熱壓成型方法下輕量化汽車零部件的虛擬設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

邢宇航

(吉林大學(xué) 珠海學(xué)院，廣東 珠海 519090)

隨著我國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車功能不斷完善，傳統(tǒng)的造車工藝在當(dāng)前的需求下會(huì)帶來(lái)汽車質(zhì)量的提升。汽車質(zhì)量會(huì)對(duì)汽車的安全性與環(huán)保性帶來(lái)一定的影響，最直觀的體現(xiàn)就在于汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性。據(jù)預(yù)測(cè)，2020年時(shí)汽車消耗的石油資源將占全球石油總消耗量的64%[1]。研究表明，當(dāng)汽車質(zhì)量下降10%時(shí)，經(jīng)濟(jì)型可提升6%～8%[2]。因此，汽車的輕質(zhì)化設(shè)計(jì)是一個(gè)現(xiàn)實(shí)的需求。

由于汽車制造需要經(jīng)歷復(fù)雜的流程，花費(fèi)高昂的成本，因此在汽車輕質(zhì)化的研究過(guò)程中，需要先建立汽車零部件的計(jì)算機(jī)模型，來(lái)對(duì)設(shè)計(jì)理念進(jìn)行驗(yàn)證。本文采用有限元建模方法對(duì)使用熱壓成型工藝的汽車零部件性能進(jìn)行驗(yàn)證。在驗(yàn)證時(shí)，以我國(guó)的C-NCAP碰撞標(biāo)準(zhǔn)作為參照[3-6]。計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果表明，本文所使用的由熱壓成型工藝制作的汽車零部件，在實(shí)現(xiàn)汽車輕質(zhì)化的同時(shí)，還可以對(duì)汽車的安全性有一定程度的提升。

1 方法概述

1.1 有限元建模方法

汽車零部件結(jié)構(gòu)性能分析對(duì)整車的被動(dòng)安全、汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改進(jìn)有著重要意義。對(duì)于關(guān)鍵零部件的輕量化設(shè)計(jì)，需要有效的建模分析方法。本文使用的零部件建模分析方法的理論基礎(chǔ)是有限元分析法，其流程如圖1所示[7-8]。

網(wǎng)格劃分與檢查：在進(jìn)行網(wǎng)格的劃分前，需要首先對(duì)CAD模型進(jìn)行集合，進(jìn)行孔洞、圓角、凸臺(tái)、包邊的處理。網(wǎng)格化分時(shí)，需要確定網(wǎng)格尺寸，本文定義的網(wǎng)格尺寸在8～10 mm。對(duì)于過(guò)大的孔洞，將其進(jìn)行六邊形或八變形的分割。劃分后的網(wǎng)格需要滿足邊長(zhǎng)比、雅可比、三角比、翹曲度等指標(biāo)的要求。

定義材料屬性：網(wǎng)格化分完畢后，需要對(duì)有限元分析時(shí)的材料屬性進(jìn)行定義，包括所用材料的板件厚度、材料材質(zhì)、材料截面屬性。本文涉及的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證為針對(duì)零部件的模態(tài)、剛度等靜態(tài)特征的線性分析，主要涉及了碳鋼、焊點(diǎn)材料、粘膠材料的相關(guān)屬性。

零配件裝配檢查：材料屬性定義完畢后，需要將各個(gè)材料按照一定的裝配規(guī)則，裝配成汽車零部件。此時(shí)，需要定義材料間連接和穿透的關(guān)系。圖2給出了使用有限元方法建立的汽車側(cè)面碰撞模型，其將被用于后文的碰撞測(cè)試實(shí)驗(yàn)中。

1.2 熱壓成型理論

在塑料加工工業(yè)中，熱壓成型法是一種應(yīng)用廣泛的材料加工方法，其過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，將材料加熱后把模型固定在加熱板上注入材料，調(diào)節(jié)溫度，使得材料硬化[9-10]。然而，對(duì)于汽車的B柱，現(xiàn)有的加工理論大多基于冷壓成型方法。該方法在碰撞中容易產(chǎn)生開(kāi)裂、回彈等不安全現(xiàn)象。如圖3(a)所示，B柱包含上下兩個(gè)部分，為保證B柱的強(qiáng)度，又增加兩個(gè)加強(qiáng)件。圖3(b)是使用熱壓成型方法設(shè)計(jì)的B柱模型。各方法下模型的參數(shù)，如表1所示?？梢钥闯觯褂脽釅撼尚头椒ㄊ蛊嚵悴考馁|(zhì)量有了明顯下降，從而達(dá)到了輕量化設(shè)計(jì)的目的。

表1 不同工藝下的汽車B柱參數(shù)

2 仿真驗(yàn)證

2.1 仿真環(huán)境

本文仿真環(huán)境的建立基于中國(guó)C-NCAP碰撞標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，圖2中側(cè)面碰撞物的質(zhì)量為950 kg，速度為50 km·h-1。由式(1)所示的動(dòng)能理論可以得到碰撞物的總能量為91.6 kJ。

E=1/2mv2

(1)

根據(jù)能量守恒定律，可以得到仿真環(huán)境中各個(gè)能量隨時(shí)間的變化曲線。由于有限元仿真計(jì)算時(shí)，無(wú)法取到無(wú)窮大，因此有可能造成能量的泄露。而由圖4可看出，系統(tǒng)中的Hourglass Energy趨近于0。因此，本文建立的仿真環(huán)境及碰撞模型滿足能量守恒，可以用于汽車零部件的碰撞效果試驗(yàn)。

2.2 仿真結(jié)果

圖5給出了碰撞發(fā)生40 ms后，使用熱壓/冷壓成型理論制造的B柱汽車的車身形變對(duì)比。可以明顯的看出，圖5(b)中使用熱壓成型理論的汽車車身在遭受同等級(jí)別的撞擊時(shí)，其側(cè)面車身的形變程度(門板、防撞梁等部件)遠(yuǎn)小于圖5(a)中的車身。為了定量地衡量不同工藝下的車身變形程度，本文還選取了駕駛員駕駛汽車時(shí)預(yù)估的頭部和中間肋骨在車內(nèi)所處的位置進(jìn)行了碰撞侵入的分析，結(jié)果如圖6所示。

圖6給出了碰撞后汽車的侵入情況。從圖6(a)和圖6(b)可以看出，原始的頭部參考點(diǎn)的最大形變距離為46.56 mm，輕量化設(shè)計(jì)后的最大形變距離為45.95 mm，優(yōu)化了1 mm。原始上肋部參考點(diǎn)的最大形變距離為116.89 mm，輕量化設(shè)計(jì)后的最大形變距離為109.89 mm，優(yōu)化了7 mm。從圖6(c)～圖6(d)可以看出，原始頭部參考點(diǎn)最大速度為5.61 m·s-1，輕量化設(shè)計(jì)后為5.44 m·s-1。原始上肋骨的參考點(diǎn)速度為6.63 m·s-1，輕量化設(shè)計(jì)后的速度為6.47 m·s-1。兩個(gè)部位參考點(diǎn)速度均降低了約1.7 m·s-1。在碰撞試驗(yàn)中，參考點(diǎn)形變距離的大小可以表征碰撞對(duì)于駕駛員的擠壓狀況，速度的大小可以表征碰撞對(duì)于駕駛員沖擊的能量。從仿真結(jié)果可以看出，經(jīng)過(guò)熱壓成型后在汽車車身在輕量化的同時(shí)，降低了碰撞的擠壓和沖擊力，從而可滿足汽車碰撞的安全性需求。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)汽車環(huán)保及其輕質(zhì)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，本文基于有限元理論，建立了熱壓成型工藝下的汽車B柱零件模型，并通過(guò)側(cè)面碰撞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該零件的安全性表現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)基于C-NCAP的碰撞標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。仿真結(jié)果表明，新方法不但使汽車零部件的質(zhì)量降低了50%，也在一定程度上提升了汽車整體的安全性。