文|余說(shuō)百事

編輯|余說(shuō)百事

日益嚴(yán)格的燃油排放法規(guī)與不斷提升的消費(fèi)者舒適性要求，促使汽車(chē)輕量化技術(shù)亟需成熟與完善；隨著汽車(chē)電動(dòng)化與智能化的發(fā)展，電池包、控制器、各種視覺(jué)與傳感設(shè)備等都會(huì)增加汽車(chē)車(chē)重，對(duì)汽車(chē)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提出了新挑戰(zhàn)。

結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化、參數(shù)化優(yōu)化等結(jié)構(gòu)層優(yōu)化，連接工藝的不斷發(fā)展，以及鎂合金、鋁合金、塑料、復(fù)合材料等輕質(zhì)材料的應(yīng)用均是輕量化的有效途徑。

近年來(lái)，隨著工業(yè)社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步，人們賴(lài)以生存的環(huán)境正在受到污染的威脅，尤其是空氣污染更加嚴(yán)重，霧霾的侵襲影響著人們的生產(chǎn)生活并給人類(lèi)健康帶來(lái)了巨大的隱患。

圖1-1統(tǒng)計(jì)了世界CO2排放量行業(yè)占比以及廣州市PM2.5來(lái)源。眾多污染源中，汽車(chē)尾氣的污染首屈一指，汽車(chē)的安全、節(jié)能與環(huán)保依舊是永恒不變的主題。

隨著環(huán)境污染的加劇，國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)與法規(guī)日益嚴(yán)格，社會(huì)環(huán)保意識(shí)與消費(fèi)需求逐漸提高，使得汽車(chē)制造商生產(chǎn)的產(chǎn)品從滿(mǎn)足安全、節(jié)能逐漸發(fā)展到滿(mǎn)足安全、節(jié)能與環(huán)保且滿(mǎn)足消費(fèi)者舒適性、美觀(guān)性等日益增長(zhǎng)的附加需求上來(lái)。

世界各主要國(guó)家和地區(qū)都制定了相應(yīng)的燃油消耗量標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)，部分法規(guī)如表1-1所示，例如美國(guó)公司平均燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)要求汽車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)商到2025年乘用車(chē)與輕卡車(chē)提高公司平均燃油效率到54.5mpg。

在參考世界主要國(guó)家和地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的基礎(chǔ)上，我國(guó)相繼出臺(tái)了更加嚴(yán)格的汽車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)。2012年6月國(guó)務(wù)院發(fā)布《節(jié)能與新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020年）》，該法規(guī)明確了我國(guó)新車(chē)油耗的整體目標(biāo)，要求2020年乘用車(chē)新車(chē)平均百公里油耗不高于5.0L；2014年7月國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)下達(dá)GB19578《乘用車(chē)燃料消耗量限制》和GB27999《乘用車(chē)燃料消耗量評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)》等強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)修訂計(jì)劃。

經(jīng)國(guó)務(wù)院同意，2016年01月環(huán)境保護(hù)部與工業(yè)和信息化部聯(lián)合公告部分區(qū)域?qū)嵤C(jī)動(dòng)車(chē)國(guó)五標(biāo)準(zhǔn)。

在整車(chē)四大組成部分中，白車(chē)身占汽車(chē)整備質(zhì)量的30~40%，制造成本約占60%，空載條件下70%的燃油被白車(chē)身消耗掉。而前端結(jié)構(gòu)質(zhì)量大約占白車(chē)身整體質(zhì)量的30%，吸能量大約為白車(chē)身總吸能量的80%，所以專(zhuān)門(mén)針對(duì)汽車(chē)前端結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)具有不可取代的重要意義。

汽車(chē)前端結(jié)構(gòu)劃分如圖1-2所示。同時(shí)，白車(chē)身前端結(jié)構(gòu)對(duì)整車(chē)結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度、耐撞性、安全性、耐久性、魯棒性等許多性能都具有決定性作用，因此加劇了對(duì)前端結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究的重要性。

汽車(chē)前端結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)還直接影響汽車(chē)的行人保護(hù)性以及安全等級(jí)評(píng)價(jià)。

國(guó)外對(duì)汽車(chē)前端結(jié)構(gòu)研究中，Shuler Stephen等利用改善的有限元模型，開(kāi)發(fā)了新的高效的能量吸收器與汽車(chē)前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略，并利用數(shù)值方法優(yōu)化汽車(chē)前端結(jié)構(gòu)。

Makita Masashi等討論了兩輛車(chē)前端結(jié)構(gòu)之間的相互作用對(duì)改善碰撞相容性的影響，提出了均質(zhì)汽車(chē)前端結(jié)構(gòu)，能夠減少攻擊性與傷害性。利用多目標(biāo)遺傳算法對(duì)吸能前端結(jié)構(gòu)進(jìn)行形狀優(yōu)化，利用梁?jiǎn)卧⑶岸私Y(jié)構(gòu)模型。

Park Sung-Wook等提出了某汽車(chē)前端結(jié)構(gòu)采用短纖維復(fù)合材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程，以達(dá)到考慮質(zhì)量與產(chǎn)品性能的減重。Yang R.J.等基于正碰，將連續(xù)變截面（TRB）板應(yīng)用于汽車(chē)前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

Deb Anindya等利用截?cái)嘤邢拊Ｐ瓦M(jìn)行了汽車(chē)前端結(jié)構(gòu)的多目標(biāo)多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足NVH、耐久與碰撞安全性目標(biāo)下進(jìn)行減重優(yōu)化。

國(guó)內(nèi)對(duì)汽車(chē)前端結(jié)構(gòu)的研究中，高云凱等通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化與尺寸優(yōu)化對(duì)汽車(chē)前艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高碰撞安全性與模態(tài)特性、彎曲扭轉(zhuǎn)剛度特性。

吉林大學(xué)王傳青利用SFE-CONCEPT建立了前端結(jié)構(gòu)隱式參數(shù)化模型，綜合考慮材料、厚度、部件曲率等設(shè)計(jì)因素，用近似模型的方法進(jìn)行了結(jié)構(gòu)—材料—性能一體化輕量化多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。陸善彬等應(yīng)用等效靜態(tài)載荷法對(duì)汽車(chē)前端結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗撞性尺寸與形貌優(yōu)化。闞洪貴等對(duì)全塑汽車(chē)前端結(jié)構(gòu)進(jìn)行多目標(biāo)折衷規(guī)劃法的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。

添加Al、Zn元素的鎂合金提高了材料的強(qiáng)度與韌性，使得鎂合金材料強(qiáng)塑積增強(qiáng)，從而使得工程應(yīng)用成為可能。以AZ31B為代表的鎂合金作為一種先進(jìn)的輕量化材料被認(rèn)為是汽車(chē)、航空、航天等制造業(yè)領(lǐng)域最具有潛力的材料。

鎂合金與基礎(chǔ)鋼、鋁合金相比，具有密度低、比強(qiáng)度高、比剛度相當(dāng)、可完全回收、疲勞性能卓越、鑄造性更好（具有減少零部件數(shù)量的潛力）、結(jié)構(gòu)NVH改善等優(yōu)勢(shì)。

鎂合金材料在汽車(chē)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用需要解決一系列問(wèn)題。對(duì)于汽車(chē)結(jié)構(gòu)這樣一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，在服役期內(nèi)需要滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度、碰撞安全性以及疲勞壽命等性能，結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度、疲勞壽命需要獲得材料的彈性模量、屈服極限、抗拉極限等力學(xué)特性；

碰撞安全性需要在以上特性的基礎(chǔ)上獲得不同應(yīng)變率下的材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，或者獲得與應(yīng)變率相關(guān)的材料本構(gòu)參數(shù)。

對(duì)于車(chē)用鎂合金材料的應(yīng)用研究，由于非對(duì)稱(chēng)晶粒微觀(guān)結(jié)構(gòu)，使得不同加載條件下孿生與位錯(cuò)滑移變形機(jī)制在各方向上不同，導(dǎo)致鎂合金材料表現(xiàn)出超強(qiáng)的各向異性與動(dòng)靜態(tài)特性的巨大差異。

鎂合金材料的力學(xué)特性認(rèn)知尤其是動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的認(rèn)知成為工程應(yīng)用的關(guān)鍵。動(dòng)態(tài)力學(xué)的認(rèn)知就要涉及到寬范圍應(yīng)變率的各種應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系以及與本質(zhì)上的應(yīng)變率相關(guān)微觀(guān)變形機(jī)理研究，這給新材料鎂合金汽車(chē)結(jié)構(gòu)的研究與開(kāi)發(fā)工作帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。

鎂合金材料力學(xué)特性的認(rèn)知問(wèn)題。眾所周知，在對(duì)應(yīng)變率相關(guān)的材料進(jìn)行力學(xué)特性研究時(shí)，材料在準(zhǔn)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)過(guò)程所表現(xiàn)出來(lái)的力學(xué)特性會(huì)有很大不同，許多金屬及其合金在不同加載條件下表現(xiàn)出不同的力學(xué)特性，因此對(duì)鎂合金寬應(yīng)變率范圍內(nèi)的機(jī)械性能進(jìn)行研究是非常重要的。

分離式霍普金森桿試驗(yàn)作為一種典型的試驗(yàn)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于確認(rèn)材料應(yīng)變率在102~104s-1范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)常數(shù)。

分離式霍普金森桿裝置是由加速室、沖擊桿、入射桿、透射桿及能量吸收裝置組成的，裝置如圖2-5所示。

沖擊桿在氦氣加速室加速，然后沖擊入射桿，在入射桿中形成一個(gè)矩形脈沖并傳向樣件產(chǎn)生一個(gè)高應(yīng)變率動(dòng)載。

產(chǎn)生的矩形脈沖在入射桿、樣件與透射桿中的阻抗是不同的，一部分入射波會(huì)反射回入射桿，另一部分經(jīng)過(guò)樣件進(jìn)入透射桿，最后由終端的能量吸收裝置吸收殘余能量。

粘貼在入射桿與透射桿上的應(yīng)變片用來(lái)測(cè)量入射波、透射波及反射波。利用連接在應(yīng)變片另一端的超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀來(lái)拾取脈沖信號(hào)。按照一維應(yīng)力波理論通過(guò)拾取的脈沖信號(hào)來(lái)獲得動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。該試驗(yàn)是在北京理工大學(xué)材料實(shí)驗(yàn)室完成的。

鎂合金AZ31B是應(yīng)變率相關(guān)的材料，隨著應(yīng)變率的變化，其最大應(yīng)變與最大應(yīng)力均有較大變化，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系也存在較大差異；而且在每個(gè)應(yīng)變率下都具有應(yīng)變硬化的規(guī)律。

以圖中紅色虛線(xiàn)為分界線(xiàn)，下半部分表示了材料低于應(yīng)變率4000s-1時(shí)，隨著應(yīng)變率的提高，總體趨勢(shì)是最大應(yīng)力、最大應(yīng)變升高。應(yīng)變率在3000s-1時(shí)發(fā)生最大應(yīng)力、最大應(yīng)變比2500s-1時(shí)低的現(xiàn)象，與文獻(xiàn)等其他研究鎂合金材料動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的眾多文獻(xiàn)中得到的試驗(yàn)現(xiàn)象保持一致。

紅色分界線(xiàn)上半部分表示了材料高于應(yīng)變率4000s-1時(shí)，隨著應(yīng)變率的提高，總體趨勢(shì)是最大應(yīng)變逐漸降低，最大應(yīng)力逐漸升高。每條應(yīng)變率曲線(xiàn)的前半部分對(duì)應(yīng)材料的彈性階段，不同應(yīng)變率下得到的彈性模量略有不同，除5000s-1應(yīng)變率時(shí)彈性階段由于試驗(yàn)中樣件與霍普金森壓桿間存在微滑移可以剔除其彈性階段，則可以認(rèn)為各應(yīng)變率下的彈性階段彈性模量差異可以忽略不計(jì)。

進(jìn)行了7000s-1高應(yīng)變率試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了4000s-1應(yīng)變率分界線(xiàn)作為規(guī)律不同的臨界點(diǎn)，彌補(bǔ)了在以前文獻(xiàn)中對(duì)鎂合金材料只進(jìn)行低于3000s-1應(yīng)變率動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的不足。而低于3000s-1應(yīng)變率時(shí)，力學(xué)特性規(guī)律表現(xiàn)一致導(dǎo)致在許多文獻(xiàn)中得到了一種擬合度較高的本構(gòu)模型，

使用這種本構(gòu)模型在應(yīng)變率超過(guò)3000s-1時(shí)的工程應(yīng)用會(huì)造成本構(gòu)模型的錯(cuò)誤，

文中對(duì)發(fā)現(xiàn)的以4000s-1應(yīng)變率為分界線(xiàn)力學(xué)規(guī)律不同的現(xiàn)象進(jìn)行了鎂合金混合本構(gòu)模型的擬合，解決了前面文獻(xiàn)中擬合應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律造成的弊端。

而為了研究高應(yīng)變率下材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)機(jī)理，像如J-C與C-S本構(gòu)都是描述流變應(yīng)力與塑性階段的變形關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)唯象本構(gòu)方程，無(wú)論是結(jié)構(gòu)耐撞性還是成型等過(guò)程涉及到的應(yīng)變率往往對(duì)應(yīng)著材料的塑性變形階段，超過(guò)了彈性階段范圍。

針對(duì)鎂合金材料特殊微觀(guān)結(jié)構(gòu)造成的拉壓不同、各向異性及動(dòng)態(tài)力學(xué)性能復(fù)雜導(dǎo)致沒(méi)有開(kāi)發(fā)出適用于工程應(yīng)用的模型，通過(guò)梳理鎂合金材料的微觀(guān)變形機(jī)理以及反映塑性變形本質(zhì)的基于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的微觀(guān)本構(gòu)，提出了適合車(chē)用鎂合金材料的J-C與C-S混合宏觀(guān)本構(gòu)模型。

發(fā)現(xiàn)了鎂合金材料在4000s-1以下應(yīng)變率范圍內(nèi)與4000s-1以上應(yīng)變率范圍內(nèi)的材料力學(xué)宏觀(guān)表現(xiàn)不同，指出了現(xiàn)有研究只考慮3000s-1以下應(yīng)變率范圍內(nèi)的力學(xué)特性的弊端，確定了混合本構(gòu)模型的應(yīng)變率臨界點(diǎn)。利用遺傳算法確定了混合本構(gòu)模型的參數(shù)。該混合本構(gòu)模型為鎂合金材料的工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

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