張 賽，孟憲明，吳 昊，黃亞峰，方 銳

(中國汽車技術研究中心 汽車工程研究院，天津 300300)

從20世紀80年代材料數據庫問世以來發(fā)展到今天，材料數據庫技術及其衍生的專家選材系統已成為材料領域的一個重要分支，其在工程材料的選材分析、加工制備、性能評價和開發(fā)應用等方面都起著重要的作用[1]。材料的合理選擇、科學處理和精確設計直接關系到產品的成本與質量。近年來，隨著信息技術的高速發(fā)展，數據庫系統的應用大大超出了傳統領域的使用范圍，在材料研制、產品設計和決策咨詢服務等方面取得了突破性的進展[2]。計算機化的材料數據庫系統可以與CAD、CAE等輔助設計軟件配套使用，也可以形成知識庫與人工智能技術相結合，構成材料性能預測或材料設計與選材分析的智能專家系統。

汽車工業(yè)作為國民經濟的主要支柱產業(yè)，其與原材料產業(yè)有著極為密切的關系。據德國聯邦統計局統計，生產一輛汽車的費用為：原材料占53%、制造占30%、設計開發(fā)占5%、其他占12%，由此可見原材料之重要[3-4]。對于國內的大多數汽車企業(yè)，按照傳統的汽車選材過程，設計人員應根據經驗、個人知識、所掌握的信息及大量的試驗才能選擇最佳的車身用材料。由此帶來的重復勞動消耗了大量的人力和時間，而且由于時限性和個人知識面的局限性，往往難以實現選材的最優(yōu)化。另外，對于國內合資汽車企業(yè)，基于汽車生產成本的考慮，經常會遇到車身材料國產化的問題，在替換材料牌號時，使得汽車廠的材料工作人員和沖壓工藝人員在每換一次牌號或者批號的材料時都要對其進行大量的試驗來驗證板料的可成型性以及板材的焊接特性，并根據經驗來判斷材料的工藝可行性。由此帶來的重復體力勞動耗費了大量的人力和時間，也難以實現選材的最優(yōu)化以及替代材料的最佳匹配性。

隨著技術及相關產品的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，汽車材料產品的更新換代也更加頻繁，由此帶來的材料的選擇也更加頻繁和困難，采用傳統的方法選材已經遠遠不能滿足技術發(fā)展的要求。各大汽車廠也希望能在短時間內給出材料的最合適的匹配方向，進而推薦一個比較合理的材料匹配方式，這樣可以大大節(jié)省人力和時間，而計算機專家選材系統可以滿足這一要求。國外的許多著名大型汽車企業(yè)，例如福特、通用、大眾、豐田、日產以及克萊斯勒等，都有其自身的車身材料數據庫，對其自身的選材分析以及后續(xù)生產工藝都起到了重要的指導作用，但這部分數據庫一般作為主機廠的技術秘密而不對外公開，并且國外的材料數據庫主要基于國外生產的材料牌號來建立，其性能指標與國內材料沒有可比性。因此，開發(fā)出基于我國國內各大鋼廠汽車用鋼的材料數據庫以及在其基礎上開發(fā)車身材料選材專家系統具有重要的現實意義。

1 基于材料數據庫系統的選材評價

針對汽車車身的選材過程是一個十分復雜的過程。車身制造與結構開發(fā)的選材評價是對材料及形成構件或產品的過程以及該構件或產品對汽車結構裝備形成的功能與效益進行識別和評估，其中涉及材料本身的技術性能、材料制備和形成構件或產品的生產工藝、經濟與社會效益以及對環(huán)境的影響等諸多因素。建立準確的基于車身材料性能數據庫的選材專家系統的關鍵點是車身選材判定規(guī)則的建立，選材規(guī)則的合理性與邏輯性直接關系到選材結果的準確性，其中如何表示材料基礎數據庫中的各種規(guī)則又是需要深入探討的問題，同時各項性能指標健全的材料數據庫也是保證選材專家系統是否能得到正確推理結果的重要因素之一[5-6]。

本研究是在完整、準確、健全的車身材料基礎數據庫的基礎上，建立一個基于可量化評判標準的模型，對車身材料選材應用能夠進行準確判定的選材專家系統(見圖1)。

圖1 專家系統示意圖

1.1 車身材料選材系統評價指標及評價模型的建立方法

車身制造選材系統是實現整車裝配及實現其功能化的基礎與載體，是依照整車設計給出的性能指標，按照要達到或需滿足相應的應用需求，如性能穩(wěn)定可靠性、成本可控性以及制造穩(wěn)定性等條件，建立起來的評價指標體系[7]。這種選材系統是一個基于多目標，并接受多指標約束的綜合體系。本研究搭建的車身材料選材系統平臺主結構包括知識庫、數據庫、推理機、知識獲取機制、解釋機制和人機接口等6個模塊。專家系統的工作過程是一個以知識為基礎、對目標問題進行求解的過程，是一個搜索過程，可見知識庫與推理機是專家系統的核心部分。

基于這2個核心部分，在根據選材輸入條件進行評價時，應有相應的選材評價模型進行權值判斷與材料推薦，以全面客觀地反映選材的要求[8]。

本研究的材料適用性與選材判定評價模型為：

F=f(a,b,c,d,e,…)R

1.2 選材評價方法

在進行車身選材評價時，按照工程師對車身不同部位材料的具體性能要求，首先對車身材料的不同部位進行材料各項性能主要性的劃分；然后對評價材料的各項指標因子根據確定的賦值標準分別進行賦值；之后對指標因子進行初始化處理，主要包括指標的正向化處理與無量綱化(歸一化)處理，以使多樣性、多量綱的指標因子具有一致性與可比性，將經過初始化處理的指標因子值代入選材評價模型中進行計算；最后將計算結果進行排序，大于且越接近于目標值的材料為最適合材料。

1.3 基于材料數據庫的選材評價系統總體結構與分析評價流程

選材評價系統的總體邏輯結構示意圖如圖2所示。系統根據用戶提出的目標，以綜合數據庫為出發(fā)點，在控制策略的指導下，由推理機運用知識庫中的有關知識，通過不斷地探索推理以實現求解的目標。

圖2 選材評價系統的總體邏輯結構示意圖

選材分析評價流程主要分為如下幾個方面。

1)車身材料物理與力學特性分析。材料的各項物理與力學性能是車身選材的關鍵，它決定了材料加工制造工藝的難易程度以及車身成品部件能否滿足相關性能指標的要求；因此，在選材分析時，應首先根據車身制造的設計要求進行材料性能需求分析，確定必要、關鍵的材料常規(guī)性能與使用性能，通過專家系統的材料力學與物理性能數據庫模塊(見圖3)可以迅速查詢以及將所選性能指標調用到選材系統分析中。這里所謂的常規(guī)性能是指在常溫常壓下的材料本征性能，使用性能是指與使用環(huán)境密切相關的服役性能，如車身結構耐撞性、車身疲勞耐久性能、車身NVH性能以及車身強度性能等。

圖3 材料力學與物理性能數據庫模塊

2)零部件制造工藝可行性分析。從整車的制造角度考慮，車身用材不僅要滿足車身性能和車身制造成本的要求，還要滿足車身部件的沖壓成型加工性能要求。如果其他各項性能指標都很好的材料，但是其沖壓成型較差，沖壓次品率較高，這樣的材料在沖壓工藝可行性中被賦予的權值就會較低，最后會影響其在選材分析中的推薦排列名次。另外還應考慮車身部件裝配性能，其是同種或異種材料之間的可焊接性以及焊點強度特性，在判斷完車身零部件的可沖壓性的基礎上，根據備選部件的材料牌號以及厚度，選取車身材料數據庫的子數據庫——車身焊點數據庫，根據材料牌號和厚度的輸入依據，對材料的可焊性以及相關焊點強度進行分類篩選，最后根據子數據庫的相關性能數據給出選定材料的權值。最終系統將會把判斷得到的權值系數，分類提交給上一級的材料選材模型，以備后期進行選材分析計算。通過零部件選材評價模塊(見圖4)可以得知材料某種工藝的各項性能，以及是否達成性能指標要求。通過該模塊，可以給出用以判斷材料沖壓性能好壞的n值、r值、屈服強度、抗拉強度、延伸率以及根據材料沖壓FLD成型極限圖判斷的沖壓安全域度值。

圖4 零部件選材評價模塊

3)推薦材料初步篩選。專家系統的智能選材規(guī)則庫模塊如圖5所示。通過該模塊，可以依據材料數據庫以及知識專家?guī)旃餐o出的針對工程師要求的推薦牌號的權值指標，進行材料的初步篩選，篩選的過程依據材料的性能權值和制造工藝性的權值大小進行排序，給出初步的材料篩選表及對應的車身材料牌號和厚度組合。

圖5 智能選材規(guī)則庫模塊

4)附加指標選材因子賦值。附加指標選材因子模塊如圖6所示。當上述材料性能指標中不能滿足對選材的需求時，點擊“附加額外權值”按鈕。附加指標選材因子指的是人為控制指標，分別為材料成本指標和供應商產品穩(wěn)定性指標。材料成本指標是指原材料的采購成本，1臺車的設計，在滿足車身性能指標要求的基礎上，還要控制其原材料的成本，才能使企業(yè)獲得更大的利潤，因此工程師在進行材料選擇的過程中也要兼顧材料的成本指標；而供應商產品穩(wěn)定性指標是指給車企供應原材料的各個原材料生產企業(yè)的產品穩(wěn)定性，不同的原材料生產企業(yè)由于其員工的技術水平以及生產設備的先進程度各不相同，其生產的同一種牌號、同一種厚度的材料的性能也可能隨著生產批次的不同而有所差別，這種差別是當前原材料生產企業(yè)普遍存在的，但是差別的大小是與原材料企業(yè)相關的，因此設置供應商產品穩(wěn)定性指標，以便能盡可能地解決與穩(wěn)定其后期整車產品的質量一致性問題。

圖6 附加指標選材因子模塊

上述提到的這2項指標因子是手動輸入的，由于這2項指標很難進行量化的科學評價，各個汽車廠都有其自身的成本和質量一致性要求，因此汽車廠的選材工程師可以根據采購成本和材料檢測質量統計報表來對這2個因子進行評價與輸入。

5)智能選材模型最終權值計算。根據上述幾個分析步驟提供的權值參數，計算機會把這些權值自動提交到智能選材模型中進行權值的計算，最后給出每種材料的權值大小，依據權值的大小排列輸出給結果綜合顯示系統。

6)選材評價結果的顯示。根據上述智能選才模型的計算結果，顯示分析系統會給出按照權值大小進行排列的表格，以及根據權值大小繪制的柱狀圖、直方圖、餅狀圖和蜘蛛網式圖，以便進行材料牌號間的比較。給選材人員以各個方面的顯示，便于選材人員進行選材。其中的一種柱狀圖顯示方式如圖7所示。

圖7 選材專家系統結果輸出模式

2 車身選材應用實例分析

零部件選材分析示意圖如圖8所示。針對某款國內開發(fā)車型的車身中部B柱用材需求，應用材料適用性評價模型的材料數據庫選材系統開展選材評價與分析。通過車身設計工程師和結構安全工程師的分析，建議中部B柱用材的使用要求主要為可成型性和有較高的結構耐撞特性，因此選擇的關鍵性能為材料的n值、r值、FLD成型極限安全域度、材料的準靜態(tài)屈服強度、準靜態(tài)抗拉強度、材料的動態(tài)力學特性和應變率敏感性。根據設計要求，確定材料的屬性指標要求分別為n≥0.2，r≥2.5，FLD安全域度≥0.15，準靜態(tài)屈服強度≥340 MPa，準靜態(tài)抗拉強度≥600 MPa，應變率敏感系數m≥0.5。將這些條件輸入數據庫中進行檢索，篩選出符合要求的WD600DP、B340-590DP、B340LA、B280VK以及B410LA這幾種材料，這幾種材料的排列是按照篩選權重進行排序的。

圖8 零部件選材分析示意圖

由于這5種材料各有優(yōu)劣，應從性能適用性、技術成熟性、成本與經濟性方面進行全面綜合性評價。按照賦值標準對所有待評價材料進行賦值，同時將設計人員對材料的要求虛擬為“選材標準”一同進行賦值，然后對數據進行初始化處理，再代入評價模型中進行計算(見圖9)，對計算結果進行排序后得到最終評價結果如圖10所示。

圖9 權值輸入

圖10 計算結果

根據用戶的自身要求，考慮到原材料成本和供應商的產品穩(wěn)定性方面的需求，最終選擇B340-590DP為最佳材料。由于采用了基于材料數據庫的計算機輔助選材方法，整個評價過程操作簡單、計算快捷，并且根據系統分析評價得到的結果與專家的經驗判斷和實際應用情況完全吻合。

3 結語

通過上述研究，可以得出如下結論。

1)通過具體的實例操作和實際選材過程對比，得到的結果基本一致，但尚需通過大量的樣本試驗檢驗和不斷優(yōu)化才能真正滿足工程應用要求。

2)基于材料數據庫的選材評價方法，可以充分發(fā)揮由SQL Server建立的數據庫的海量存貯能力、強大的檢索功能以及計算機的超級計算能力，使待評價材料的篩選、大量數據初始化處理與模型計算等評價的繁瑣復雜過程變得更加快捷、準確和智能。

[1] 李霞，蘇航，陳曉玲，等. 材料數據庫的現狀與發(fā)展趨勢[J]. 中國冶金, 2007,17(6)：4-8.

[2] 羊海棠，楊瑞成，袁曉波，等. 材料數據庫在選材中的應用[J]. 材料開發(fā)與應用, 2004, 19(2)：40-44.

[5] 汪建飛，殷國富，寧芊，等. 金屬材料模糊查詢及選材數據庫系統[J]. 機械, 2005, 32(3)：26-28.

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[7] 郭啟雯，才鴻年，王富恥，等. 材料適用性評價指標體系構建研究[J]. 材料工程, 2009(9)：9-12.

[8] 郭啟雯，才鴻年，王富恥，等. 材料適用性評價模型構建研究[J]. 材料工程，2011(1)：11-16.