元模型的承载车身覆盖件板厚 优化和灵敏度分析的方法。 而近年来对于上述车身结构的安全性、舒适性、疲劳耐久性等多方面问题的 系统研究更是国内外学者感兴趣的课题和研究发展的趋势。k i np o n gl 眦【l6 】通过 对前隔板的n v h 分析( 主要确定结构的自然频率) 和碰撞仿真分析( 包括结构的 正面和侧面碰撞安全性能) ，研究了材料替换和厚度更改对结构性能的影响； f a b i a nd u d d e c k t l 。7 】采用遗传算法对车身结构的多学科( 如碰撞和n v h ) 优化问题 进行了深入的研究。重庆大学的陈宗渝【l 列以某微型汽车为研究对象，对基于该微 型汽车白车身结构不同部位对白车身结构扭转、弯曲刚度、固有模态和正面碰撞 安全性能不同的影响方式和程度、以及不同的结构特征的仿真模型建模方法、边 界条件等进行了系统的研究；并提出了提高这种车身结构的正面碰撞被动安全性 的结构改进措施。东南大学的谢军【l 圳通过建立i v e c 0 4 0 1 0 轻型汽车的白车身整 车有限元模型，分别进行了整车的静态刚度、动态响应和随机振动谱分析并进行 相应的结构优化研究。此外，湖南大学【2 0 1 、上海交通大学【2 1 】等也在轿车车身的动 力学建模和分析、n v h 和疲劳以及碰撞安全性等方面作了有意义的研究和探索。 c a e 技术在这方面相关的研究非常多【2 玉3 0 】。 压铸铝合金车门设计方法与性能有限元仿真计算研究 国际上，一个公司的c a e 应用水平是证明其产品设计水平的一个重要指标。 美国三大汽车公司已经将c a e 结果作为验证产品合格的一项必要的依据，整车 设计开发过程更是大量采用计算机模拟分析技术，以提高设计质量，缩短开发周 期，并建立了完整的数字化样车。并要求其产品供应和服务商都必须具备c a e 分析的能力。 在国内汽车工业领域，一汽集团、东风公司、上汽公司、奇瑞公司、长安公 司、哈飞都引进c a e 应用软件，主要服务于引进的整车、车架、零部件产品国产 化及设计改型。2 0 0 2 年t o y o t ac a m r y 依赖c a e 技术：缩短1 0 个月开发周期、 减少2 0 的开发人员、降低3 0 的开发成本、减少6 5 的原型车制作。 1 3 本文的研究背景与意义 我国汽车工业的发展，走过了引进技术、合资生产及国产化工作之路。目前 国家的汽车产业政策已调整为积极鼓励各企业尽快形成自主开发能力，企业也深 感为适应汽车市场激烈竞争的需要，必须不断更新车型，开发品牌，才能设计制 造出适合顾客和市场需求的产品。 车门在整个汽车结构中，不论就重量还是就成本而言，都占有相当大的比重。 车门结构的合理与美观直接影响到整车，车门结构设计直接决定整车的安全性、 舒适性、美观性以及由车f - j 多 b 形与空气动力性能决定的操纵稳定性、动力性、经 济性等。 为此，借鉴先进国家的车门系统设计方法，努力提高车门自主开发能力已是 当前面临的一项重要任务。这就需要企业掌握现代汽车设计与试验方法，有效地 建立自己产品的特性资料库，迅速积累研发经验，增强竞争力。这对提高我国车 门设计水平，进而提高我国新车型的自主开发能力起到重要作用。在自主研发中， 以仿真技术为核心的仿真技术与试验技术相结合的手段是研究的重点。 2 0 0 8 年，本人有幸参加了由国家财政部、教育部、湖南省政府、长沙市政府 联合启动的“中国高水平汽车自主创新能力建设 项目( 简称中气项目) 。在参与该 项目期间，我深受项目自主创新主题的影响结合项目的工作内容进行了本文的研 究。 通过对本人从业多年所了解的知识、行业发展动态及新技术、材料等进行整 理和研究，并以轿车前门子系统为实施对象，对其进行全新的设计及性能验证。 设计过程中选用合适的铝合金材料和制造工艺，针对材料的性能和制造工艺的要 求进行车门结构的详细设计。本文注重的是如何进行材料、工艺选择及针对性的 结构设计和性能验证，希望为后续的正式工程应用起到穿针引线的作用。 4 工程硕士学位论文 第2 章铝合金车门的材料及制造工艺选择 2 1 常见铝合金材料的特点及分类 铝是地球上蕴藏量最多的金属元素，在根据功能需要制成铝合金后仍具有密 度小，比强度高，耐锈蚀，热稳定性好，塑性好易加工，可多次回收再生，而性 能变化不大，回收效率高，成本低等优点。但是车身使用铝合金也有一些缺点： 局部延伸率低，成型性能有待改善；冲压回弹补偿难以控制，尺寸精度不高；铝 合金相对钢材质地比较软，生产和运输过程中碰撞或粉尘附着等原因均容易导致 产品产生碰伤、划伤等零件表面缺陷；成型工艺多样化，但是多数制造成本还比 较高。以上的缺点给铝合金在车身上的应用设置了层层难题。随着科学技术的不 断发展，生产技术的不断提升，制造装备日益精良，铝合金在车身上的应用将越 来越广泛，一步步替代钢材的使用。 铝合金按加工方法可以分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。1 9 7 0 年1 2 月， 变形铝及铝合金国际牌号注册协议组织( 简称国际牌号注册组织) 对变形铝及铝 合金推荐制定了国际四位数字体系牌号命名方法。根据该体系的命名规则将变形 铝和铝合金分为9 大类。变形铝合金又分为不可热处理强化型和可热处理强化型 两种。不可热处理强化型铝合金只能通过冷加工变形来实现强化，不能通过热处 理来提高机械性能。主要包括纯铝( 1 x x x 系) ，铝锰系合金( 3 ( x 系) ，铝矽系 合金( 4 ( ) ( 系) ，铝镁系合金( 5 x x x 系) 等。可热处理强化型铝合金可以通过 淬火和时效等热处理手段来提升机械性能。它可分为硬铝、锻铝、超硬铝和特殊 铝合金等。铝铜镁系合金( 2 x x x 系，俗称硬铝) ，铝镁矽系合金( 6 x x x 系，俗 称锻铝) ，铝锌镁系合金( 7 x x x 系，俗称超硬铝) 等。 铸造铝合金具有与变形铝合金相同的合金体系和强化机理( 除应变强化外 ) 。铸造铝合金通常含有强化元素和足量的共晶型元素；共晶元素通常是硅元素， 能够使合金在熔融状态下有足够的流动性，便于填充铸件的收缩缝。所以铸造铝 合金于变形铝合金的主要差别在于：铸造铝合金中共晶型元素的含量超过绝多数 变形铝合金中硅的含量。 铸造铝合金按化学成分可分为铝硅合金，铝铜合金，铝镁合金和铝锌合金。 根据铸造是的压力状况又可以分为常规铸造和压力铸造。根据国标g b t 1 1 7 3 1 9 9 5 规定铸造铝合金代号由字母“z 、“l ”( 它们分别是“铸”、“铝”的汉 语拼音第一个字母) 及其后的三个阿拉伯数字组成。z l 后面第一个数字表示合金 系列，分别用数字1 、2 、3 、4 表示铝硅、铝铜、铝镁、铝锌系列合金，z l 后面 第二、三两个数字表示产品顺序号。常见的铸造铝合金牌号有z l l 0 1 ，z l l 0 2 ，z l 3 0 1 等。z l l 0 2 合金具有密度小、可塑性好、耐耐蚀、中等强度的特性，适合制造发 动机活塞、油底壳等有复杂结构但受力不大的零件。 表2 1 各种铝合金材料特性表 压铸铝合金的代号于铸造铝合金的代号基本一致，只是前面的两个字母变更 为“y l ”( “y ”、“l ”分别为“压”、“铝”的汉语拼音第一个字母) 。常见压铸铝 合金有y l l 0 2 ，y l l l 3 ，y l 3 0 2 等。y l l 0 2 具有较好的抗热裂性和气密性，一般 用于承受低负荷形状复杂的薄壁铸件，如仪表壳体，活塞等。y l l l 3 合金具有流 动性好，高耐磨性和低的热膨胀系数，主要用于发动机机体、刹车块、带轮等耐 磨零件。 2 2 常见铝合金的成型工艺 铝合金以其密度小、比强度和比刚度高、耐腐蚀、耐磨、良好的加工成型性 以及高的回收再生性等优良特性获得了汽车工业的青睐。铝合金在汽车工业被广 泛利用的同时，其成型工艺的选择在零件设计过程中也是备受关注。目前铝合金 6 工程硕士学位论文 在汽车工业内常用的成型工艺主要有三种：冲压、挤压和铸造。铝合金零件的冲 压艺方案与钢板的冲压工艺基本一致；由铝合金的材料差异原因引起的起皱、开 裂、回弹等问题均可以参照常规钢板冲压工艺解决。车身外板零件通常会采用冲 压工艺。铝合金的挤压成型工艺则是该材料的强项，具体工艺方案可以直接参考 常规的挤压工艺。挤压产生的铝合金型材具有截面复杂，壁厚可以根据需要变化， 结构稳定抗冲击能力强等特点。车架纵梁、窗框等受力要求较高的部件一般都采 用挤压成型。对于铝合金来说，铸造工艺较前两种工艺使用更成熟，目前大量运 用在发动机机体、轮毂、自动变速器壳体、转向管柱等部件的制造上。但普通铸 造的产品外形尺寸、表面质量、孔洞类欠铸等缺陷及生产效率低等问题严重的阻 碍的铝合金在汽车工业的前景。直到以压力铸造为代表的精密铸造工艺陆续被尝 试使用，铝合金材料的使用和开发才再上一个新的台阶。 压力铸造是将熔融或者半熔融状态的熔融合金浇入压铸机的压室。在压力机 高压的作用下，熔融合金以极高的速度充入压铸模的型腔内，并在高压状态下冷 却凝固成型的高效精密铸造方法，简称压铸。压力铸造最大的特点就是高压力和 高速度，也与其他铸造方法最根本的区别所在。压铸工艺生产主要有一下几个优 点： ( 1 ) 铸件的尺寸精度高、表面质量好。 ( 2 ) 铸件的表面硬度较高，整体强度好。 ( 3 ) 压铸可以生产外形较为复杂的薄壁零件。 ( 4 ) 可简化或省略装配操作或制造工序，生产率极高。基于以上高质高效适 应性广的优点，欧美车型的铝合金压铸零件已经日益增多；部分研发实力比较强 的工厂在其高端车型的车门内板这样的大型零件上也采用了铝合金压铸工艺。 压铸过程中合金熔液充型速度极快，型腔中的气体难以迅速完全排出，容易 导致铸件内部或者表面产生气孔；因此压铸件不便于热处理以免气孔内的空气膨 胀，影响质量与外观。压铸的高温激冷生产过程对铝合金材料限制比较多，另外 压铸的生产设备投入费用较高等这些暂时的难题阻碍了铝合金压铸在国内汽车工 业的普遍使用。随着铝合金压铸工艺的优点被大家认可，同步开发的用于压铸的 铝合金材料的品种也越来越多，用于生产的设备成本也有所降低，铝合金压铸件 也将迎来在汽车工业广泛使用的春天。 2 3 车门零件的铝合金材料选择 车门位于车辆乘员舱的两侧，基本的功用是方便乘员的上下车。在汽车工业 飞速发展的今天，车门不仅要顺畅开闭满足上下车的基本功能，还在整车的美观、 安全性和舒适性等方面扮演着重要角色。由于门系统的独立性好，制造工艺几乎 囊括了整车制造的所有工艺环节，比较典型。所以在整车研发过程中，车门本体 7 压铸铝合金车门设计方法与性能有限元仿真计算研究 及其附件通常作为整车的一个子系统来进行研究。正因如此车门子系统也通常成 为车身新技术，新材料的应用和推广载体。 车门主要包括车门本体和附件两部分。本体结构主要包括车门内外板、腰部 内外加强板、防撞梁和链接、锁具等附件的安装板。附件主要包括玻璃、玻璃升 降器、扬声器、锁具、密封胶等。对于汽车企业来讲，研发产品即要满足的是国 家法规，也要市场定位准确，还要求整车制造成本低。经过多年的市场推进，各 个汽车企业在整车轻量化方面获取了丰富的经验，兼顾轻量化过程中更换材料以 及更换材料所带来的附加成本，使之达到合理的低水平。所以材料的选择十分考 究。鉴于本文只是研究铝合金车门的设计方法及性能分析验证，本章节对钢板的 选择就不做详细描述。下表为某车型车门系统开发时拟定的主要零件板料明细， 为本文研究提供零部件材料的性能参考。 表2 2 某车型门系统零件材料 根据车门结构的特点，车门外板除满足基本强度、刚度外，还注重外观，抗 凹性等。由于外板形状比较简单，我们考虑仍采用传统的冲压工艺制造，所以重 点考虑延伸率，表面硬度、抗拉强度等，对比原钢板h 1 8 0 y d z f 9 0 的物理参数， 外板的铝合金材料选择6 0 1 6 。t 4 。6 0 1 6 的强度虽不能与2 x x x 系或7 x x x 系相比，但 其镁、硅合金特性多具有优良的加工性能，电镀、抗腐蚀和焊接性能良好；6 0 1 6 t 4 是指6 0 1 6 在固溶热处理后自然时效至基本稳定的状态的产品，其延伸率能够满足 外板的拉延要求，屈服强度与原选型钢板参数基本一致，硬度能够达到布氏9 5 h b ( 常规钢板硬度相当于1 6 0 h b ) 满足使用要求；由于抗拉强度偏低，需要通过适 当增加厚度来弥补。 针对铝合金压铸工艺的尺寸精度高、可以变厚度铸造等特点，可以考虑将内 板，窗框，各加强板等零件进行结构模块化。将大部分加强件以增加厚度或加强 结构的形式融入主体零件提升局部的强度、刚度性能，对原薄板结构进行局部补 强。窗框部位结构相对车门本体比较长、细，在压铸时难以达到快速充型和同步 冷却的效果，为提升制造效率和质量，考虑将窗框部分独立为一个零件。所以原 本的窗框，内板加强板等零件简化为内板和窗框两个零件。内板采用压铸工艺可 8 工程硕上学位论文 以预埋螺母或者铸孔攻丝，所以防撞梁可以考虑用螺钉固定在车门内板上，总装 操作较为简便。 目前在国内外压铸行业所广泛使用的压铸铝合金多为铝硅铜系合金，在日本 此类合金a d c l 0 和a d c l 2 用量约占全部压铸铝合金的9 5 以上，美国情况也大 致如此，a 3 8 0 、a 3 8 3 、a 3 8 4 的用量也达9 0 以上；这些年来国内也增强了这个 领域的材料研究，l y l l 3 和l y l l 7 的化学成份和性能与a d c l 2 基本样一致，成型 后结构的致密性，可加工性，表面光洁性，氧化保护层等均比较优秀。基于成本 考虑本文内板件选用l y l l 3 作为压铸材料，见表2 3 。 表2 3 车门内外板及窗框材料 2 4 本章小结 有针对性的对铝合金材料的性能和成型工艺进行整理，结合车门各个零件的 功能要求和结构特点选择适合该零件的铝合金材料以及成型工艺。对于力学要求 不高，外形简单但外观要求比较高的车门外板，仍旧采用冲压工艺，材料选择冲 压工艺好，硬度高的6 0 1 6 t 4 。对于车门内板、窗框等力学要求较高的结构复杂零 件选择铝合金配合压铸工艺进行设计。国际上早有日本的a d c l 2 以及美国的a 3 8 0 等优秀的压铸铝合金材料，国内近年也推出了成份接近a d c l 2 的新型压铸铝合金 材料l y l l 3 ，所以本课题最终选用了l y l l 3 作为复杂内板件及窗框的设计材料。 9 压铸铝合金车门设计方法与性能有限元仿真计算研究 第3 章铝质车门的结构设计 3 1 车门造型的工程校核 汽车结构设计是产品形成的前提，这方面的相关论著较多【3 1 。3 4 1 。汽车的工业 设计是指运用美学的观念，对产品的外形美感、功用及整体环境方面的设计活动。 它是能够增进产品的亲和力，凸显产品的市场定位及实用性的一种应用艺术。汽 车工业设计必须限制在汽车基础定义硬点的范围内，满足国家、行业相关法规， 造型符合产品定位的美感，实用及良好的可制造性。 汽车的工业造型团队和整车开发的其他团队之间都是交互式沟通的。整车造 型要通过其他团队反复对其进行法规、实用性、结构设计及制造可行性校核并返 回修改才能定稿。乘用车前车门涉及的工程校核大致如下i 3 1 1 人机工程与法规校核 整车开发之初，在定义硬点的同时基本确定整车的乘员布置；以初期版本的 驾驶员位置参数为参考，对整车造型进行人机工程和法规校核，并实时修正、调 整布置参数。其中前门主要涉及前视野，外后视镜( 外后视镜位于前门的状况) 视野和相关舒适性校核等，见表3 1 。 表3 1 人机工程要求 3 1 2 结构设计、制造可行性校核 整车的工业造型初步完成后，相关工程化部门将以造型为蓝本进行零部件分 割和初步的结构、工艺设计，以便确保造型能够被真实表达和功能能够正常实现。 前车门关于结构设计和制造的可行性校核内容主要有一下几个方面： 内外板的连接工艺 乘用车车门的内外板常规的连接工艺通常有三种：包边、螺栓连接和焊接。 1 0 工程硕士学位论文 其中9 0 以上的车型均采用包边工艺。本文内外板的连接也将沿用比较成熟的包 边工艺。包边工艺的实施要求车门外板的边界轮廓原则上不能出现拐角过大的突 变或翻转。边界出现拐角或者翻转均无法实施外板外沿翻边，而造成啮合缺失； 如果尺寸过大将会影响车门的密封质量。所以结构设计阶段首先要评估造型轮廓 是否能够被结构设计消化，满足包边的轮廓要求。 铰链结构的布置 根据车门结构初步拟定旋转中心线，进行车门的动态开闭模拟。要求开闭过 程中，车门及相关结构与车身不能有干涉情况，并保持一个最小安全距离。该距 离根据各个生产厂家的实际制造精度而定，通常设定为5 毫米。由于铰链的结构 比较简单，但是板材使用比较厚，模具开发费用比较高，所以各个汽车厂商通常 选择自己成熟的铰链结构。拟定铰链结构以后，就以铰链距离不小于旋转线到车 门锁舌距离三分之一的要求( 各个厂商标准略有不同) 布置铰链。结合人机工程 校核对前门提出的开启角度、内倾角、铰链位置反复修整造型表面、分缝线和旋 转中心线的位置使车门能够满足工程要求。 玻璃升降的可行性 首先，根据乘用车的定位档次和制造成本确定玻璃的曲面状况。升降玻璃的 曲面分为单曲面和双曲面两种；其中双曲面玻璃也称为鼓形玻璃，它的外形比较 灵活，对造型限制比较少；但是制造精度要求比较高，成本也较高。单曲面玻璃 也称为柱面玻璃，它的外形比较单一，对整车造型限制比较大；但制造难度相对 较低，成本也较低。本次课题研究车型为c 级乘用车，所以对造型要求比较高， 采用双曲玻璃。 其次，根据造型曲面拟定玻璃的虚拟旋转中心和玻璃的旋转母线。然后，拟 定车门玻璃的轮廓线( 包含玻璃导槽内的镶嵌部分和圆角等细节) ；再整体绕旋转 中心线进行模拟旋转，确定玻璃的升降幅度，以及升降