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        輕量化技術(shù)和材料在汽車(chē)工程中的應(yīng)用

        2022-11-17 07:51:56趙顯蒙李長(zhǎng)青張慶霞劉坤孫淑偉
        機(jī)械工程師 2022年10期
        關(guān)鍵詞:鎂合金沖壓輕量化

        趙顯蒙,李長(zhǎng)青,張慶霞,劉坤,孫淑偉

        (中國(guó)人民解放軍 32178部隊(duì),北京 100012)

        0 引言

        汽車(chē)輕量化是在保證汽車(chē)安全性能前提下,降低汽車(chē)的整備質(zhì)量,從而提高汽車(chē)的動(dòng)力性,實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。尤其是“碳達(dá)峰”和“碳中和”被提出后,對(duì)汽車(chē)節(jié)能減排的需求更為迫切。對(duì)于燃油車(chē),汽車(chē)質(zhì)量每減少10%,汽車(chē)燃油效率將會(huì)增加6%~8%[1];而新能源汽車(chē)每減重10%,續(xù)航里程可提升5%~6%,由此可見(jiàn),無(wú)論是在提高汽車(chē)性能,還是在實(shí)現(xiàn)汽車(chē)節(jié)能、降耗、增加續(xù)航里程方面,輕量化都是汽車(chē)的重要技術(shù)路徑之一。

        輕量化技術(shù)涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算仿真、材料技術(shù)、制造工藝、連接技術(shù)及試驗(yàn)評(píng)價(jià)等多方面內(nèi)容[2],結(jié)構(gòu)質(zhì)量的降低是多因素協(xié)同作用的結(jié)果,超高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金和碳纖維復(fù)合材料等輕量化材料的使用是關(guān)鍵因素。本文從設(shè)計(jì)、材料、工藝3個(gè)角度對(duì)輕量化技術(shù)進(jìn)行介紹,并著重對(duì)主要輕量化材料的性能特點(diǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)。

        1 結(jié)構(gòu)輕量化的技術(shù)路徑

        1.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)

        結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)是指在原經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,利用計(jì)算機(jī)輔助工程(Computer Aided Engineering, CAE)的方法,對(duì)材料的承載狀態(tài)、工藝特性進(jìn)行仿真,進(jìn)一步指導(dǎo)對(duì)原結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化,主要包括拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、形貌優(yōu)化等。引入CAE仿真方法,對(duì)零部件及整車(chē)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,可明顯提高車(chē)輛的輕量化設(shè)計(jì)水平。

        整車(chē)開(kāi)發(fā)流程中一般會(huì)對(duì)初始設(shè)計(jì)進(jìn)行多輪的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化是在零部件概念設(shè)計(jì)階段,基于零部件的主要載荷狀態(tài),使材料在設(shè)計(jì)空間內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化分布,以獲得最優(yōu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。尺寸優(yōu)化及形狀優(yōu)化是在拓?fù)鋬?yōu)化的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步調(diào)整局部的材料分布、形狀、形貌等詳細(xì)設(shè)計(jì),以獲得最終的結(jié)構(gòu)方案。各種結(jié)構(gòu)優(yōu)化原理如圖1所示[3]。

        圖1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖

        結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)已在汽車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中有了較多應(yīng)用。莊海濤等[4]對(duì)某車(chē)型轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),轉(zhuǎn)向節(jié)的材質(zhì)為40Cr,質(zhì)量為4.29 kg,優(yōu)化后質(zhì)量為3.9 kg,減重0.39 kg,減重比例為9%。王振東等[5]對(duì)某乘用車(chē)后下控制臂進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì),優(yōu)化前控制臂質(zhì)量為7.5 kg,拓?fù)鋬?yōu)化后控制臂質(zhì)量為5.5 kg,減重2 kg,減重比例為26.6%。干年妃等[6]基于北京現(xiàn)代索納塔前車(chē)門(mén),將單一鋼制車(chē)門(mén)內(nèi)板重新設(shè)計(jì)為多材料分塊式車(chē)門(mén)內(nèi)板,并進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化,原車(chē)門(mén)內(nèi)板質(zhì)量為6.171 kg,優(yōu)化后質(zhì)量為4.761 kg,減重1.41 kg,減重比例為22.8 %。馬芳武等[7]針對(duì)汽車(chē)某車(chē)型后副車(chē)架,通過(guò)多目標(biāo)優(yōu)化方法,并將副車(chē)架縱梁材質(zhì)由低碳鋼S550MC變更為鋁合金6061,使副車(chē)架總成的質(zhì)量由16.6 kg降低至14.19 kg,減重2.41 kg,減重比例為14.5%。陳瀟凱等[8]通過(guò)將控制臂由原鋼材均質(zhì)結(jié)構(gòu)變更為殼/多材料填充結(jié)構(gòu),如圖2所示,原鋼制控制臂主體部分質(zhì)量為2.19 kg,殼/多材料控制臂主體部分為1.9 kg,減重0.29 kg,比鋼制結(jié)構(gòu)減重13.2%。

        圖2 控制臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程

        在汽車(chē)零部件設(shè)計(jì)過(guò)程中,結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的同時(shí),一般會(huì)結(jié)合輕量化材料的合理使用,可以獲得更好的減重效果。

        1.2 輕量化結(jié)構(gòu)材料

        目前,汽車(chē)輕量化材料主要包括超高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金、工程塑料、碳纖維復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics, CFRP)等,典型材料的強(qiáng)度對(duì)比如表1所示[9-17]。在汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)中,使用最多的仍然是鋼材和鋁材,但鎂合金和復(fù)合材料的用量在逐步增加,車(chē)身由鋼鋁混合車(chē)身向多材料混合車(chē)身發(fā)展。

        表1 典型材料的密度、抗拉強(qiáng)度和比強(qiáng)度

        輕量化材料在汽車(chē)零部件中的應(yīng)用已有較多的研究,技術(shù)路線以“以鋁代鋼”和“以塑代鋼”為主線,劉陽(yáng)等[18]對(duì)比了塑料和鋼制前翼子板的質(zhì)量,鋼制翼子板材質(zhì)為DC04,塑料翼子板采用PP+EPDM,通過(guò)結(jié)構(gòu)集成設(shè)計(jì),塑料翼子板可減重48.5%,同時(shí)可以明顯減少零部件數(shù)量,如表2所示。楊菲菲等[19]分析了某純電動(dòng)SUV復(fù)合材料后背門(mén)總成的輕量化情況,后背門(mén)總成主要包括內(nèi)板、下外板及上擾流板,內(nèi)板材質(zhì)為PP+GF40,下外板及上擾流板材質(zhì)為PP+EPDM,內(nèi)板、下外板及上擾流板之間用A/B結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行粘合。鋼制材料約為29.1 kg,復(fù)合材料約為20.9 kg,實(shí)際減重8.2 kg,減重比例達(dá)28%。郭迎福等[20]對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)電池包外殼進(jìn)行了多材料優(yōu)化設(shè)計(jì),其中低碳鋼、低碳鋼-鋁合金混合、碳纖維3種材質(zhì)的減重情況如表3所示。鋼鋁混合設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)減重42%,碳纖維可以實(shí)現(xiàn)減重71%。

        表2 不同材質(zhì)前翼子板減重情況

        表3 不同材質(zhì)電池包外殼減重情況

        在汽車(chē)設(shè)計(jì)及制造中,從成本、工藝成熟度、性價(jià)比等角度考慮,鋼鐵材料仍會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)占據(jù)車(chē)身用材料的很大比例,從表1中也可以看出,先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的比強(qiáng)度已不低于甚至高于某些鋁合金和鎂合金。汽車(chē)的許多零部件都開(kāi)始采用高強(qiáng)度鋼進(jìn)行制造,例如翼子板、地板、頂蓋等位置;在B柱、門(mén)檻梁、頂蓋橫梁等重要安全件,部分安全件已開(kāi)始采用超高強(qiáng)度鋼或熱成形鋼。

        1.3 輕量化工藝技術(shù)

        汽車(chē)輕量化相關(guān)的工藝技術(shù)主要有熱沖壓成形、激光焊接、液壓成形、結(jié)構(gòu)膠粘接等,熱成形和液壓成形零部件應(yīng)用較為廣泛。在汽車(chē)制造中,熱沖壓成形工藝主要用于鋼鐵材料的加工,Mn-B系鋼應(yīng)用最為廣泛[21],如22MnB5[11]、38MnB5[22-23]等;液壓成形主要應(yīng)用于管類(lèi)零件的生產(chǎn)加工。

        熱沖壓成形工藝是將熱沖壓成形用鋼加熱至奧氏體化,在奧氏體溫度區(qū)間保溫一段時(shí)間后,快速轉(zhuǎn)移至熱沖壓模具中進(jìn)行成形和淬火,工藝過(guò)程如圖3所示[24]。最終零件組織一般為完全的馬氏體組織,抗拉強(qiáng)度可達(dá)到1500 MPa甚至更高。熱沖壓成形工藝結(jié)合了沖壓和熱處理過(guò)程,奧氏體組織塑性好、變形抗力小,在零件成形后奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,使零部件回彈小、強(qiáng)度高。目前,熱成形件主要應(yīng)用在汽車(chē)安全件上,如車(chē)門(mén)防撞梁、B柱加強(qiáng)板、地板縱梁、門(mén)檻梁等零部件[25]。汽車(chē)車(chē)身典型熱沖壓零件如圖4所示[26]。

        圖3 熱沖壓成形工藝過(guò)程及組織演變

        圖4 汽車(chē)車(chē)身典型熱沖壓零件

        液壓成形通過(guò)對(duì)管形件內(nèi)腔施加液壓力,使其在模具型腔內(nèi)發(fā)生塑性變形,從而得到所需形狀,其工藝過(guò)程如圖5所示。與沖壓成形零部件相比,液壓成形件可以直接得到具有封閉內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的零部件,減少了焊接工序,可以達(dá)到減少零部件數(shù)量的效果,同時(shí)能提高零件強(qiáng)度和剛度,輕量化效果明顯。崔禮春等[27]將管件液壓成形技術(shù)應(yīng)用于某車(chē)型扭力梁后懸架和副車(chē)架,減重效果如表4所示,分別實(shí)現(xiàn)減重25%和31%,同時(shí)明顯減少焊縫長(zhǎng)度,提高了生產(chǎn)效率和可靠性。液壓成形零部件主要應(yīng)用于前后懸架、副車(chē)架、門(mén)檻梁、防撞梁等零部件。汽車(chē)結(jié)構(gòu)中典型的液壓零件如圖6所示[26]。

        圖5 管件液壓成形工藝過(guò)程

        表4 扭力梁和副車(chē)架不同結(jié)構(gòu)減重情況

        圖6 汽車(chē)結(jié)構(gòu)中典型液壓成形零件

        2 主要輕量化結(jié)構(gòu)材料

        2.1 高強(qiáng)度鋼

        根據(jù)汽車(chē)用鋼的強(qiáng)度分類(lèi),把屈服強(qiáng)度為210~550 MPa、抗拉強(qiáng)度為270~700 MPa的鋼稱(chēng)為高強(qiáng)鋼,把屈服強(qiáng)度大于550 MPa、抗拉強(qiáng)度大于700 MPa的鋼稱(chēng)為超高強(qiáng)鋼[28]。

        鋼的強(qiáng)度和塑性之間的關(guān)系一般是相互矛盾的,強(qiáng)度的升高一般會(huì)降低塑性和韌性。傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼的強(qiáng)度難以超過(guò)600 MPa,如碳錳鋼(C-Mn Steel)、低合金高強(qiáng)度鋼(High Strength Low Alloy Steel,HSLA)、各向同性鋼(Isotropic Steel,IS)、烘烤硬化鋼(Bake Hardening Steel,BH)、高強(qiáng)IF 鋼(High Strength Interstitial Free Steel,HSSIF)等。通過(guò)適當(dāng)?shù)墓に嚳刂其摰奈⒂^組織以得到高強(qiáng)度、高塑性的先進(jìn)高強(qiáng)鋼是現(xiàn)代高強(qiáng)鋼的發(fā)展趨勢(shì)之一。先進(jìn)高強(qiáng)度鋼一般為多相組織,如雙相鋼(Dual Phase Steel,DP)組織為鐵素體+馬氏體或鐵素體+貝氏體,相變誘發(fā)塑性鋼(Transformation Induced Plasticity Steel,TRIP)組織為鐵素體+貝氏體+殘余奧氏體,淬火-配分鋼(Quenching & Partitioning,QP)組織為馬氏體+奧氏體。主要汽車(chē)用鋼抗拉強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率的大致關(guān)系如圖7所示。不同高強(qiáng)鋼的用途不同。烘烤硬化鋼適合沖壓汽車(chē)的外覆蓋件,具有沖壓成形前較軟、形狀穩(wěn)定性好和烘烤后抗凹陷性能較高等特點(diǎn)。雙相鋼和相變誘導(dǎo)塑性鋼適合沖壓結(jié)構(gòu)件和安全件等,具有高強(qiáng)度、高碰撞吸收能和高抗疲勞性能等特點(diǎn)。

        圖7 主要汽車(chē)用鋼抗拉強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率的關(guān)系

        2.2 鋁合金

        鋁合金的密度約為鋼的1/3,且具有高比強(qiáng)度和優(yōu)秀的防腐性能,在車(chē)輛結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用逐漸增多。汽車(chē)制造中使用的鋁合金主要有鑄造鋁合金和變形鋁合金。鑄造鋁合金是將加熱至液態(tài)的鋁水注入鑄造模具中冷卻,然后加工成汽車(chē)零部件。鋁合金鑄件質(zhì)量穩(wěn)定且易于大批量生產(chǎn),已被車(chē)企廣泛使用在輪轂、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、變速器殼體、懸架擺臂、發(fā)動(dòng)機(jī)懸置等零部件。在車(chē)輛中常用的變形鋁合金主要有軋制和擠壓鋁合金,軋制鋁合金主要為5系合金[29],多為板材,主要用于汽車(chē)覆蓋件沖壓成形等。擠壓鋁合金主要為6系和7系合金,多為型材,主要用于車(chē)身骨架。我國(guó)鋁合金牌號(hào)及其對(duì)應(yīng)的合金系如表5所示[30]。

        表5 我國(guó)鋁合金牌號(hào)和對(duì)應(yīng)的合金系

        2.3 鎂合金

        鎂合金密度約為鋼的2/9、鋁的2/3,輕量化效果顯著。鎂合金在室溫是密排六方結(jié)構(gòu),滑移系少,塑性變形能力較差,汽車(chē)上應(yīng)用的鎂合金主要是鑄造鎂合金。鎂合金按照體系主要分為Mg-Zn、Mg-Al和Mg-RE系合金,鎂合金的生產(chǎn)加工成本過(guò)高與技術(shù)水平的差距是鎂合金所面臨的一大難題,但各項(xiàng)研究進(jìn)展較快,在汽車(chē)上的應(yīng)用逐步增多,主要有儀表板管梁、變速器殼體、座椅骨架等。汽車(chē)上應(yīng)用鎂合金零部件的主要位置及減重效果如圖8所示[31],可以看出,與鋼材對(duì)比,鎂合金減重比例為28%~70%,與鋁合金對(duì)比,鎂合金減重比例為22%~42%,減重效果明顯。

        圖8 鎂合金在汽車(chē)零部件上應(yīng)用

        2.4 碳纖維復(fù)合材料

        碳纖維是一種具有高強(qiáng)度、高模量、無(wú)蠕變、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞及熱膨脹系數(shù)小的新型纖維材料,其含碳量在95%以上。碳纖維復(fù)合材料是指以碳纖維為增強(qiáng)相、以樹(shù)脂、金屬及陶瓷等為基體的復(fù)合材料的總稱(chēng)。汽車(chē)用碳纖維復(fù)合材料主要為樹(shù)脂基碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,與鋼鐵材料相比,能夠減輕40%~60%的質(zhì)量;與鋁合金材料相比,能夠減輕25%~30%的質(zhì)量,是汽車(chē)輕量化進(jìn)程中不可或缺的重要材料[17],主要應(yīng)用的零部件有車(chē)頂橫梁、引擎蓋、翼子板、保險(xiǎn)杠、車(chē)頂蓋等。國(guó)內(nèi)外部分碳纖維零部件如圖9所示[3]。目前,碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用還存在諸多限制因素,如成本較高、工藝復(fù)雜、難回收等,制約了其大規(guī)模應(yīng)用。隨著技術(shù)的進(jìn)步及成本的降低,未來(lái)必將在汽車(chē)上得到越來(lái)越多的應(yīng)用。

        圖9 國(guó)內(nèi)外典型碳纖維零部件

        3 結(jié)語(yǔ)

        汽車(chē)輕量化技術(shù)涉及結(jié)構(gòu)、材料、制造等多個(gè)環(huán)節(jié)。在汽車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中,結(jié)構(gòu)和制造工藝的優(yōu)化已日趨成熟,進(jìn)一步優(yōu)化需大幅提升技術(shù)和工藝,導(dǎo)致成本的增加和研發(fā)周期的延長(zhǎng);新材料的應(yīng)用成為汽車(chē)輕量化的有效技術(shù)路線,汽車(chē)整車(chē)廠、零部件廠及相關(guān)材料生產(chǎn)企業(yè)加大了研發(fā)和推廣的力度。

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