近年來隨著汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)于汽車的承載能力、使用壽命、節(jié)能減排以及材料升級(jí)切換等方面的要求越來越高。國內(nèi)多數(shù)鋼鐵企業(yè)在700MPa 級(jí)析出強(qiáng)化剛強(qiáng)度鋼添加微合金元素鈮（Nb）。主要目的是為了提高汽車結(jié)構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度、降低部件質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化。商用車汽車大梁作為主要承載部件，幾乎承擔(dān)了車輛整備質(zhì)量和運(yùn)輸貨物的全部重量，其力學(xué)性能對(duì)商用車行駛安全極為重要。本研究以牌號(hào) BG700L 和BG960L 高強(qiáng)度汽車大梁用鋼為例，對(duì)兩種不同材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理，建立了應(yīng)用于強(qiáng)度計(jì)算的力學(xué)性能材料卡。同時(shí)以某商用車型大梁為模型，對(duì)采用 BG700L 和 BG960L 高強(qiáng)度鋼制成的汽車大梁分別進(jìn)行了強(qiáng)度載荷仿真模擬分析和剛度仿真模擬分析。

 

在汽車零部件的正向設(shè)計(jì)開發(fā)過程中需要多個(gè)方面的工況進(jìn)行檢核和驗(yàn)證，例如：模態(tài)分析、強(qiáng)度工況分析、剛度工況分析、疲勞工況分析以及屈曲工況分析等。本文針對(duì)汽車大梁的強(qiáng)度工況和剛度工況對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輕量化的目的。

 

1 力學(xué)性能

1.1 材料屬性

高強(qiáng)度汽車大梁用鋼 BG700L 和 BG960L 的材料力學(xué)性能如表 1 所示。從表 1 可以看出，BG960L的 屈 服 強(qiáng) 度 和 抗 拉 強(qiáng) 度 分 別 為 1070MPa 和1180MPa，明顯優(yōu)于 BG700L 的屈服強(qiáng)度 736MPa和抗拉強(qiáng)度 786MPa。通過拉伸試驗(yàn)測(cè)得材料的工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線，再將工程應(yīng)力曲線轉(zhuǎn)化為真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變曲線，BG960L 的力學(xué)性能比BG700L 有顯著提升。兩種材料的塑性變形的真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變曲線如圖 1 所示。

 

表 1 BG700L 和 BG960L 的力學(xué)性能

Tab. 1 Mechanical Properties of BG700L and BG960L

 

 

 

圖 1 BG700L 和 BG960L 的應(yīng)力應(yīng)變曲線 Fig.1 the stress-strain curve of BG700L and BG960L material

 

1.2 材料力學(xué)性能

應(yīng)用有限元分析軟件制作兩種材料的力學(xué)性能材料卡片，編輯 BG700L 和 BG960L 高強(qiáng)鋼材料的密度、楊氏模量、泊松比等材料參數(shù)，并將真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線導(dǎo)入有限元分析軟件中，所制成的BG700L 和 BG960L 高強(qiáng)度汽車大梁用鋼的材料數(shù)據(jù)如下：

 

 

圖 2 高強(qiáng)度鋼力學(xué)性能a)BG700L 材料卡片 b)BG960L 材料卡片F(xiàn)ig. 2 The keyword of BG700L and BG960L materiala)BG700L b)BG960L

 

2 汽車大梁有限元模擬分析

2.1 有限元模型的前處理

建立某商用車型大梁的三維幾何模型，為保證仿真模擬分析的準(zhǔn)確程度，將模型的設(shè)計(jì)尺寸與真實(shí)零件的設(shè)計(jì)尺寸比例設(shè)置為 1：1，幾何模型如圖3 所示 。使用 Hypermesh 前處理軟件對(duì)模型進(jìn)行幾何清理與網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)尺寸取 8mm×8mm，網(wǎng)格單元類型為殼單元，網(wǎng)格數(shù)量為 103955 個(gè)。大梁的上下板厚都為 10mm，加強(qiáng)板厚度為 5mm，整體質(zhì)量為 440kg。在強(qiáng)度仿真模擬分析中材料分別選用 BG700L 和 BG960L。

 

在汽車大梁的強(qiáng)度分析過程中，設(shè)定汽車載重量為 20 噸，將 20 噸的重量耦合到大梁上板，模擬汽車大梁的承重狀態(tài)。為了能夠滿足車輛行駛過程中的最大承載能力的設(shè)計(jì)要求，在此條件下，對(duì)整個(gè)汽車大梁施加 2.5G 的加速度載荷，來模擬行駛過程中的最惡劣的極限工況。

 

通過約束 A 點(diǎn)來模擬前懸架的板簧支撐作用，約束BCDE 四點(diǎn)來模擬后懸架的板簧支撐作用，其約束方式分別為 XYZ 方向和 Z 方向，如圖 4 所示[8-9]。

 

 

圖 3 某車型大梁設(shè)計(jì)模型Fig. 3 Design Model for certain car beam

 

 

圖 4 汽車大梁強(qiáng)度仿真模擬的有限元模型Fig. 4 Finite Element Model for strength simulation of Car beam

 

2.2 汽車大梁強(qiáng)度分析

將Hypermesh軟件中輸出的設(shè)置文件導(dǎo)入有限元分析軟件中進(jìn)行求解，求解后的輸出文件再導(dǎo)入Hyperview 軟件中進(jìn)行后處理并輸出仿真結(jié)果，本文應(yīng)用 Von Mises 應(yīng)力作為計(jì)算應(yīng)力和判斷標(biāo)準(zhǔn)。

 

不同的約束方式和載荷加載方法會(huì)對(duì)仿真結(jié)果產(chǎn)生影響，所以本研究在相同的約束和加載條件下，分別對(duì) BG700L 和 BG960L 兩種材料制成的汽車大梁進(jìn)行了分析對(duì)比。圖 5 為分別為相同加載和約束條件下，采用 BG700L 和 BG960L 兩種材料制成汽車大梁的應(yīng)力云圖。從圖 5 中可以看出，在相同的加載和約束條件下，BG960L 材料的制成的汽車大梁的應(yīng)力與 BG700L 材料的最大應(yīng)力位置一致，最大應(yīng)力為 699.7MPa，應(yīng)力均小于屈服強(qiáng)度，均在安全使用范圍之內(nèi)。

 

因?yàn)槠嚧罅涸谑茌d時(shí)還處于彈性變形階段，所以采用兩種材料的模型的應(yīng)力一致。為了提高材料的利用率，達(dá)到減重和節(jié)約成本的目的，對(duì)此模型進(jìn)行了減重處理，將大梁模型的上下板厚都減薄至 8mm，加強(qiáng)板厚度減薄至 4.5mm，減重后質(zhì)量為 355kg，減重率約為 20%。同樣使用相同的分析方法，對(duì)減重后的汽車大梁進(jìn)行強(qiáng)度分析，材料選擇 BG960L。圖 6 為減重后汽車大梁的強(qiáng)度分析的應(yīng)力云圖。

 

從圖 6 中可以看出，減薄后的大梁最大應(yīng)力位置處于模型的最下側(cè)，與減重前基本一致。最大應(yīng)力為 874.3MPa，比較減重前有所增加，應(yīng)力還未達(dá)到材料屈服強(qiáng)度 1070MPa，能夠滿足汽車大梁的強(qiáng)度工況的使用要求，并且存在進(jìn)一步的減薄潛力。

 

 

圖 5 大梁強(qiáng)度分析應(yīng)力云圖Fig. 5 Strength Analysis Stress of Car Beam

 

 

圖 6 減重后大梁強(qiáng)度分析應(yīng)力云圖Fig. 6 Strength Analysis Stress of Car Beam after weight reduction

 

2.3 汽車大梁剛度分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證減重的可行性，本文還進(jìn)行了大梁減重前后的剛度分析。剛度的分析方法如圖 7所示，分析方法與強(qiáng)度分析類似。因?yàn)榱慵膭偠戎慌c材料的楊氏模量和零件的結(jié)構(gòu)有關(guān)系，所以本研究只對(duì)比了 BG700L 原設(shè)計(jì)方案和 BG960L 減重方案的剛度。圖 8 為減重后的力與位移曲線，減重前大梁的剛度為 266kN/mm ，減重后剛度為203kN/mm。減重前加載點(diǎn)的 Z 向位移為 0.77mm，減重后加載點(diǎn)的 Z 向位移為 0.9mm。此車型商用車設(shè)計(jì)要求為加載點(diǎn)的 Z 向位移不能大于 3mm，而減重后的位移量并沒有明顯的增加，并且在安全使用范圍內(nèi)。

 

 

圖 7 剛度分析模型Fig.8 Simulation model of stiffness analysis

 

 

圖 8 減重前后的力-位移曲線Fig.8 The force-diaplacement curve of before and after

 

結(jié)論

本 文 以高強(qiáng) 度汽車大梁用鋼 BG700L 和BG960L 為例，針對(duì)強(qiáng)度工況和剛度工況進(jìn)行仿真并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。建立靜態(tài)力學(xué)性能材料卡片，并應(yīng)用到汽車大梁的強(qiáng)度和剛度仿真模擬分析中，研究結(jié)果表明：

（1）建立高強(qiáng)度汽車鋼 BG700L 和 BG960L的材料性能卡片，應(yīng)用于強(qiáng)度有限元分析，提高強(qiáng)度模擬分析的準(zhǔn)確度，對(duì)于汽車的輕量化和選材具有指導(dǎo)意義。

 

（2）BG960L 材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度明顯優(yōu)于 BG700L，分別對(duì)采用兩種材料制成的某車型大梁進(jìn)行強(qiáng)度分析，模擬結(jié)果顯示 BG960L 高強(qiáng)度鋼板力學(xué)性能良好。減重后采用 BG960L 制成的汽車大梁的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度，具有良好的減重空間，并且能夠達(dá)到認(rèn)證要求。

 

（2）應(yīng)用有限元分析軟件，對(duì)減重前后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度分析，并對(duì)比了分析結(jié)果。模擬結(jié)果顯示減重后的位移量比減重前的位移量增加0.13mm，沒有明顯減弱，在合理使用范圍之內(nèi)。

 

資料來源：達(dá)索官方