铝合金前防撞横梁的服役性能预测及评价

在某车型前舱的设计空间内，设计了一款基于铝型材的前防撞横梁，并通过准静态和动态拉伸试验获得了铝合金的应力-应变曲线，开展了前防撞横梁的服役性能预测及评价。结果表明，6061-T6和6082-T6铝合金的流变应力具有明显的应变速率效应。相比之下，6061-T6铝合金的屈服强度略高，而6082-T6铝合金的应变硬化和应变速率硬化更强；40%重叠偏置碰撞的最大侵入量和应变均大于100%重叠正面碰撞，两者的最大侵入量分别为29.2和29.1 mm,最终侵入量分别为22.4和14.9 mm;拖钩强度工况下，前防撞横梁各结构和焊缝的安全系数均大于1.45,6061-T6铝合金部件、6082-T6铝合金部件和焊缝处的最大疲劳损伤分别为0.435、0.103和0.460,满足强度和损伤的评价指标。     

铝合金汽车前碰撞横梁的轻量化设计与碰撞性能分析

基于显式动力学有限元分析软件,以混合细胞自动机(HCA)作为优化计算模型,对铝合金前碰撞横梁的结构进行优化设计。针对拓扑优化结果,采用模拟退火法优化横梁壁厚尺寸,获得薄壁、中空且带有加强筋结构的铝合金前碰撞横梁设计方案。以6061铝合金前碰撞横梁替代某车型原钢质横梁,通过台车碰撞进行仿真模拟与实验验证。结果表明:铝合金前碰撞横梁比原钢质前碰撞横梁质量减轻了25%,且具有较高的抗弯曲强度,低速碰撞下,铝合金前碰撞横梁较原钢质件系统吸能提高了45.6%。     

6XXX铝合金防撞梁总成在动静态载荷下的变形行为

针对6XXX铝合金防撞梁总成,采用准静态拉伸实验、200 s~(-1)动态拉伸实验获得材料的应力-应变曲线,通过数值模拟得到6063-T6和6082-T6合金材料的Swift-Hockett-Sherby硬化模型参数,对6XXX铝合金防撞梁总成的三点静压和13 km·h~(-1)台车碰撞进行数值模拟和实验验证。结果表明:应变速率变化范围为0. 001～200 s~(-1)时,6063-T6合金应变率敏感性不明显,6082-T6合金表现出明显的应变率敏感性;基于拉伸试验和数值模拟得到的Swift-Hockett-Sherby硬化模型参数能较精确地表征铝合金的塑性行为;三点静压的支反力-位移曲线和低速碰撞的加速度-时间曲线以及变形行为与仿真预测结果吻合度较高,该方法能够准确地预测6XXX铝合金防撞梁总成在动静态载荷下的变形行为。     

一体化铝型材前防撞梁系统碰撞分析

为取消前防撞梁系统横梁与吸能盒之间的连接工序，对某轿车的前防撞梁系统进行了一体化结构设计，用一根型材折弯、机加成一个将横梁与吸能盒一体化的零部件。利用有限元分析软件分别对传统铝制防撞梁系统以及一体化铝型材防撞梁系统进行基于RCAR的低速碰撞仿真分析和基于C-NCAP的高速碰撞仿真分析，得到了两种结构形式的吸能特性。一体化铝型材防撞梁系统在很多方面优于传统铝制防撞梁系统。     

基于Design Explorer的激光切割机横梁优化设计

以某型激光切割机横梁为研究对象,使用ANSYS Design Explorer优化设计模块,将激光切割机横梁的加强筋尺寸、壁厚、矩形孔作为主要的优化参数,在该横梁原强度和刚度不变的前提下对其进行轻量化设计。分别使用优化前后的2个横梁进行工件切割试验,试验结果表明:优化后该横梁的总变形、应力、应变最大值有所下降且分布得到改善,切割工件的切割质量得到提升,质量减少了10.5%     

基于响应面和神经网络模型的7003-T4铝合金防撞横梁拉弯成形多目标优化

以截面形状为目字形的7003-T4铝合金型材为研究对象,以防撞横梁质量最轻和型材拉弯成形之后的截面畸变量最小为目标,以回弹量和最大减薄率为成形质量约束,以横梁摆锤碰撞时摆锤侵入位移为刚度约束,基于有限元仿真技术和NSGA-Ⅱ多目标优化算法,对型材筋的分布、厚度分布以及拉弯成形时的预拉力大小和摩擦系数进行优化设计。研究表明:在没有补拉阶段的型材拉弯成形过程中,影响型材成形后回弹量和截面畸变量的敏感因素顺序为:预拉力大小、摩擦系数;所建立的防撞横梁质量以及摆锤碰撞刚度的多项式响应面模型和回弹量、截面畸变量以及最大减薄率的神经网络模型均具有较高的精度;通过NSGA-Ⅱ多目标优化算法获得型材结构-工艺参数的Pareto最优解。     

基于耐撞性能的保险杠轻量化研究

汽车保险杠结构的耐撞性与轻量化之间的矛盾是设计保险杠结构主要考虑的问题。针对某型轿车保险杠系统,通过对原钢制保险杠进行有限元仿真分析,发现该钢制保险杠的性能达不到该车型低速碰撞的要求。因此,为了实现耐撞性和轻量化的目标,将6061铝合金应用到该保险杠系统中,并将碰撞力和质量作为约束条件建立最大吸能的优化模型,以保险杠外侧板厚度、中间板厚度、内侧板厚度以及吸能盒上下板壁厚作为设计变量进行最优拉丁超立方设计,利用LS-DYNA有限元分析软件得到不同变量情况下的信息,采用二阶响应面法拟合出近似函数,结合响应面模型和具有模拟退火过程的ASA算法对5个板件厚度进行优化,在整车碰撞中比较优化后的保险杠和原钢制保险杠,结果证明该设计方案是切实可行的。     

半固态流变压铸铝合金三角臂开发与应用研究

以底盘关键受力结构件“三角臂”为研究对象，采用铝合金半固态流变压铸成形工艺替代传统钢板焊接工艺实现轻量化，铝合金三角臂本体的静载强度、模态分析及耐久仿真分析均满足性能要求，且静载强度、刚度均显著优于原钢制三角臂。结合高固相半固态流变压铸工艺特点，通过拓扑优化实现了产品半固态“层流充型”的过程控制。金相分析结果显示，半固态α-Al呈近球状且分布均匀，Si颗粒变质正常；经X射线、荧光探伤检测发现，关键受力位置无气孔、缩孔、缩松缺陷，致密度高。开发出的半固态流变压铸铝合金三角臂质量为2.41 kg,相对原钢制三角臂本体减重39.9%,并通过台架性能试验和整车搭载验证。     

基于侧面碰撞特性的B柱总成轻量化设计分析

基于侧面碰撞吸能特点,对B柱总成进行轻量化设计。从材料、工艺、结构等方面入手,对原B柱外板和加强板进行轻量化设计,采用热成形材料替换、增加补丁板和激光拼焊等3种方案进行设计,采用侧面碰撞仿真分析对方案进行可行性验证,并将设计方案综合应用到实际车型中对方案进行检验。结果表明:3种方案均可实现轻量化设计;热成形材料替换方案的最大侵入量和侵入速度最优,材料的碰撞安全性最高;在满足碰撞安全性的前提下,激光拼焊方案和热成形材料替换方案的轻量化效果基本相当,所研究的案例轻量化效果达到减重16%左右;综合应用分析方案,在满足碰撞安全性法规的前提下,实现减重20%,同时仿真与试验误差控制在15%以内,表明研究结果可以应用于实际车型设计。     

1300MPa级热成形钢高应变速率本构模型分析

对CR950/1300HS的静态和高应变速率下的力学性能进行测试，采用5种不同的硬化模型对静态力学性能曲线进行拟合；选取误差较小的Swift和Hockett-Sherby模型，通过引入加权系数组成混合硬化模型；选取半径为5 mm的缺口拉伸试件进行混合硬化模型验证。在混合硬化模型中引入应变速率强化项，构建应变速率相关的混合本构模型。基于车身B柱侧面碰撞工况，对比应变速率相关的混合本构模型和其他本构模型仿真分析结果与实测结果的差异，以验证模型的可靠性。结果表明，混合硬化模型的仿真分析结果与试验测试的最大力误差为2.15%,可决系数达到0.976,优于其他硬化模型；CR950/1300HS的塑性、屈服强度和抗拉强度随着应变速率的增加得到一定的提升。应变速率相关的混合本构模型所得关键点应力与实测结果误差小于5%;B柱侧面碰撞仿真时，采用混合本构模型得到的最大侵入量和侵入速度的误差分别在4.5%和3.68%以内，优于采用其他模型的结果；因此，可选用该模型作为材料输入应用于碰撞仿真分析。     

仿蜻蜓翅脉的车门内板加强筋多目标优化设计

提出了一种车门内板加强筋布局优化仿生设计思路。结合单一车门内板在下沉工况、侧向柱碰撞、抗凹工况、一阶模态这4种工况下的拓扑优化结果，基于折衷规划法对车门内板进行多目标拓扑优化；结合多目标拓扑优化结果与蜻蜓翅脉优良结构，对车门内板的加强筋进行仿生设计；结合灰色关联度分析法与层次分析法，确定了多目标优化函数中各工况的权重比。研究结果表明：车门质量减轻了2.7%,并且在同样的载荷下，车门抗凹位移减少了37.6%,最大应力值减少了1.4%;下沉位移减少了27.1%,最大应力值减少了36.8%,侧向柱碰撞侵入量减少了1.5%,一阶固有频率增加了3.7%。设计结果为车门内板加强筋布局设计提供了新思路，一定程度上具有切实的工程应用价值。     

7022铝合金的高温力学性能和材料本构方程研究

塑性成形过程中，金属在模具型腔中处于三向应力状态且其变形温度随着流变应变处于动态变化中，因此，合金的流变应力受变形温度、变形量等多因素的综合作用。利用高温压缩模拟试验和有限元分析软件，研究了7022铝合金在变形温度为350、400和450℃,应变速率为0.01、0.1、1和10 s^-1,总变形量为50%时的流变应力、变形温度与应变速率之间的关系；利用Arrhenius材料本构关系，构建了7022铝合金的材料本构方程。结果表明：在应变速率和变形温度的综合影响下，7022铝合金的峰值流变应力随着应变速率的增加以及变形温度的下降而升高，在变形温度为350℃、应变速率为10 s^-1的形变条件下流变应力达到最大，为156.0 MPa。并通过拟合曲线等方式得到7022铝合金的热激活能为144.332 kJ·mol^-1。     

一体式激光拼焊热成形门环的开发及应用

采用1000、1500和2000 MPa这3种强度的热成形钢板，设计开发了由5种厚度板料和2个补丁板经激光拼焊后一体化热成形的门环，并统筹考虑碰撞变形和吸能。对传统冲压-焊接的门环和一体式激光拼焊热成形门环分别进行了25%偏置碰撞和移动变形壁障碰撞的数值仿真，结果显示：25%偏置碰撞时，传统门环侧面变形最大侵入量大于190 mm,而一体式门环为166.313 mm,减少了14.4%,且一体式门环零件的变形侵入量小于传统门环；移动变形壁障碰撞时，一体式门环的变形侵入量略小于传统门环。一体式门环激光拼焊热成形后各区域性能均达到了设计要求，其中B柱上板Patch板强度达到1878 MPa,门槛加强板的强度达到1041 MPa,且韧性好；激光拼焊的5条焊缝强度均大于较弱侧基材的强度。相比于传统门环，一体式门环整车减重10.146 kg,减重率为20.6%;材料利用率由66.7%提升至71.19%;单车成本增加80元/车，但轻量化成本仅增加7.88元，为业内水平的1/3～1/2。     

刮齿机立柱的模态分析与优化设计

立柱作为刮齿机承载的关键零部件,其刚度和振动特性直接影响机床的加工精度,对刮齿机立柱进行静力学分析和模态分析,得出一种优化设计方案。首先,运用ANSYS进行建模,通过静力学分析找出应变最大处;其次对立柱进行模态分析,明确前6阶振型对刮齿机整体性能的影响,保证工作时的激振频率小于固有频率,避免产生共振损坏机床;然后基于出砂孔和加强筋的分布优化立柱结构,并调整壁厚对立柱进行轻量化设计;最后,通过仿真和模态试验验证设计方案的可行性。优化后立柱的总质量减轻了250.1kg,最大应变减小了7.668μm,达到5级机床精度要求,有效提高了立柱的强度和刚度。     

基于最大m值法的超塑性胀形最佳压力加载方式

采用最大m值法拉伸试验获得了随应变变化的最佳应变速率关系曲线,以控制钣金超塑胀形气压加载,使得板料变形集中部位的实际等效应变速率等于变化的最佳应变速率,而非等于恒应变速率拉伸获得的最佳应变速率定值,从而获得比目前基于恒应变速率超塑胀性更优良的成形性能。以2A12铝合金为研究对象,采用最大m值法拉伸实验获得其最佳应变速率关系曲线,以控制超塑性胀形,并与恒应变速率胀形进行比较;为改善壁厚均匀性,设计了正反胀形模具与工艺,并结合有限元软件MSC.Marc 2010,对整流罩进行单向和正反向胀形模拟,并进行实验验证。结果表明,对于单向胀形,基于最大m值法的简化应变速率胀形,其成形时间仅为760s,较恒应变速率胀形3 360s大幅缩短,而二者的减薄率分别为70.4%和70.9%,在降低减薄率的同时,极大的提高了胀形效率;基于最大m值法的简化应变速率正反胀形,零件最小壁厚为1.157mm,较基于最大m值法的简化应变速率单向胀形零件的最小壁厚0.887mm有一定程度增加,而不均匀性则由69.97%降为28.9%,有效改善了壁厚均匀性;实验证明,采用最大m值法的胀形件的最小壁厚有所提高,均匀性得到了有效改善,且壁厚分布与模拟结果相吻合。     

爱驰汽车钢-铝混合车身的U5于2019年12月上市

爱驰汽车U5为一款纯电动中型SUV车型,于2019年12月中旬正式上市。在其车身结构方面,爱驰U5采用了上钢下铝车身设计,下车身从轻量化与吸能考虑,采用了铝合金结构,包括:挤压铝合金前碰撞横梁、一体铸造式铝合金减震塔、真空压铸铝合金横梁和纵梁等。底盘部分大量采用铝合金。爱驰U5用铝比率为52%,其中:铝板为7.1%;铝型材为25.2%;真空压铸铝为19.7%。在钢铝混合结构车身连接技术上,采用了包括SPR(自冲铆连接)、FDS、CMT焊、点焊,以及螺栓、套筒在内的紧固连接技术.     

Si含量对6082铝合金型材弯曲性能的影响

借助扫描电镜(SEM)、电子背散射衍射仪(EBSD)、拉伸和弯曲试验机等研究了Si含量和时效工艺对6082铝合金汽车横梁挤压型材组织及弯曲性能的影响。结果表明：适当增加Si含量可细化Mg₂Si相,使Mg₂Si相数量增多,提高合金的强度和塑性,同时提高弯曲力峰值;但Si含量过高会导致开裂敏感性增加;当w(Si)=1.0%～1.1%时,6082铝合金的综合性能最佳。     

一种改进的损伤断裂准则及其在板料成形中的应用

将Lemaitre损伤断裂准则中的单轴应力状态的线性损伤修正为多轴应力状态的非线性损伤,并以铝合金5052-O筒形件冲压实验为例,揭示了工件的等效应力、等效塑性应变和单位体积损伤值分布规律,分析了模拟和试验成形件深度和壁厚的相对误差,用于评估改进的Lemaitre损伤断裂准则在板料成形工艺中的适用性。结果表明:在使用了改进的Lemaitre损伤断裂准则的筒形件冲压模拟中,工件的等效应力和等效塑性应变的最大值都出现在圆板与凸模圆角接触的区域,且材料的单位体积损伤值达到1的区域发生了破裂。采用改进的Lemaitre损伤断裂准则预测得到的成形深度误差和壁厚最大误差分别仅为6.5%和9.2%。     

供应态2B70铝合金超塑性试验研究

试验研究了供应态2B70铝合金经普通退火处理后在不同变形工艺下的超塑性变化规律.结果表明:采用3.3×10-4 s-1的初始应变速率,在360℃～490℃的拉伸温度范围内2B70铝合金具有一定的超塑性.450℃为合金的最佳超塑性拉伸温度,3.3×10-4 s-1为最佳初始应变速率,在最佳超塑性条件下合金的最大伸长率达到193.3%,流动应力为13.94 MPa.在超塑性拉伸过程中,由于不断发生动态回复及再结晶,晶粒趋于明显细化和等轴化.合金的超塑性变形是以晶界滑移为主的变形机制,在较低拉伸温度及较高初始应变速率下晶界滑移痕迹较少,表现出明显的晶间断裂特征.     

基于静态三点弯曲超高强钢硬化行为模型分析

选取HC700/980DHD+Z、 HC780/980CPD+Z和HC700/980DPD+Z进行分析,对比了3种材料力学性能和极限冷弯性能的差异;基于5种硬化模型对材料性能曲线进行拟合,选取两类拟合度较高的模型构建了组合硬化模型,并采用R5缺口拉伸试验进行了验证;基于前防撞梁静态三点弯曲测试和仿真对标分析,对组合硬化模型进行验证,并对3种材料的承载性能进行对比分析。结果表明:HC700/980DHD+Z和HC780/980CPD+Z的极限冷弯角分别为109.8°和109.6°,优于HC700/980DPD+Z;前纵梁静态三点弯曲试验测试与仿真分析中关键参数的最大误差在6%左右,表明材料本构模型的精度较高;HC780/980CPD+Z的承载力峰值最大,达到15.1 k N; HC700/980DHD+Z达到承载力峰值的位移最大,达到52 mm;屈强比对静态承载过程的峰值力产生重要影响,而断后伸长率的增加提升了材料的强塑积和塑性应变变形,使得承载力峰值的位移增大。