郝 健

（揚(yáng)州杰特沈飛車輛裝飾件有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225815）

0 引言

隨著人類社會與交通運(yùn)輸行業(yè)的不斷發(fā)展，越來越多的相關(guān)人員開始重視車輛制造工藝水平和車輛設(shè)計技術(shù)方面的研究。相關(guān)資料顯示，在其他因素相同的情況下，重量越輕的車輛，其能量消耗越少，行駛的路程越長[1]，而車輛的結(jié)構(gòu)與材質(zhì)的使用量和分配密切相關(guān)。近年來，科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)材料在很多領(lǐng)域中有了良好的發(fā)展。然而，夾層結(jié)構(gòu)產(chǎn)品種類很多，由于所采用的材料不同、夾層內(nèi)部的結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致夾層結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的幾何參數(shù)也存在差異。對于具體蜂窩結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行具體分析。根據(jù)車輛制造與設(shè)計要求，改善零部件的質(zhì)量。交通車輛的結(jié)構(gòu)設(shè)計比較重要，與材質(zhì)的使用量和分配關(guān)聯(lián)密切。對車輛蜂窩鋁合金技術(shù)及其數(shù)值分析的研究，有助于我們通過合理的視角看待這種新興的產(chǎn)品，這對將來車輛蜂窩鋁合金產(chǎn)品制造工藝的改進(jìn)、大批量生產(chǎn)起到理論支撐的作用。

1 車輛蜂窩鋁合金

人們通過利用仿生學(xué)中的生物功能與結(jié)構(gòu)原理，來研制新技術(shù)并解決機(jī)械技術(shù)問題。蜂窩鋁及其鋁合金結(jié)構(gòu)技術(shù)借鑒了蜜蜂的“蜂窩”。這類“蜂窩”結(jié)構(gòu)，是在相似的平面上排列的多邊形構(gòu)成的兩維結(jié)構(gòu)，具有規(guī)律的棱角與比較清楚的壁、孔，平整的表層可以較好地與面板材質(zhì)組成成品[2]。規(guī)則排列的“蜂窩”與面板構(gòu)成類似“工”字的形狀，當(dāng)面板受力或載荷時，這類“蜂窩”結(jié)構(gòu)可有效分散壓力[2-3]。面板受力比較均勻，面板的區(qū)域面積較大時，“蜂窩”板具有較好的平整度[2]。蜂窩鋁合金早期被應(yīng)用在航空航天行業(yè)。人們逐漸發(fā)現(xiàn)這類材質(zhì)的特點，并制造出了各式各樣的產(chǎn)品。一些“蜂窩”鋁合金結(jié)構(gòu)具有較好的韌性，可以應(yīng)用在交通運(yùn)載工具上面，可以很好的保護(hù)乘客的安全。

2 傳統(tǒng)內(nèi)裝產(chǎn)品與內(nèi)裝蜂窩鋁合金產(chǎn)品對比

采用內(nèi)部厚實板料制成的傳統(tǒng)內(nèi)裝產(chǎn)品，相比于蜂窩鋁合金板料制成的內(nèi)裝產(chǎn)品來說，在外表長、寬、高規(guī)格相同的條件下，其分量較重。而且其在加工制造時對設(shè)備的承重要求較高，切削加工截面時產(chǎn)生的切屑粉塵比較多，容易造成安全隱患，而粉塵防護(hù)也會增加一些成本[4-5]。傳統(tǒng)內(nèi)裝厚實板料產(chǎn)品在大面積的裝配過程中，需要有配套的安裝工具。采用內(nèi)部厚實板料制成的傳統(tǒng)內(nèi)裝產(chǎn)品，因其內(nèi)部厚實，傳遞聲音能力較強(qiáng)。

蜂窩鋁合金板料制成的內(nèi)裝產(chǎn)品相對密度較低，在同等體積下，比傳統(tǒng)厚實板料制成的產(chǎn)品分量要輕。蜂窩鋁合金其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中有多個折射和反射面，聲波傳到其中時，會被反射和折射，阻礙聲波的傳播，基于這種性能，可以將其應(yīng)用于隔音裝置或產(chǎn)品中，可以有效隔離部分聲音。蜂窩鋁合金在交通行業(yè)也有所應(yīng)用，其可應(yīng)用在一些軌道交通工具的衛(wèi)生間中。衛(wèi)生間開啟閥門時，飛濺出的水落在地板上，相比于厚實的木地板，蜂窩鋁合金更防潮。此外，蜂窩鋁合金不可燃，比厚實木地板更防火。2 種產(chǎn)品皆便于回收再利用。

3 車輛蜂窩鋁合金建模及其數(shù)值分析

有限元法是進(jìn)行數(shù)值分析的一種常用方法，在許多學(xué)科中都可以利用有限元方法來解決一些問題。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值分析與計算機(jī)技術(shù)的結(jié)合，使得傳統(tǒng)的機(jī)械工業(yè)煥發(fā)新的活力。有限元不是唯一的數(shù)值分析方法，但是有限元工具占據(jù)了絕大部分的工程數(shù)值分析市場。有限元分析過程采用離散化的方法，將對象幾何體劃分為比較小且簡單實體，并將這些簡單的實體單元稱為有限元。而運(yùn)用有限元工具時，其求解器將這些單元解綜合成分析對象近似解。該文研究了9 種試樣規(guī)格，構(gòu)建數(shù)值模型，分析它們在承受試驗載荷下的應(yīng)力情況。

3.1 車輛蜂窩鋁合金幾何參數(shù)

項目一試樣規(guī)格，如圖1 所示。單個蜂窩鋁合金胞元壁的厚度為0.25 mm，蜂窩鋁合金的胞元粘結(jié)壁厚為0.50 mm，單個蜂窩鋁合金胞元橫壁的長度為5.00 mm，單個蜂窩鋁合金胞元斜壁的長度為5.00 mm，蜂窩鋁合金上面板的厚度為1.00 mm，蜂窩鋁合金下面板的厚度為1.00 mm。蜂窩鋁合金試樣的高度為17.50 mm，整體長度為45.00 mm，整體寬度為43.30 mm。

項目二試樣規(guī)格：單個蜂窩鋁合金胞元壁的厚度為0.30 mm，蜂窩鋁合金的胞元粘結(jié)壁厚為0.60 mm，其余參數(shù)與項目一試樣規(guī)格相同。

項目三試樣規(guī)格：單個蜂窩鋁合金胞元壁的厚度為0.35 mm，蜂窩鋁合金的胞元粘結(jié)壁厚為0.70 mm，其余參數(shù)與項目一試樣規(guī)格相同。

項目四試樣規(guī)格：單個蜂窩鋁合金胞元壁的厚度為0.40 mm，蜂窩鋁合金的胞元粘結(jié)壁厚為0.80 mm，其余參數(shù)與項目一試樣規(guī)格相同。

項目五試樣規(guī)格：單個蜂窩鋁合金胞元壁的厚度為0.45 mm，蜂窩鋁合金的胞元粘結(jié)壁厚為0.90 mm，其余參數(shù)與項目一試樣規(guī)格相同。

項目六試樣規(guī)格：單個蜂窩鋁合金胞元壁的厚度為0.50 mm，蜂窩鋁合金的胞元粘結(jié)壁厚為1.00 mm，單個蜂窩鋁合金胞元橫壁的長度為5.00 mm，單個蜂窩鋁合金胞元斜壁的長度為5.00 mm，蜂窩鋁合金上面板的厚度為0.50 mm，蜂窩鋁合金下面板的厚度為0.50 mm。蜂窩鋁合金試樣的高度為17.50 mm，整體長度為45.00 mm，整體寬度為43.30 mm。

項目七試樣規(guī)格：單個蜂窩鋁合金胞元壁的厚度為0.55 mm，蜂窩鋁合金的胞元粘結(jié)壁厚為1.10 mm，其余參數(shù)與項目一試樣規(guī)格相同。

項目八試樣規(guī)格：單個蜂窩鋁合金胞元壁的厚度為0.60 mm，蜂窩鋁合金的胞元粘結(jié)壁厚為1.20 mm，其余參數(shù)與項目一試樣規(guī)格相同。

項目九試樣規(guī)格：單個蜂窩鋁合金胞元壁的厚度為0.60 mm，蜂窩鋁合金的胞元粘結(jié)壁厚為1.20 mm，其余參數(shù)與項目六試樣規(guī)格相同。

3.2 車輛蜂窩鋁合金數(shù)值分析

項目一模型構(gòu)建：進(jìn)入三維設(shè)計界面，點擊進(jìn)入草圖繪制窗口，選擇多邊形并輸入六邊形設(shè)置參數(shù)，生成單個六邊形“蜂窩”，添加約束尺寸，約束外棱邊長為5.00 mm，以外六邊形中心為中心向內(nèi)偏移0.25 mm，構(gòu)建單個蜂窩胞元內(nèi)六邊形，退出草圖窗口并拉伸15.50 mm，然后通過陣列生成試樣規(guī)格蜂窩夾芯層。上下面板的構(gòu)建方法相同，分別以蜂窩夾芯層上下表面為基準(zhǔn)繪制草圖，拉伸1.00 mm的厚度板[1，5]。項目二模型構(gòu)建：以外六邊形中心為中心向內(nèi)偏移0.30 mm，構(gòu)建單個蜂窩胞元內(nèi)六邊形，其余構(gòu)建方法與項目一模型構(gòu)建方法相同。項目三模型構(gòu)建：以外六邊形中心為中心向內(nèi)偏移0.35 mm，構(gòu)建單個蜂窩胞元內(nèi)六邊形，其余構(gòu)建方法與項目一模型構(gòu)建方法相同。項目四模型構(gòu)建：以外六邊形中心為中心向內(nèi)偏移0.40 mm，構(gòu)建單個蜂窩胞元內(nèi)六邊形，其余構(gòu)建方法與項目一模型構(gòu)建方法相同。項目五模型構(gòu)建：以外六邊形中心為中心向內(nèi)偏移0.45 mm，構(gòu)建單個蜂窩胞元內(nèi)六邊形，其余構(gòu)建方法與項目一模型構(gòu)建方法相同。項目六模型構(gòu)建：進(jìn)入三維設(shè)計界面，點擊進(jìn)入草圖繪制窗口，選擇多邊形并輸入六邊形設(shè)置參數(shù)，生成單個六邊形“蜂窩”，添加約束尺寸，約束外棱邊長為5.00 mm，以外六邊形中心為中心向內(nèi)偏移0.50 mm，構(gòu)建單個蜂窩胞元內(nèi)六邊形，退出草圖窗口并拉伸16.50 mm，然后通過陣列生成試樣規(guī)格蜂窩夾芯層。上下面板的構(gòu)建方法相同，分別以蜂窩夾芯層上下表面為基準(zhǔn)繪制草圖，拉伸0.50 mm 的厚度板[1，5]。項目七模型構(gòu)建：以外六邊形中心為中心向內(nèi)偏移0.55 mm，構(gòu)建單個蜂窩胞元內(nèi)六邊形，其余構(gòu)建方法與項目一模型構(gòu)建方法相同。項目八模型構(gòu)建：以外六邊形中心為中心向內(nèi)偏移0.60 mm，構(gòu)建單個蜂窩胞元內(nèi)六邊形，其余構(gòu)建方法與項目一模型構(gòu)建方法相同。項目九模型構(gòu)建：以外六邊形中心為中心向內(nèi)偏移0.60 mm，構(gòu)建單個蜂窩胞元內(nèi)六邊形，其余構(gòu)建方法與項目六模型構(gòu)建方法相同。

圖1 車輛蜂窩鋁合金數(shù)值分析云圖

這里鋁合金材質(zhì)采用3003 鋁合金，在上面板上表面施加試驗載荷，約束下面板的下表面[6]。該文所述的應(yīng)力指的是Von Mises 等效應(yīng)力。在試驗載荷作用時，通過數(shù)值分析工具進(jìn)行模擬，該文中項目一試樣所受的最大應(yīng)力＞項目二試樣所受的最大應(yīng)力＞項目三試樣所受的最大應(yīng)力＞項目四試樣所受的最大應(yīng)力＞項目五試樣所受的最大應(yīng)力＞項目七試樣所受的最大應(yīng)力＞項目八試樣所受的最大應(yīng)力。項目六試樣所受的最大應(yīng)力＞項目九試樣所受的最大應(yīng)力。

4 結(jié)語

蜜蜂是“自然界中最杰出的建筑師”，蜂窩的結(jié)構(gòu)很奇妙，模仿蜂窩結(jié)構(gòu)制造成的產(chǎn)品也有不少妙用。車輛中的蜂窩鋁合金產(chǎn)品重量輕，具有傳統(tǒng)內(nèi)裝產(chǎn)品沒有的優(yōu)點，受到業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。該文在之前科學(xué)工程技術(shù)人員研究的基礎(chǔ)上，對車輛蜂窩鋁合金技術(shù)及其數(shù)值分析進(jìn)行了研究。簡單介紹了車輛蜂窩鋁合金產(chǎn)品，并簡述了該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)原理，對比傳統(tǒng)內(nèi)裝產(chǎn)品與內(nèi)裝蜂窩鋁合金產(chǎn)品的特點，在機(jī)械三維設(shè)計工具中，構(gòu)建車輛蜂窩鋁合金試樣幾何模型，研究多個項目規(guī)格的蜂窩鋁合金，簡述其模型構(gòu)建方法，對比多個規(guī)格構(gòu)建三維模型和數(shù)值模型，運(yùn)用數(shù)值分析工具對車輛蜂窩鋁合金試樣進(jìn)行應(yīng)力分析。