（机械制造及其自动化专业论文）基于cae的汽车发动机罩板材料轻量化研究.pdf

摘要 摘要 当前，节能、环保、安伞、舒适、智能和网络是汽车技术发展的总趋势， 尤其是节能和环保更是火系人类可持续发展的重人问题。艮i 此，降低燃汕消耗、 减少向大气排出c o ：有害气体及颗粒已成为世界各国汽车，一l ：业发展的晕要参考因 素。作为提高汽车的节能性和环保性、降低燃汕消耗及减少排放最有效的措施 之一，汽车轻量化已成为汽车产业发展巾的一项关键性研究课题。 当前汽车轻量化研究主要集中于以卜两个途径：一是改进汽车结构，使部 件薄擘化、中空化、小型化、复合化以及内饰、发动机和所有汽车零部件进行 结构和工艺改进等。二是采用轻节化的金属和非金属材料，t 卡要是指铝合金、 镁合金、高强度钢材、工程塑料、复合材料以及陶瓷等。 本文结合当前国内外汽车材料轻量化发展趋势，以发动机罩板为研究对象， 以壳体有限元理论为指导，从结构性能的角度，进行了基于c a e 的汽车发动机 罩板材料轻量化研究。文章探讨了发动机罩板c a e 仿真分析相关壳体有限0 理 论；根据发动机罩板的形状特征，建赢了五种上况作用下的发动机罩板c a e 模 型；分别选用了s t l 4 钢板、b h 3 4 0 高强度钢板和6 0 1 6 铝合金为发动机罩板材 料，其巾b h 3 4 0 高强度钢板和6 0 1 6 铝合金为发动机罩板的轻罩化替代材料，对 这三种材料的发动机罩板的抗弯、抗扭、抗凹性、局部受压和模态等结构性能 进行了c a e 仿真分析。分析采用s t i i 钢板材料发动机罩板结构c a e 仿真结果为 比较标准，将另外两种材料的发动机罩板结构c a e 仿真结果与之对比。最终对 比结果表明：在保证结构陀能不变的情况下，6 0 1 6 铝合金发动机罩板体现了较 好的轻量化特性；而b h 3 4 0 高强度钢板较s t l 4 钢板相比由于厚度减薄比例偏高， 虽然质量得到一定的减小，但结构性能也有较大的减弱，轻量化效果不是很明 显。 关键词：发动机罩板，轻量化，c a e 仿真，h y p e r m e s h ，a b a q u s a b s t r a c t a b s t r a c t c o n s e r v a t i o no fe n e r g v ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，s a f e t y , c o r n f o r t ，i n t e l l e c t u a l f a c u l t i e sa n dn e t w o r k i n ga r et h em a i nd e v e l o p m e n t 仃e n df o ra u t o m o t i v et e c h n o lo g y i nt h i s p r e s e n td a y , e s p e c i a ll yf o rc o n s e r v a t i o no fe n e r g ya n de n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o nw h i c ha r ek e yf a c t o r sf o r s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fh u m a nb e i n g h e n c e d e c r e a s eo i lc o n s u m p t i o na n dr e d u c ee m i s s i o no fc a r b o nd i o x i d ea n do t h e r h a r m f u lg a sh a v eb e e ni m p o r t a n td e t a i l sf o re v e r yc o u n t r yi nt h ew o r l dt ot a k eo v e r f o rt h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o t i v ei n d u s t r i a l s v e h i c l el i g h tw e i g h t i n gh a sb e e na n i m p o r t a n tr e s e a r c hw a yf o ri n c r e a s et h ea b i l i t yo fc o n s e r v a t i o no fe n e r g y , e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n d e c r e a s eo i lc o n s u m p t i o na n dr e d u c ee m i s s i o no fh a r m f u l g a sf o rv e h i c l e s t h er e s e a r c hf o rv e h i c l el i g h tw e i g h t i n gi sm a i n l yf o c u so nt w ow a y sc u r r e n t l y ： f i r s tw a y , i m p r o v et h es t r u c t u r eo ft h ev e h i c l e 。d e c r e a s et h et h i c k n e s so ft h e c o m p o n e n t s ，m i n i m i z et h es i z eo fv e h i c l e sp a r t s ，a n di m p r o v et h em a n u f a c t u r i n g p r o c e s sf o ri n t e r i o rt r i ma n de n g i n ee t c ：a n o t h e rw a y , u s el i g h tm a t e r i a li n s t e a do f t r a d i t i o n a lm a t e r i a lt od e c r e a s et h ew e i g h to fv e h i c l e s u c ha su s i n gn e wm a t e r i a l a l u m i n u ma l l o y , m a g n e s i u ma l l o y , h i g hs t r e n g t hs t e e l ，e n g i n e e r i n gp l a s t i c ，c o m p o s i t e m a t e r i a la n dc e r a m i c se t c t h i sp a p e rt o o kv e h i c l ee n g i n eh o o da sr e s e a r c ho b i e c t ，c o n d u c t e dh o o dm a t e r i a l l i g h tw e i g h t i n gr e s e a r c hb a s e do nc a et e c h n o l o g yi nt h ea n g l eo fh o o ds t r u c t u r e p e r f o r m a n c e t h es h e l l yf e a w a sa l s od i s c u s s e dw h i c hw a st h et h e o r e t i c a ls u p p o r to f c a es i m u l a t i o n e s t a b l i s h e df i v eh o o dc a em o d e la n a l y s i sc o n d i t i o n sa c c o r d i n gt o t h eh o o ds t y l i n gf e a t u r e s e l e c t e ds t l 4s t e e l ，b h 3 4 0h i g hs t r e n g t hs t e e l ，6 0 1 6 a l u m i n u ma l l o ya st h eh o o dm a t e r i a lr e s p e c t i v e l y t o o kb h 3 4 0h i g hs t r e n g t hs t e e l a n d6 016a l u m i n u ma l l o ya ss u b s t i t u t eli g h tw e i g h t i n gm a t e r i a lo fh o o d d i ds t r u c t u r e c a es i m u l a t i o nf o rh o o ds u c ha sb e n d i n gs t i f f n e s s ，t o r s i o ns t i f i n e s s d e n tr e s i s t a n t s t i f f n e s s p r e s s i n gr e s i s t a n ti n t e n s i o na n dm o d a ls t i f f n e s s t o o kt h es t 14s t e e lh o o d c a e a n a l y s i sr e s u l ta st h ec o m p a r i s o nr e f e r e n c e c o m p a r e dt h el i g h tw e i g h t i n gh o o d m a t e r i a lc a es i m u l a t i o nr e s u l tt ot h er e f e r e n c em e n t i o n e db e f o r e t h ef i n a lc o n t r a s t r e s u l td e m o n s t r a t e dt h a t6 0l6a l u m i n u ma l l o yw a sag o o ds u b s t i t u t el i g h tw e i g h t i n g h o o dm a t e r i a li nt h ei n s u r a n c eo ft h es t r u c t u r ec a p a b i l i t yp r e m i s e 。i nt h ec a s eo f b h 3 4 0h i g hs t r e n g t hs t e e lh o o d ，t h o u g hm a s sr e d u c e d ，t h es t r u c t u r ea b i l i t yw e a k e n e d b e c a u s eo ft h eh o o dt h i c k n e s sd e c r e a s e dt o om u c h t h el i g h tw e i g h t i n ge f f e c t i n c o n s p i c u o u s k e yw o r d s ：h o o d ，l i g h tw e i g h t i n g ，c a es i m u l a t i o n ，h y p e r m e s h ，a b a q u s i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济人学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的e i j ) 吊l j 本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名，猫科 沙舻乡归f7 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所旱交的学位论文，是本人在导师指导卜，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做山贡献的其他个人和集 体，均已存文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 彩狮 加j 怍弓月，7 日 第1 章绪论 1 1 汽车轻量化的意义 第1 章绪论 当前，节能、环保、安全、舒适、智能和网络是汽车技术发展的总趋势， 尤其是节能和环保更是关系人类可持续发展的重大问题。因此，降低燃油消耗、 减少向大气排出c o ：有害气体及颗粒已成为世界各国汽车工业发展的重要参考因 素。作为提高汽车的节能性和环保性、降低燃油消耗及减少排放最有效的措施 之一，汽车轻量化已成为汽车产业发展中的一项关键性研究课题。国内外研究 机构和专家学者对减轻汽车自重与降低燃油消耗之间的关系作了不少相应的对 比研究。通常而言，发动机的功率主要消耗在克服汽车行驶阻力上。汽车行驶 阻力由空气阻力、滚动阻力、加速阻力和爬坡阻力等组成。空气阻力主要与车 身的形状、迎风面积等有关，特别在高速行驶时关系更大，但它与整车的总质 量无关；而除空气阻力以外的滚动阻力、加速阻力和爬坡阻力均与整车的总质 量成正比，所以减轻自身质量，是减少上述3 种阻力的重要因素，也是降低燃油 消耗的有效措施。研究表明，对于轿车，在使用期内，每减重1 0 ，则油耗可 以下降8 1 0 ；对自质量1 6 - 2 0 t 的载货汽车，每减重1 0 0 0 k g ，则可降低油耗 6 一7 瞳3 。燃油效率提高，意味着汽车的耗油量和排污量降低，有利于改善人 类生存环境。 1 2 汽车轻量化技术内涵及研究现状 1 2 1 汽车轻量化技术内涵1 捌 汽车轻量化的技术内涵，即采用现代设计方法和有效的手段对汽车产品进 行优化设计，或使用新型材料在确保汽车综合性能指标的前提下，尽可能降低 汽车产品自身重量，以达到减重、降耗、环保、安全的综合目标。然而，汽车 轻量化绝非是将汽车简单地小型化。在减轻汽车自身重量的情况下，既要保持 汽车原有的性能不受影响，又要保证汽车行驶的安全性、耐撞性、抗振性及舒 第l 章绪论 适性。同时，汽车本身的造价不被提高，以免给消费者造成经济上的压力。 当前汽车轻量化研究主要集中于以下两个途径：一是改进汽车结构，使部 件薄壁化、中空化、小型化、复合化以及内饰、发动机和所有汽车零部件进行 结构和工艺改进等。汽车各部分的质量是相互关联的，如果减轻发动机质量， 底盘质量就能相应的减轻，而减轻汽车零部件的质量，支撑它的车架、车桥、 车轮、悬挂等行走系的负荷就会降低，两个或多个零件集成为一个单个零件不 仅工序简化，而且有减重的效果，比如将前置发动机后轮驱动结构改为前轮驱 动结构可以减少传动系统重量，目前欧洲已有约6 0 改为前轮驱动。二是采用轻 量化的金属和非金属材料，主要是指铝合金、镁合金、高强度钢材、工程塑料、 复合材料以及陶瓷等。 1 2 2 汽车轻量化材料研究现状 2 0 世纪7 0 年代的石油危机推动了汽车轻量化材料技术的发展。为了应对能 源危机以及日益恶化的环境问题，发达国家相继出台了越来越严格的强制性法 令法规，限制车辆的燃油消耗和尾气排放，迫使企业开发包括轻量化材料在内 的新技术以满足法规的要求。对于重大的研究项目，政府部门往往提供必要的 资金支持，并在行业机构的协助下组织企业和大学、研究机构共同攻关。如著 名的美国p n g v ( p a r t n e r s h i pf o rn e wg e n e r a t i o no fv e h i c l e s ) 计划，2 0 0 2 年 该计划在对研究方向进行重大调整后被重新命名为“自由合作汽车研 究 ( f r e e d o mc o o p e r a t i v ea u t o m o t i v er e s e a r c h ) 计划( 目前还在进行中) h 1 ， 以及国际钢铁协会组织的u l s a b ( u 1 t r al i g h ts t e e la u t ob o d y ) 、 u l s a p a v c ( a d v a n c e dv e h i c l ec o n c e p t ) ，该项目的主要目标是减小车身质量、 提高结构强度、提高安全性、简化制造工艺及降低生产成本。与u l s a b 相关的还 有u l s a c ( u l t r al i g h ts t e e la u t oc l o s u r e s ) 和u l s a s ( u l t r al i g h ts t e e la u t o s u s p e n s i o n ) 两项目，前者是将高强度钢应用在汽车车身覆盖件上，后一项目是 采用高强度和超高强度钢板、钢管、棒材以及一些先进的制造技术来生产轻量、 廉价和性能良好的悬架系统。其目标是通过采用新的钢材及设计，将悬架质量 减d 、2 0 ，不增加成本，达到铝材的减小质量标准，而成本与铝相比下降2 0 晦1 。 与此同时，世界各大铝业公司也结成了汽车铝材联盟( a u t oa l u m i n u m a l l i a n c e ) ，其中包括铝协的汽车及轻卡集团、美国汽车材料合作伙伴( u s 2 第1 章绪论 a u t o m ol i v em a t e r i a l sp a r t n e r s h i p ，简称u s a m p ) ，着重进行铝合金汽午轻量 化的研究。另外，茭国和欧洲也相继成立了i j s c a r 和e u c a r 镁研究项h ，以进 步增强镁合盒在汽车轻量化中的应用。 同前可用束减轻汽车自重的材料有两太类：类是高强度材料，如高强度 钢；h 一娄足轻质材料如钳合余、镁合余、钛台会、塑料和复合材料等。 i 高强度钢 钢铁材料仍将倮持相对稳定的主导地位，但是其内部结构将发生变化。主 要变化趋势是高强度钢的用最将有较大增长，铸铁和中、低强度钢的比例将会 逐步下降。高强度钢是汽车钢铁材料今后的主要发展方向之。为了应对来自 轻质材料的挑战，钢铁企业将开发的重点放在了高强度材料l ，先后开发出了 高强度钢( 屈服强度大j - 2 1 0 m p a ) 、超高强度钢( 屈服强度大于5 5 0 m p a ) 和先进的 超高强度钢( 以下统称为高强度钢) ，取得了良好的轻量化效果。 刨1lu l s a ba v c 项目高强度钢下身材料构成 高强度钢应用的品种有高强度i f 钢板、烘烤硬化钢( b i 钢) 等传统高强度钢 ( m s s ) ，双相钢( d p 钢) 、复相钢( c p 钢) 、相变诱发塑性钢( t r i p 钢) 、马氏 体钢( m 钢) 等先进高强度钢( a h s s ) ，如图1 所示的高强度钢车身构成。 1 ) 高强度i f 钢板 i f 钢( i n t e r s t i t i a lf r e es t y l e ) 的研究是c o m s t o c k 在1 9 4 9 年提出的。在 普通低碳钢中加入足够量的t i ( 碳含量为45 倍) ，钢中的c 、n 等原子被固定成 t i ( c ，n ) ，由于馏中无间隙原子，t 袅钢具有优良的冲压性能，这成为i f 钢发展 第1 章绪论 的基础。高强度i f 钢是通过适当添加p 、s i 、m n 等元素进行固溶强化以提高强度， 同时保持i f 钢良好的成型性能1 。高强度i f 钢主要用于制造复杂的汽车外壳部件 及支撑肋板的零部件。 2 ) 烘烤硬化钢( b h 钢) 烘烤硬化钢板( b a k eh a r d e n a b l es t e e l ) 是钢板经冲压成形或预拉深变形 后，进行烘烤温度处理( 高温时效处理) ，以使钢板的屈服强度得到一定程度的 提高，其强度提高的前提是冷轧带钢品格中要有少量固溶c 。其特点是冲压成形 时屈服点低，具有接近普通低碳钢板的成形性。冲压加工后，由于涂装烘干时 的高温短时间热处理使屈服点升高，从而使冲压件在使用状态下具有较高的强 度和抗凹陷能力。b h 钢板在1 7 0 的温度下进行2 0 m i n 的高温涂漆烘烤后，与传 统钢板相比屈服度大大增加，抗凹陷能力也随之增强1 。b h 钢一般用于车身外覆 盖件，如汽车的发动机罩、车门、翼子板等。 3 ) 双相钢( d p 钢) d p 钢的商业化开发已近3 0 年，包括热轧、冷轧、电镀和热镀锌产品。主要 组织是铁素体和马氏体，其中马氏体的含量在5 - 2 0 ，随着马氏体行含量的增 加，强度线形增加，强度范围为5 0 0 - - - - 1 2 0 0 m p a 。除了高强度钢的共性特点意外， d p 钢还具有低的屈强比，高的加工硬化指数、搞的烘烤硬化性能、没有屈服眼 神和室温时效等特点1 。d p 钢一般用于需高强度、高的抗碰撞吸能且成形要求 也较严格的汽车零件，如车轮、保险杠、悬挂系统及其加强件等，随着钢种性 能和成型技术的进步，d p 钢也被用在汽车的内外板等零件上。 4 ) 相变诱发塑性钢( t r i p 钢) t r i p 钢是近1 0 多年才商业化开发出来的新钢种，包括热轧、冷扎、电镀和 热镀锌产品。主要组织是铁素体、贝氏体和残余奥氏体，其中残余奥氏体的含 量在5 1 5 ，强度范围为6 0 0 - - - 8 0 0 m p a 。t r i p 钢具有高延伸率的本质使应变诱 发残余奥氏体转变为马氏体，同时相变引起的体积膨胀随着局部加工硬化指数 增加，使得变形很难集中在局部区域。同d p 钢相比，t r i p 钢的起始加工硬化指数 小于d p 钢，但是t r i p 钢的加工硬化指数在很长的应变范围内仍保持较高，特别 适合要求具有高的胀性情况u 。 5 ) 复相钢( c p 钢) c p 钢同t r i p 钢的冷却模式相同，但需要对化学成分进行调整以形成强化马 氏体和贝氏体的析出相，强度范围为8 0 0 - - - 1 0 0 0 m p a 。其组织特点是细小的铁素 4 第1 章绪论 体和高比例的硬相( 马氏体、氏体) ， 素，具有高的吸收性能和好的扩敞性能 杜等安全零件1 。 6 ) 马氏体钢( m 钢) 珈且通过进一步强化，台有，t l 等元 特别适合于车门防掩杆，保险丰t 和b ：e m 钢的生产是嬗过高温的兜氏体组织快速淬火转变为氏体组织，u r 通过热 轧、冷轧连续退火或成型后退火实现，其凰高强度呵达 5 0 0 m p a ，足甘前商业化 中僦度撮高的钢种。 要片 于成型要求小高的车门防撞朴等零件代苻管状零件， 减少制造成本1 。 2 铝台金 铝合余是应用较早丑技术同趋成熟的轻量化材料，它在汽车上的用量呈现 持续增长的趋势。根据国际铝协统计”，自1 9 9 0 年以柬，钒合余在轿车上的应用 翻了一番，在轻型年中的用量则增长了2 倍；目自u 每辆轿车的铝合金平均用量为 1 2 1 k g ，约占整车质量的1 0 。而所谓“铅密集型汽车”中的铝合会比例更高， 如福特p 2 0 0 0 轿车用量为3 3 3 k g ，达到t 3 7 ；奥迪a 8 则达到了创纪录的5 4 6 k g ( 如图2 ) 。1 9 9 0 年奉m 汽车公刊推f l j a c a r an s x 运动车，该车型整午用铞高达 4 5 0 k g ；包括全铝牟身、发动机缸体、气缸盖、悬架支架、座椅等构件。1 9 9 4 年 车身为空悯框架结构，应用铝板、挤压村、铝铸件。汽车用铝材丰要是铝板材、 挤压材、铸辛 ! ：及锻铝。上世纪8 0 年代，铝板开始用于车身发掣外板、前翼子板、 顶盖，后柬用于车门、行李箱盖板。 。、二 一、 篷 赫s h e a r a i u m n u m _ e n r o b n o d ec a s i i n g s 幽122 0 0 2 h u d i h 8 令锅下身 第l 章绪论 当前汽车用铝合金以铸件为主，约占汽车用铝量的8 0 ，主要为共晶和亚 共晶的铝硅合金，用于制造发动机零部件、壳体类零件和底盘上的其他零件。 现已大批量应用的零件有轿车发动机缸体、缸盖、离合器壳、保险杠、车轮、 发动机托架等几十种零件h 1 。 用在汽车车身板的铝合金主要有a i - c u - m g ( 2 0 0 0 系) 、a 卜m g ( 5 0 0 0 系) 和 a i - m g - s i ( 6 0 0 0 系) 。6 0 0 0 系a l - v l g - s i 合金具有强度和塑性的良好组合，综合性 能优良。与钢板相比，6 0 0 0 系一t 4 态板材的屈服强度和抗拉强度相近。此) 、6 0 0 0 系是可热处理强化合金，在冲压成型后经油漆烘烤( b a k i n g ) ，性能可进一步提高， 而且铝合金板材还可直接利用原有的模具和生产线来加工。 2 0 0 0 系铝合金具有良好的锻造性，高的强度，焊接性能好等特点。由于2 0 0 0 系合金也是一种热处理强化合金，具有烘烤强化效应，但其抗蚀性比其他工业铝 合金差。 5 0 0 0 系铝合金中的m g 固溶于铝中，形成固溶强化效应使该合金在强度、成型 性和抗腐蚀性等方面具有普碳钢板的优点，可用于汽车内板等形状复杂的部位 【9 】 o 北美、日本许多载货车和轿车发动机罩盖均采用铝合金。过去日本多用5 0 0 0 系铝合金制作覆盖件，近年来已被北美和欧洲常用的6 0 0 0 系所取代。这是由于 6 0 0 0 系铝合金具有烘烤硬化效应，不仅使铝材进一步强化，还可使铝板零件减 薄。但是，6 0 0 0 系铝合金成型l k , 5 0 0 0 系困难，故主要用于易成型的发动机罩盖 和后行李箱盖。欲进一步扩大应用，还需开发具有高成型性和烘烤硬化相结合 的6 0 0 0 系合金n 0 l 。 3 镁合金 镁比铝更轻，比重( 1 7 4 9 m m 3 ) 为铝的2 3 ，钢的2 9 ，是工业上应用最轻 的金属材料，它可在铝合金零件减重效果的基础上，再减重1 5 一2 0 。是一种非 常理想的汽车轻量化材料，用镁合金代替钢铁是实现汽车轻量化的重要途径之 一。镁合金在汽车工业上的应用，主要取代铸铁、钢制冲压焊装结构件和铝合 金铸件，多以铸件形式应用，并以铸件为主。 近年来，国际上汽车用镁铸件取得了较大的进展。除了整体式镁合金汽车 座椅外，在1 9 9 7 年展出的梅赛德斯一奔驰的新车型s l k 上，燃料箱和行李箱之间 的隔板也采用质量为3 1 9 k g 的压铸镁合金代替质量6 k g 的钢件。通用的e v i 车型 6 第1 章绪论 采用的整体铸镁转向盘亦是镁合金铸件在汽车上的新应用。福特公司着眼于 2 0 0 0 年后中型车l o o k m 油耗少于3 l 的目标，而与1 9 9 8 年推出的轻质概念车p 2 0 0 0 ， 所采用的铸镁轮毂( 每个质量3 1 k g ，比钢板冲压件减少5 k g ) ，则是镁铸件在未 来汽车上的应用发展纠。 汽车用镁合会铸件对于减轻汽车自身质量，提高燃油经济性、保护环境、 提高安全驾驶性、改善汽车性能、增强竞争能力的效果显著。例如，丰罔汽车 的转向盘加装安全气囊后质量增加，采用a m 6 0 b 镁合金压铸件后，质量比过去钢 制品、铝制品分别减轻了4 5 矛1 1 5 ，并减少了转向系统的振动。奔驰公司采用 a m 2 0 和a m l 5 压铸座椅架，其质量比过去冲压一焊接钢结构件大为减轻。通用e v i 型汽车用镁制仪表板将2 0 个冲压及塑料零件组合成一个压铸件，不但质量减轻 了3 6 k g ，而且增加了刚性，同时还减少了装配工作量。福特公司的载货车离合 器壳改用a z 9 1 d 镁合金压铸件，不但无大气腐蚀问题，而且耐海水腐蚀性比铝 合金壳体好，延长了产品使用寿命。 4 塑料 塑料是以合成树脂为基体，加入某些添加剂在一定温度压力下，能塑造成 各种形状制品的高分子材料。塑料的种类很多，按不同的热性能可分为热固性 塑料和热塑性塑料两大类；按不同的应用可分为通用塑料、工程塑料和高性能 工程塑料。塑料在汽车工业上的应用自上世纪5 0 年代开始，到今天已经有5 0 多 年的时间。塑料对汽车轻量化有着重要的作用，因为它具有独特的特性：首先 塑料的比重很低，通常在0 8 3 - 2 2 9 m 3 ，是所有汽车部件中最轻质的材料。据统 计，每l o o k g 的塑料可以替代2 0 0 3 0 0 k g 其它材料，可以有效减轻汽车的自重， 达到轻量化的目的；其次，塑料具有良好的物理和化学性能，具有很好的抗冲 击性和耐腐蚀性，绝大部分汽车的保险杠材料都是塑料；另外塑料还具有良好 的可成形性和加工性，可以制造各种复杂的零部件。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 7 第1 章绪论 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1 。 5 复合材料 复合材料是由两种以上不同性质的材料经过一系列物理化学变化、各种工 艺进行复合的一种材料，它具有轻质、比强度高、比刚度大、可设计性强、工 艺性好等一系列特点。复合材料在汽车上的应用比例日益增多，成为汽车轻量 化技术的必要手段之一。汽车中如果使用复合材料代替传统钢材可以减重 5 0 - 6 7 ，从而节省燃油4 0 n 3 | 。 复合材料通常分为两大类：即热固性复合材料和热塑性复合材料。热固性 复合材料以s m c 、r t m 带i j 造工艺为主，主要用于汽车的外覆盖件，也有少量用于 汽车的结构件和半结构件；热塑性复合材料以g m t 和d lf 1 制造工艺为代表，主 要用于汽车的结构件和半结构件，也有部分用于汽车内饰件和防腐蚀外护板件 1 4 】 o 为了实现汽车轻量化，各大汽车公司都致力于复合材料的开发与应用，丰 田e s 3 的保险杆、前后挡泥板的侧板、后窗户玻璃、散热器支架、后排地板以及 燃料箱等均采用树脂复合材料制成。戴姆勒一克莱斯勒公司对复合材料情有独 钟，其c c v 概念车，车身外壳为玻璃增强纤维复合材料，是目前世界上最大的注 塑件。美国t p m 复合物公司制造的复合材料汽车，壳体长9 1 米，采用环氧玻纤 毡、r t m 成型，汽车重3 1 7 5 k g ，比同尺寸的钢制汽车壳体省3 0 ，其燃油消耗不 到钢制汽车的6 0 。 1 3 基于o a e 的发动机罩板材料轻量化研究概况 发动机罩板属于车身覆盖件，在进行汽车轻量化研究时通常是首先拿来进 行研究的对象之一，其结构如图1 3 所示： 8 第1 章绪论 t y p i c a lh q 棚 嚣辅啪h 螨y( 、 ，一7 ，、p 4 怕l i d o q 群 图1 3 典型发动机罩结构 发动机罩主要由内、外板等零部件组成，外板为空间曲面板，其外表形状 与整车协调一致，体现轿车的外型特征。内板为薄钢板，主要为增加机罩的整 体刚度而设置。当前发动机罩板材料轻量化主要是采用高强度钢及铝合金对传 统的发动机罩板钢板进行替换。对发动机罩板材料进行轻量化研究后，确认轻 量化可行性的主要指标就是其各种刚度及抗凹性等结构性能能否满足设计要 求。基于e a e 的发动机罩材料轻量化研究就是对替换后的轻量化材料发动机板罩 进行各种工况的计算机仿真研究，主要包括一下内容： l 、内板抗弯强度分析； 2 、内板抗弯、抗扭刚度分析； 3 、发动机罩板整体抗凹性分析； 4 、发动机罩板局部受压变形强度分析； 5 、发动机罩板整体模态分析。 针对分析后的结果以了解对发动机罩板进行轻量化的可行性以及分析发动 机罩板轻量化后质量的减轻情况。 1 4 文章的课题背景与研究内容 1 4 1 文章的课题背景 本研究以下面两种科研项目为研究背景进行： 1 、上汽基金项目：帕萨特轿车白车身工艺及生产线规划设计知识管理系统 9 第1 章绪论 研究与实现。项目编号：0 5 0 4 2 、自然科学基金项目：综合焊接热效应的车身封闭件h a u s d o r f f 距离匹配 优化方法。项目编号：5 0 6 0 5 0 4 8 1 4 2 文章的研究内容 本文针对国内某汽车公司一款轿车发动机罩板进行基于c a e 仿真的轻量化 材料研究，仿真主要从结构的角度进行，文章的具体研究结构如图1 4 所示： 薪究课题提出及理论支再 l 发动机罩扳村科轻f i 奄化研究概念提f h i ( ；哑 图1 4 本文研究结构 1 ) 本文第一章主要阐述的是汽车轻量化的意义及内涵，特别是着重论述了 从材料的角度探讨当前国内外汽车轻量化技术发展的最新现状及发展趋势；初 步提出了基于c a e 的发动机罩板材料轻量化研究概念， 的一些相关的研究工作；本文第二章主要讨论的是c a e 以及仿真分析时需要做 的基本概念及c a e 仿真 分析的相关理论支撑，本文的研究对象是发动机罩板，所以主要阐述了壳体问 题的有限元法。如图1 4 中第一部分模块所示。 l o 第1 章绪论 2 ) 本文第三章主要提出了发动机罩板轻量化材料选择及c a e 工况建模方 案。研究选定发动机罩板的两种轻量化替代材料；对c a e 仿真时所用的仿真软 件h y p e r m e s h 及a b a q u s 作了介绍，对发动机罩板c a e 仿真分析的建模流程进行 了阐述；针对发动机罩板的结构形状特性，确立了仿真分析的五种受力工况， 这些工况包括：发动机罩板的弯曲、扭转、抗凹性、局部受压和模态。如图1 4 中第二部分模块所示。 3 ) 本文第四章主要对普通钢板发动机罩板在前面所述五种工况作用下的 结构性能进行了c a e 仿真分析，为后面即将进行的轻量化替代材料发动机罩板 c a e 仿真分析提供了比较标准；本文第五章即对两种轻量化替代材料发动机罩板 进行了c a e 结构仿真分析，并将得到仿真数据与前面的普通钢板发动机罩板进 行了各种工况下的对比，从结构性能的角度来衡量轻量化的可行性。如图1 4 中第三部分模块所示。 4 ) 本文第六章提出了本研究所得到的结论和未来的研究展望。如图1 4 中 第四部分模块所示。 本研究过程中主要使用的计算工具软件包括：运用c a t i a u g 这两种3 d 造 型软件进行发动机罩板几何建模及数据转换；运用h y p e r m e s h 软件进行发动 机罩板有限元模型建模、网格划分、载荷及约束定义、接触定义等有限元前处 理；运用非线性有限元软件a b a q u s 进行仿真计算，运用h y p e r v i e w 进行有 限元后处理分析。 第2 章轻量化材料发动机罩板c a e 分析理论与方法 第2 章轻量化材料发动机罩板c a e 分析理论与方法 2 1c a e 的基本概念 计算机辅助工程( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 包括工程和制造业信息 化的所有内容，主要指用计算机对工程和产品进行性能与安全的可靠性分析， 并对其未来的工作状态和运动行为进行模拟和分析，以及及早的发现设计缺陷， 增强未来工程中产品功能与性能的可用性和可靠性。 2 i 1c a e 分析过程及内容 c a e 的重要分析方法有限元的基本思想是将结构进行有限于元离散化， 用有限个容易分析的单元表示复杂的工程结构，各单元之间通过有限元节点相 互连接，根据有限元基本理论建立有限元总体平衡方程，然后求解5 l 。 从工程的角度来看，c a e 有限元求解工程问题的基本过程主要包括：要分 析的结构离散化前处理，有限元方程的建立与求解，以及计算结果的后处理3 个部分，如图2 1 所示： 塑塑贬 匾叠匮 逦塑 t 求解结果分析l ， 。、 逸芝少、7 是。 ，、一 确定最终设计f 。，j 否 图2 1c a e 分析流程 1 2 第2 章轻量化材料发动机罩板c a e 分析理论与方法 2 1 2c a e 在汽车产品开发中的作用 c a e 在汽车产品丌发过程中的作用主要体现在一下三个方面： 1 ) 缩短了产品的研制周期 c a e 在建模和分析过程中采用实体造型和参数化，从而大幅度的缩短了确 定合理结构参数所用的时间。 2 ) 减少了产品开发费用 与道路试验与实验室台架试验相比较，利用c a e 分析整车和零部件的各种 性能，可以使所需的费用大大减少。 3 ) 有利于开发出性能更优越的汽车整车和零部件 譬如通过优化车架和车身的结构参数减轻整车质量，通过优化行驶系和转 向系的提高整车操作性能和行驶平稳性。 2 1 3 发动机罩板材料轻量化c a e 分析内容 发动机罩板属于车身的覆盖件部分，对于机罩板结构材料轻量化c a e 分析 主要集中于以下几个部分： 1 ) 发动机罩板传统钢板材料抗弯、抗扭刚度分析，发动机罩板抗凹性分析， 发动机罩板局部受压分析，发动机罩板整体模态分析，建立轻量化材料机罩板 结构性能参考标准。 2 ) 发动机罩板轻量化替代材料抗弯、抗扭刚度分析，发动机罩板抗凹性分 析，发动机罩板局部受压分析，发动机罩板整体模态分析，获取相应结构性能 数据。 3 ) 分析c a e 计算结果，分别对不同材料发动机罩板c a e 结构仿真结果进行 对比，通过比较得出轻量化研究结论。 2 2 发动机罩板结构有限元分析理论m 1 发动机罩板的结构属于典型的壳体结构，对于这类结构的零部件有限元分 析来说，选用壳体单元来描述其力学特性是最合理的。由于考虑了结构单元中 性面上的平面刚度、弯曲刚度、以及曲率效应，壳体单元比梁单元、板单元具 第2 章轻量化材料发动机罩板c a e 分析理论与方法 有更高的计算精度。因此，本节将以壳体单元为例来介绍有限元法。 2 2 1 壳体平面问题有限元法 壳体平面问题中，二维连续体离散时，常采用三角形单元或四边形单元， 三角形单元对各种形状的边界具有较强的适应性，但由于它为常应变单元，计 算精度不高，因此实际工程计算中大多采用四边形单元。因此本文采用四边形 单元为例，介绍通过弹性力学变分原理建立壳体问题的有限元格式。 1 单元位移模式与插值函数 图2 2 壳体四边形单兀 如图2 2 所示位移四边形单元。为简便起见，坐标原点取在单元形心上， 并以平行于单元两边的对称轴为x 轴和y 轴。单元共有8 个节点自由度，广义 坐标数应取8 ，因此x 、y 每个方向的位移可取4 项多项式。广义坐标和位移多 项式选择如下： = p 厦，岛屈r ( 2 1 ) 矽= 【1 xx y 】 四边形单元的这种位移模式称为双线性位移模式，即在单元边界x2 口及 y 2 6 上，位移是按线性变化的，且相邻单元在公共结点上有共同的结点位移， 因此保证了相邻单元在公共边界位移的连续性，这种单元的位移模式被称为完 1 4 第2 章轻量化材料发动机罩板c a e 分析理论与方法 备的和协调的，满足解的收敛条件，因此平面4 结点四边形单元是协调单元。 将4 个结点的坐标代入位移模式，则得到4 个结点的位移 a e = k ，h “v 甜。v 。甜pv p 】7 ( 2 2 ) 小黝0 a 晓3 ) ii 其中 a = 1 1x j 1 石。 1 x p y ix i y ， y jx j y j y mx m y m y px p yp 通过方程( 2 3 ) 式可求得广义坐标。将求得的代入位移模式，可以得 到以单元结点位移表示的单元位移表达式 甜= ，“j + j u j + n m u m + n p u p ( 2 4 ) v 2 j v f + n j v j + 朋v m + 尸v p 其中f - n r 为单元插值函数。 令孝= x a ，1 7 2 y b ，则 f2 云( 1 + 鲫+ 刁) m 。p 1 踯+ 驯 ( 2 5 ) 虬5 言( 1 一洲一叩) m 2 言( 1 + 洲一7 ) 孝，刁可以看作是四边形单元的自然坐标。在一般情况下单元重心位置是 ( ，y o ) ，不在坐标原点。当自然坐标系原点在单元重心上时，整体坐标x ，y 与 自然坐标的转换关系是单元内各点的自然坐标 x ：x o + 口f ，善：x - - x 0 “ ( 2 6 ) y ：y o + b r ，叩：与丛 1 5 第2 章轻量化材料发动机罩板c a e 分析理论与方法 是一1 孝1 ，一1 7 7 1 。单元的四条边分别为孝= 1 ，7 7 = 1 。4 个角点的坐标 ，( 鼻，刁，) 是，( 1 ，1 ) ，( 一1 ，1 ) ，聊( 一1 ，一1 ) ，p ( 1 ，一1 ) ，记为 4 02 告亏，r o2 刁刁， 将式( 2 5 ) 合并则有 r = 丢( 1 + 彘) ( 1 + ( ，= “，m ，p ) 单元位移的矩阵记法是 甜= 黔8 式中 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 口。= k ， 1 ，r “， v ， z ，?，脚 材p，】r ， ，、，、 = i v in j 肘，】_ 阢i n ji n