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        用試驗設(shè)計法優(yōu)化汽車翼子板材料選用

        2018-01-25 07:48:52
        汽車實用技術(shù) 2018年1期
        關(guān)鍵詞:凹痕子板抗力

        冀 鵬

        (眾泰汽車工程研究院材料工程部,浙江 杭州 310000)

        引言

        汽車輕量化是汽車行業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排的主要途徑,已成為當前和未來汽車技術(shù)的主要方向,板材減薄是減輕車身重量的有效方法。對于汽車翼子板的材料選用各主機廠不盡相同,主要材料有DC06、HC180B、HC220B等,為減輕零部件重量,材料厚度由 0.75mm減薄至 0.70mm,也有減薄至0.65mm,厚度減薄必然導致零部件性能下降,某些主機廠為提高翼子板抗凹性,會適當加貼補強膠片,這樣會使零部件成本增加。如何平衡零部件性能、材料成本、零部件重量,在滿足性能要求的情況下,達到減重降本的最佳效果?

        正交試驗設(shè)計和分析方法是目前最常用的工藝優(yōu)化試驗設(shè)計和分析方法,是部分因子設(shè)計的主要方法。正交試驗以概率論、數(shù)理統(tǒng)計和實踐經(jīng)驗為基礎(chǔ),利用標準化正交表安排試驗方案,并對結(jié)果進行計算分析,最終迅速找到優(yōu)化方案,是一種高效處理多因素優(yōu)化問題的科學計算方法[1]。本文通過正交試驗方法,綜合考慮零部件性能、成本、重量,優(yōu)化翼子板材料選用。

        1 試驗方案

        根據(jù) DOE方法,首先需要確定考察的指標,即零部件性能、材料成本、重量,其中零部件性能針對翼子板主要為抗凹性,抗凹性的衡量指標為抗凹剛度、局部凹痕抗力、起伏載荷。起伏載荷對于試件不是必然的,它和試件的厚度、幾何形狀、強度有關(guān)[2]。故本次模擬試驗僅考察試樣的抗凹剛度和局部凹痕抗力,由此確定的指標為抗凹剛度、局部凹痕抗力、成本、重量。

        其次需要確定影響指標的因子及其相應(yīng)的水平。根據(jù)實際應(yīng)用情況,針對翼子板,影響指標的因子分別為材料種類,即材料屈服強度,材料厚度、補強膠片厚度。材料種類分別選取目前各主機廠常用的DC06、HC180B、HC220B三個水平,板材厚度分別選取0.65mm、0.70mm、0.75mm三個水平,補強膠片厚度分別選取0mm(不貼補強膠片)、1.0mm、1.3mm三個水平。故因子及其對應(yīng)的水平如表1所示。

        表1 因子及其對應(yīng)的水平

        最后選擇合適的正交表,此試驗方案中有三個因子,每個因子對應(yīng)三個水平,故選擇L9(34)正交表,共需要進行9次試驗,按正交表排列后,各試驗序號排列如表2所示,列號A、B、C分別為表1中的三個因子,1、2、3對應(yīng)表1中各因子的三個水平。

        表2 試驗序號排列

        2 試驗原理及試樣

        2.1 試驗原理

        圖1 試驗簡圖

        試驗設(shè)備采用某鋼廠的抗凹性能試驗機,該裝置采用門框式結(jié)構(gòu),框架上的移動橫梁在絲桿傳動下可以上下移動,以確定加載位置。加載系統(tǒng)、凹痕深度測量系統(tǒng)安裝在橫梁上[2]。試驗時,用壓板將試件夾持固定在試驗臺面上,通過壓頭在試件中心施加載荷進行抗凹性(局部凹痕抗力、抗凹剛度)試驗[3]。試驗參數(shù)為壓邊力 9KN,壓頭運行速度5mm/min,壓頭直徑20mm。試驗簡圖如圖1所示。

        2.2 試樣

        鋼板試樣采用脹形樣,坯料尺寸為 180mm×180mm的矩形,經(jīng)脹形模沖壓后獲得,脹形凸模直徑100mm,脹形高度10mm,以模擬汽車翼子板2%的變形量。補強膠片尺寸為60mm×60mm的矩形。按照表2試驗序號準備相應(yīng)的材料牌號及其對應(yīng)的厚度、補強膠片厚度。鋼板試樣隨車電泳后,在凹面內(nèi)側(cè)中心處貼對應(yīng)厚度的補強膠片,再經(jīng) 170℃、20min烘烤,成為最終狀態(tài)試樣。

        3 試驗方法

        3.1 抗凹剛度試驗

        圖2 載荷-位移曲線

        采用一次加載的方式,預加載5N,確保壓頭與試樣充分接觸,此時將載荷、位移清零,并開始記錄,緩慢加載至150N,然后卸載。抗凹剛度為載荷-位移曲線直線段的斜率[4]。下面以試驗序號3,即材料牌號為DC06,板材厚度0.75mm,補強膠片厚度1.3mm為例,說明詳細的計算過程。首先由設(shè)備導出載荷-位移曲線,使用origin8.0進行線性擬合,得出直線的方程,方程的斜率為抗凹剛度值,即270.9N/mm,如圖2所示。

        3.2 局部凹痕抗力試驗

        圖3 載荷-凹痕深度曲線

        采用循環(huán)增量加載,施加預載荷P1=5N,確保試樣與壓頭充分接觸,此時將載荷、位移清零。以載荷增量步Δ=50N增加載荷進行逐次加載-卸載,直至加載到 700N。記錄每一次加載-卸載循環(huán)的載荷-位移曲線,經(jīng)處理獲得載荷-殘留凹痕深度曲線,以試件產(chǎn)生0.1mm永久變形時的載荷,作為局部凹痕抗力[4]。下面以試驗序號7,即材料牌號為HC220B,板材厚度為0.65mm,補強膠片厚度為1.3mm為例,說明計算過程。首先由設(shè)備導出每一次加載-卸載循環(huán)的載荷-位移曲線,記錄每一次卸載后的凹痕深度,經(jīng)處理后獲得載荷-凹痕深度曲線,產(chǎn)生 0.1mm永久凹痕時的載荷為 409.7N,則局部凹痕抗力為409.7N,如圖3所示。

        4 數(shù)據(jù)處理

        4.1 計算各試驗序號指標值

        依據(jù)4.1、4.2描述的方法,可計算出9組試驗序號對應(yīng)的抗凹剛度及局部凹痕抗力。重量計算,每組試驗序號的重量為鋼板重量加上補強膠片重量,鋼板的密度取7.85g·cm-3,補強膠片的密度取 1.45 g·cm-3;成本計算,鋼板價格參考國內(nèi)某鋼廠2017年3月份卷料含稅價,如表3所示,補強膠片價格參考上海某公司,為85元/kg。每組試驗序號對應(yīng)的指標值如表4所示。

        表3 不同材料牌號不同厚度鋼板價格

        表4 各試驗序號指標值

        4.2 計算每個指標下的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、R值

        以抗凹剛度為例,說明計算過程。其中Ⅰi=第 i列數(shù)字“1”所對應(yīng)的指標數(shù)值之和,Ⅱi=第 i列數(shù)字“2”所對應(yīng)的指標數(shù)值之和,以此類推。例如Ⅰ1=第 1列數(shù)字“1”所對應(yīng)的指標數(shù)值之和,即Ⅰ1=142.8+221.3+270.9=635。Ⅲ2=第 2列數(shù)字“3”所對應(yīng)的指標數(shù)值之和,即Ⅲ2=270.9+173.9+233.8=678.6。極差 Ri=max{Ⅰi、Ⅱi、Ⅲi}-min{Ⅰi、Ⅱi、Ⅲi},即 R1=Ⅱ1-Ⅰ1=636.1-635=1.1[5]。各列數(shù)值計算結(jié)果如表5所示。R的數(shù)值越大,表示該列對應(yīng)的因子對指標影響越大,針對指標特性,如果值越大越好,則最優(yōu)水平應(yīng)該為該因子下的最大水平,反之,如果指標值越小越好,則最優(yōu)水平為該因子下的最小水平。對于抗凹剛度來說,值越大越好,由表5可知,第3列(C列),即補強膠片厚度對抗凹剛度影響最大,板材厚度次之,材料種類(材料屈服強度)對抗凹剛度基本無影響,影響因子由強到若依次為C、B、A,所以板材厚度選擇0.75mm、補強膠片選擇1.3mm,抗凹剛度值最大。

        表5 抗凹剛度數(shù)據(jù)計算值

        同理可計算出其他三個指標的R值,由此可得出各指標的主次要因子如表6所示。

        表6 各指標主、次要因子

        5 綜合分析

        針對多指標的試驗設(shè)計結(jié)果分析,有綜合平衡法和綜合評分法,本次采用綜合平衡法。由表6可知,A因子,即材料種類,對各指標來說均為次要因子,因此考慮成本的原因,選擇相對較便宜的 DC06;B因子,即板材厚度,對于指標重量來說為主要因子且重量越小越好,故選擇0.65mm;C因子,即補強膠片厚度,對抗凹剛度、局部凹痕抗力、成本均為主要因子,前兩者來說,要求補強膠片越厚越好,應(yīng)選擇1.3mm,但對成本來說,補強膠片越薄,意味著越輕,成本越低,應(yīng)選擇0mm(不貼補強膠片),成本最低,兩種選擇相互矛盾。因此,針對C因子需進行實際零部件試驗。

        圖4 翼子板檢測點

        選擇已確定的材料DC06,厚度0.65mm,沖壓制成該車型翼子板(不切邊,以便于試驗時固定),采用和前述相同的試驗設(shè)備、試樣處理方法、數(shù)據(jù)處理方法,測試點為主觀評價薄弱點,如圖3所示,檢測結(jié)果見表7。

        表7 不同補強膠片厚度實測值

        根據(jù)企標要求,翼子板表面任意一點的抗凹剛度不低于105N/mm,局部凹痕抗力不低于250N。由表7可知,對于局部凹痕抗力,不貼補強膠片就可以滿足要求,但抗凹剛度不合格, 因此應(yīng)選擇補強膠片1.0mm,即C因子選擇2水平。

        6 結(jié)論

        通過試驗可知,對于汽車翼子板材料的選用,應(yīng)選擇鋼板材料為DC06,板料厚度為0.65mm,并加貼補強膠片厚度為1.0mm,此方案相對其他選擇,能夠在滿足性能要求的前提下,達到重量最小,成本最低。

        [1] 劉瑞江,張業(yè)旺,等.正交試驗設(shè)計和分析方法研究[J].實驗技術(shù)與管理,2010,9(9):52-55.

        [2] 俞寧峰,汪承璞,李川海.汽車鋼板抗凹性試驗方法及其應(yīng)用[J].鍛壓技術(shù),2004,1:51-53.

        [3] 李東升,周賢賓,等.汽車板抗凹性評價體系及試驗機系統(tǒng)[J].北京航空航天大學學報,2003,29(5):467-470.

        [4] 汪承璞,俞寧峰,等.汽車鋼板抗凹性試驗研究[J].材料科學與工藝,2004,12(6):622-629.

        [5] 王乃坤,江樹華,等.正交試驗設(shè)計方法在試驗設(shè)計中的應(yīng)用[J].黑龍江交通科技,2003,8(8):89-90.

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