热压成型方法下轻量化汽车零部件的虚拟设计与验证

2020-10-19邢宇航

电子科技 2020年10期

邢宇航

(吉林大学珠海学院，广东珠海 519090)

随着我国汽车工业的发展，汽车功能不断完善，传统的造车工艺在当前的需求下会带来汽车质量的提升。汽车质量会对汽车的安全性与环保性带来一定的影响，最直观的体现就在于汽车的燃油经济性。据预测，2020年时汽车消耗的石油资源将占全球石油总消耗量的64%[1]。研究表明，当汽车质量下降10%时，经济型可提升6%～8%[2]。因此，汽车的轻质化设计是一个现实的需求。

由于汽车制造需要经历复杂的流程，花费高昂的成本，因此在汽车轻质化的研究过程中，需要先建立汽车零部件的计算机模型，来对设计理念进行验证。本文采用有限元建模方法对使用热压成型工艺的汽车零部件性能进行验证。在验证时，以我国的C-NCAP碰撞标准作为参照[3-6]。计算机仿真结果表明，本文所使用的由热压成型工艺制作的汽车零部件，在实现汽车轻质化的同时，还可以对汽车的安全性有一定程度的提升。

1 方法概述

1.1 有限元建模方法

汽车零部件结构性能分析对整车的被动安全、汽车结构优化和改进有着重要意义。对于关键零部件的轻量化设计，需要有效的建模分析方法。本文使用的零部件建模分析方法的理论基础是有限元分析法，其流程如图1所示[7-8]。

网格划分与检查：在进行网格的划分前，需要首先对CAD模型进行集合，进行孔洞、圆角、凸台、包边的处理。网格化分时，需要确定网格尺寸，本文定义的网格尺寸在8～10 mm。对于过大的孔洞，将其进行六边形或八变形的分割。划分后的网格需要满足边长比、雅可比、三角比、翘曲度等指标的要求。

定义材料属性：网格化分完毕后，需要对有限元分析时的材料属性进行定义，包括所用材料的板件厚度、材料材质、材料截面属性。本文涉及的实验验证为针对零部件的模态、刚度等静态特征的线性分析，主要涉及了碳钢、焊点材料、粘胶材料的相关属性。

零配件装配检查：材料属性定义完毕后，需要将各个材料按照一定的装配规则，装配成汽车零部件。此时，需要定义材料间连接和穿透的关系。图2给出了使用有限元方法建立的汽车侧面碰撞模型，其将被用于后文的碰撞测试实验中。

1.2 热压成型理论

在塑料加工工业中，热压成型法是一种应用广泛的材料加工方法，其过程相对简单，将材料加热后把模型固定在加热板上注入材料，调节温度，使得材料硬化[9-10]。然而，对于汽车的B柱，现有的加工理论大多基于冷压成型方法。该方法在碰撞中容易产生开裂、回弹等不安全现象。如图3(a)所示，B柱包含上下两个部分，为保证B柱的强度，又增加两个加强件。图3(b)是使用热压成型方法设计的B柱模型。各方法下模型的参数，如表1所示。可以看出，使用热压成型方法使汽车零部件的质量有了明显下降，从而达到了轻量化设计的目的。

表1 不同工艺下的汽车B柱参数

2 仿真验证

2.1 仿真环境

本文仿真环境的建立基于中国C-NCAP碰撞标准。根据该标准的规定，图2中侧面碰撞物的质量为950 kg，速度为50 km·h-1。由式(1)所示的动能理论可以得到碰撞物的总能量为91.6 kJ。

E=1/2mv2

(1)

根据能量守恒定律，可以得到仿真环境中各个能量随时间的变化曲线。由于有限元仿真计算时，无法取到无穷大，因此有可能造成能量的泄露。而由图4可看出，系统中的Hourglass Energy趋近于0。因此，本文建立的仿真环境及碰撞模型满足能量守恒，可以用于汽车零部件的碰撞效果试验。

2.2 仿真结果

图5给出了碰撞发生40 ms后，使用热压/冷压成型理论制造的B柱汽车的车身形变对比。可以明显的看出，图5(b)中使用热压成型理论的汽车车身在遭受同等级别的撞击时，其侧面车身的形变程度(门板、防撞梁等部件)远小于图5(a)中的车身。为了定量地衡量不同工艺下的车身变形程度，本文还选取了驾驶员驾驶汽车时预估的头部和中间肋骨在车内所处的位置进行了碰撞侵入的分析，结果如图6所示。

图6给出了碰撞后汽车的侵入情况。从图6(a)和图6(b)可以看出，原始的头部参考点的最大形变距离为46.56 mm，轻量化设计后的最大形变距离为45.95 mm，优化了1 mm。原始上肋部参考点的最大形变距离为116.89 mm，轻量化设计后的最大形变距离为109.89 mm，优化了7 mm。从图6(c)～图6(d)可以看出，原始头部参考点最大速度为5.61 m·s-1，轻量化设计后为5.44 m·s-1。原始上肋骨的参考点速度为6.63 m·s-1，轻量化设计后的速度为6.47 m·s-1。两个部位参考点速度均降低了约1.7 m·s-1。在碰撞试验中，参考点形变距离的大小可以表征碰撞对于驾驶员的挤压状况，速度的大小可以表征碰撞对于驾驶员冲击的能量。从仿真结果可以看出，经过热压成型后在汽车车身在轻量化的同时，降低了碰撞的挤压和冲击力，从而可满足汽车碰撞的安全性需求。