紅色在汽車設(shè)計中的運用_紅色車的利弊

文|余說百事

編輯|余說百事

日益嚴格的燃油排放法規(guī)與不斷提升的消費者舒適性要求，促使汽車輕量化技術(shù)亟需成熟與完善；隨著汽車電動化與智能化的發(fā)展，電池包、控制器、各種視覺與傳感設(shè)備等都會增加汽車車重，對汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化提出了新挑戰(zhàn)。

結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化、參數(shù)化優(yōu)化等結(jié)構(gòu)層優(yōu)化，連接工藝的不斷發(fā)展，以及鎂合金、鋁合金、塑料、復(fù)合材料等輕質(zhì)材料的應(yīng)用均是輕量化的有效途徑。

近年來，隨著工業(yè)社會的發(fā)展進步，人們賴以生存的環(huán)境正在受到污染的威脅，尤其是空氣污染更加嚴重，霧霾的侵襲影響著人們的生產(chǎn)生活并給人類健康帶來了巨大的隱患。

圖1-1統(tǒng)計了世界CO2排放量行業(yè)占比以及廣州市PM2.5來源。眾多污染源中，汽車尾氣的污染首屈一指，汽車的安全、節(jié)能與環(huán)保依舊是永恒不變的主題。

隨著環(huán)境污染的加劇，國家排放標準與法規(guī)日益嚴格，社會環(huán)保意識與消費需求逐漸提高，使得汽車制造商生產(chǎn)的產(chǎn)品從滿足安全、節(jié)能逐漸發(fā)展到滿足安全、節(jié)能與環(huán)保且滿足消費者舒適性、美觀性等日益增長的附加需求上來。

世界各主要國家和地區(qū)都制定了相應(yīng)的燃油消耗量標準法規(guī)，部分法規(guī)如表1-1所示，例如美國公司平均燃油經(jīng)濟性標準要求汽車生產(chǎn)廠商到2025年乘用車與輕卡車提高公司平均燃油效率到54.5mpg。

在參考世界主要國家和地區(qū)標準法規(guī)的基礎(chǔ)上，我國相繼出臺了更加嚴格的汽車排放標準。2012年6月國務(wù)院發(fā)布《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020年）》，該法規(guī)明確了我國新車油耗的整體目標，要求2020年乘用車新車平均百公里油耗不高于5.0L；2014年7月國家標準化管理委員會下達GB19578《乘用車燃料消耗量限制》和GB27999《乘用車燃料消耗量評價方法及指標》等強制性國家標準修訂計劃。

經(jīng)國務(wù)院同意，2016年01月環(huán)境保護部與工業(yè)和信息化部聯(lián)合公告部分區(qū)域?qū)嵤C動車國五標準。

在整車四大組成部分中，白車身占汽車整備質(zhì)量的30~40%，制造成本約占60%，空載條件下70%的燃油被白車身消耗掉。而前端結(jié)構(gòu)質(zhì)量大約占白車身整體質(zhì)量的30%，吸能量大約為白車身總吸能量的80%，所以專門針對汽車前端結(jié)構(gòu)進行輕量化優(yōu)化設(shè)計具有不可取代的重要意義。

汽車前端結(jié)構(gòu)劃分如圖1-2所示。同時，白車身前端結(jié)構(gòu)對整車結(jié)構(gòu)剛強度、耐撞性、安全性、耐久性、魯棒性等許多性能都具有決定性作用，因此加劇了對前端結(jié)構(gòu)進行研究的重要性。

汽車前端結(jié)構(gòu)的設(shè)計還直接影響汽車的行人保護性以及安全等級評價。

國外對汽車前端結(jié)構(gòu)研究中，Shuler Stephen等利用改善的有限元模型，開發(fā)了新的高效的能量吸收器與汽車前端結(jié)構(gòu)設(shè)計策略，并利用數(shù)值方法優(yōu)化汽車前端結(jié)構(gòu)。

Makita Masashi等討論了兩輛車前端結(jié)構(gòu)之間的相互作用對改善碰撞相容性的影響，提出了均質(zhì)汽車前端結(jié)構(gòu)，能夠減少攻擊性與傷害性。利用多目標遺傳算法對吸能前端結(jié)構(gòu)進行形狀優(yōu)化，利用梁單元建立前端結(jié)構(gòu)模型。

Park Sung-Wook等提出了某汽車前端結(jié)構(gòu)采用短纖維復(fù)合材料的優(yōu)化設(shè)計過程，以達到考慮質(zhì)量與產(chǎn)品性能的減重。Yang R.J.等基于正碰，將連續(xù)變截面（TRB）板應(yīng)用于汽車前端結(jié)構(gòu)設(shè)計。

Deb Anindya等利用截斷有限元模型進行了汽車前端結(jié)構(gòu)的多目標多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計，滿足NVH、耐久與碰撞安全性目標下進行減重優(yōu)化。

國內(nèi)對汽車前端結(jié)構(gòu)的研究中，高云凱等通過拓撲優(yōu)化與尺寸優(yōu)化對汽車前艙結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，提高碰撞安全性與模態(tài)特性、彎曲扭轉(zhuǎn)剛度特性。

吉林大學(xué)王傳青利用SFE-CONCEPT建立了前端結(jié)構(gòu)隱式參數(shù)化模型，綜合考慮材料、厚度、部件曲率等設(shè)計因素，用近似模型的方法進行了結(jié)構(gòu)—材料—性能一體化輕量化多目標優(yōu)化設(shè)計。陸善彬等應(yīng)用等效靜態(tài)載荷法對汽車前端結(jié)構(gòu)進行了抗撞性尺寸與形貌優(yōu)化。闞洪貴等對全塑汽車前端結(jié)構(gòu)進行多目標折衷規(guī)劃法的拓撲優(yōu)化設(shè)計。

添加Al、Zn元素的鎂合金提高了材料的強度與韌性，使得鎂合金材料強塑積增強，從而使得工程應(yīng)用成為可能。以AZ31B為代表的鎂合金作為一種先進的輕量化材料被認為是汽車、航空、航天等制造業(yè)領(lǐng)域最具有潛力的材料。

鎂合金與基礎(chǔ)鋼、鋁合金相比，具有密度低、比強度高、比剛度相當、可完全回收、疲勞性能卓越、鑄造性更好（具有減少零部件數(shù)量的潛力）、結(jié)構(gòu)NVH改善等優(yōu)勢。

鎂合金材料在汽車結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用需要解決一系列問題。對于汽車結(jié)構(gòu)這樣一個復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，在服役期內(nèi)需要滿足結(jié)構(gòu)剛度、強度、碰撞安全性以及疲勞壽命等性能，結(jié)構(gòu)剛度、強度、疲勞壽命需要獲得材料的彈性模量、屈服極限、抗拉極限等力學(xué)特性；

碰撞安全性需要在以上特性的基礎(chǔ)上獲得不同應(yīng)變率下的材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，或者獲得與應(yīng)變率相關(guān)的材料本構(gòu)參數(shù)。

對于車用鎂合金材料的應(yīng)用研究，由于非對稱晶粒微觀結(jié)構(gòu)，使得不同加載條件下孿生與位錯滑移變形機制在各方向上不同，導(dǎo)致鎂合金材料表現(xiàn)出超強的各向異性與動靜態(tài)特性的巨大差異。

鎂合金材料的力學(xué)特性認知尤其是動態(tài)力學(xué)特性的認知成為工程應(yīng)用的關(guān)鍵。動態(tài)力學(xué)的認知就要涉及到寬范圍應(yīng)變率的各種應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系以及與本質(zhì)上的應(yīng)變率相關(guān)微觀變形機理研究，這給新材料鎂合金汽車結(jié)構(gòu)的研究與開發(fā)工作帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

鎂合金材料力學(xué)特性的認知問題。眾所周知，在對應(yīng)變率相關(guān)的材料進行力學(xué)特性研究時，材料在準靜態(tài)與動態(tài)過程所表現(xiàn)出來的力學(xué)特性會有很大不同，許多金屬及其合金在不同加載條件下表現(xiàn)出不同的力學(xué)特性，因此對鎂合金寬應(yīng)變率范圍內(nèi)的機械性能進行研究是非常重要的。

分離式霍普金森桿試驗作為一種典型的試驗技術(shù)被廣泛應(yīng)用于確認材料應(yīng)變率在102~104s-1范圍內(nèi)的動態(tài)響應(yīng)常數(shù)。

分離式霍普金森桿裝置是由加速室、沖擊桿、入射桿、透射桿及能量吸收裝置組成的，裝置如圖2-5所示。

沖擊桿在氦氣加速室加速，然后沖擊入射桿，在入射桿中形成一個矩形脈沖并傳向樣件產(chǎn)生一個高應(yīng)變率動載。

產(chǎn)生的矩形脈沖在入射桿、樣件與透射桿中的阻抗是不同的，一部分入射波會反射回入射桿，另一部分經(jīng)過樣件進入透射桿，最后由終端的能量吸收裝置吸收殘余能量。

粘貼在入射桿與透射桿上的應(yīng)變片用來測量入射波、透射波及反射波。利用連接在應(yīng)變片另一端的超動態(tài)應(yīng)變儀來拾取脈沖信號。按照一維應(yīng)力波理論通過拾取的脈沖信號來獲得動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。該試驗是在北京理工大學(xué)材料實驗室完成的。

鎂合金AZ31B是應(yīng)變率相關(guān)的材料，隨著應(yīng)變率的變化，其最大應(yīng)變與最大應(yīng)力均有較大變化，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系也存在較大差異；而且在每個應(yīng)變率下都具有應(yīng)變硬化的規(guī)律。

以圖中紅色虛線為分界線，下半部分表示了材料低于應(yīng)變率4000s-1時，隨著應(yīng)變率的提高，總體趨勢是最大應(yīng)力、最大應(yīng)變升高。應(yīng)變率在3000s-1時發(fā)生最大應(yīng)力、最大應(yīng)變比2500s-1時低的現(xiàn)象，與文獻等其他研究鎂合金材料動態(tài)試驗的眾多文獻中得到的試驗現(xiàn)象保持一致。

紅色分界線上半部分表示了材料高于應(yīng)變率4000s-1時，隨著應(yīng)變率的提高，總體趨勢是最大應(yīng)變逐漸降低，最大應(yīng)力逐漸升高。每條應(yīng)變率曲線的前半部分對應(yīng)材料的彈性階段，不同應(yīng)變率下得到的彈性模量略有不同，除5000s-1應(yīng)變率時彈性階段由于試驗中樣件與霍普金森壓桿間存在微滑移可以剔除其彈性階段，則可以認為各應(yīng)變率下的彈性階段彈性模量差異可以忽略不計。

進行了7000s-1高應(yīng)變率試驗，發(fā)現(xiàn)了4000s-1應(yīng)變率分界線作為規(guī)律不同的臨界點，彌補了在以前文獻中對鎂合金材料只進行低于3000s-1應(yīng)變率動態(tài)試驗的不足。而低于3000s-1應(yīng)變率時，力學(xué)特性規(guī)律表現(xiàn)一致導(dǎo)致在許多文獻中得到了一種擬合度較高的本構(gòu)模型，

使用這種本構(gòu)模型在應(yīng)變率超過3000s-1時的工程應(yīng)用會造成本構(gòu)模型的錯誤，

文中對發(fā)現(xiàn)的以4000s-1應(yīng)變率為分界線力學(xué)規(guī)律不同的現(xiàn)象進行了鎂合金混合本構(gòu)模型的擬合，解決了前面文獻中擬合應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律造成的弊端。

而為了研究高應(yīng)變率下材料的動態(tài)力學(xué)機理，像如J-C與C-S本構(gòu)都是描述流變應(yīng)力與塑性階段的變形關(guān)系的經(jīng)驗唯象本構(gòu)方程，無論是結(jié)構(gòu)耐撞性還是成型等過程涉及到的應(yīng)變率往往對應(yīng)著材料的塑性變形階段，超過了彈性階段范圍。

針對鎂合金材料特殊微觀結(jié)構(gòu)造成的拉壓不同、各向異性及動態(tài)力學(xué)性能復(fù)雜導(dǎo)致沒有開發(fā)出適用于工程應(yīng)用的模型，通過梳理鎂合金材料的微觀變形機理以及反映塑性變形本質(zhì)的基于位錯運動的微觀本構(gòu)，提出了適合車用鎂合金材料的J-C與C-S混合宏觀本構(gòu)模型。

發(fā)現(xiàn)了鎂合金材料在4000s-1以下應(yīng)變率范圍內(nèi)與4000s-1以上應(yīng)變率范圍內(nèi)的材料力學(xué)宏觀表現(xiàn)不同，指出了現(xiàn)有研究只考慮3000s-1以下應(yīng)變率范圍內(nèi)的力學(xué)特性的弊端，確定了混合本構(gòu)模型的應(yīng)變率臨界點。利用遺傳算法確定了混合本構(gòu)模型的參數(shù)。該混合本構(gòu)模型為鎂合金材料的工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

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