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汽车轻量化材料的力学性能研究
2018-05-22 13:26:28· 来源：牛车网
汽车轻量化可以有效的实现节能减排的目的。实现汽车轻量化主要从材料、结构、工艺三个方面入手，而采用新型材料是汽车轻量化最直接也最有效的方法，因此很有必要对各种轻量化材料的力学性能进行深入研究。
汽车轻量化可以有效的实现节能减排的目的。实现汽车轻量化主要从材料、结构、工艺三个方面入手，而采用新型材料是汽车轻量化最直接也最有效的方法，因此很有必要对各种轻量化材料的力学性能进行深入研究。
由于节能环保的需要，汽车轻量化已成为必然趋势。2013年中国汽车的平均油耗为7.5L/100km；国家规划的节能减排目标为：2015年新车的油耗要下降到6.9L/100km，2020年达到5.0L/100km，因此汽车轻量化迫在眉睫。实现汽车轻量化的手段也有很多，包括材料、结构和工艺三个方面。轻量化材料的应用是汽车轻量化中最基础，也是最核心的手段，受到汽车业界的广泛关注。
常见的轻量化材料分为金属和非金属两大阵营。金属材料主要包括高强钢、铝合金、镁合金等；非金属材料包括工程塑料和复合材料等。这些新材料在实际应用时会遇到多种多样的问题，比如替换材料后汽车的安全性、舒适性、动力性、操控性、经济性往往都会有所改变，需要重新审视。其中安全性涉及到驾车和乘车人的生命安全，所以尤为重要，而汽车碰撞安全要求也在逐年提高，有限元仿真的方法是碰撞安全设计的重要手段，但如何才能准确的利用有限元仿真预测碰撞过程中的力学性能呢？答案是准确的材料力学性能表征。铝合金材料优点很多，它的密度是钢的1/3，比吸能是钢的2倍，延伸性好、耐腐蚀易回收，且其铸造性能良好，可加工成不同形状，是目前最为热门的轻量化材料之一。目前很多车型如奥迪A8、捷豹XFL等均已采用全铝车身，因此本文以铝合金为主要对象，对其独特的力学特性进行简单的介绍。
铝合金在车身上的应用
铝合金材料种类很多，汽车中应用的主要包括2系、5系、6系和7系铝，其形式包括板材、型材、管材及高性能铸铝。不同牌号铝合金的力学性能也会存在较大的差异。传统金属材料力学性能参数主要包括材料静态下的弹性模量、泊松比、屈服强度、抗拉强度、延伸率等，但汽车在汽车碰撞过程中所经历的高应变率范围往往在0-1000/s的量级范围，且材料的变形/断裂模式也不仅仅是单轴拉伸工况。这些加载条件的变化对铝合金材料的力学响应有很大影响。
那么如何较全面的表征铝合金材料力学性能，获得整车有限元仿真中所需要的数据呢？我们需要进行铝合金材料不同应变率的拉伸试验，获取材料的弹塑性数据。在此基础上，再进行不同应力状态的试验，如剪切、拉剪、缺口拉伸、穿孔等，同时结合仿真，获取试验过程中无法获取的信息，最终得到铝合金材料的弹塑性和断裂相关的数据。相应的试验所需要的设备有万能试验机、高速拉伸试验机、落锤冲击试验台、低高速相机、非接触测量分析系统等。由于动态冲击试验实施和结果处理比较复杂，试验成本远比传统的准静态试验要高。
测试系统：1-高速摄像机；2-工业CCD（静态）；3-非接触测量分析系统；4-万能试验机；5-高速拉伸试验机；6-落锤冲击试验台
首先我们来看某铝合金材料的应变率效应，下面展示了准静态拉伸和高速拉伸的试验设置以及不同应变率下某铝合金材料的工程应力应变曲线。在100/s单向拉伸时，为了防止发生“ringingeffect”现象，我们在试件上粘贴了应变片进行测力。从试验结果可以看出这种铝合金材料的应变率效应较明显；不同应变率下的延伸率基本一致。
准静态拉伸试验
高速拉伸试验
某铝材料的工程应力应变曲线（曲线标示结尾的数字代表重复试验）
在汽车碰撞过程中，有部件会出现断裂现象，而很多企业在前期开发CAE模拟的过程中并未考虑或者仅仅采用一个等效断裂应变值来表征材料的断裂特性，但铝合金材料在不同的受力状态下的断裂应变差异很大，这对断裂的预测非常不利，因此需要通过多种应力状态的材料试验来获取更加全面的断裂信息，从而提高仿真预测精度。下面以某铝合金材料为例，测试内容包括了剪切、拉剪、R5缺口拉伸、R20缺口拉伸以及穿孔试验，所有试验均需要配合相应的夹具在万能试验机上完成，采用工业CCD拍摄整个试验过程，再通过非接触软件进行分析，获取变形信息。
由于铝合金材料形式种类较多，不同形式种类材料性能也不一致，如某些铝合金的应变率效应不明显就不需要进行多个应变率拉伸试验；某些铝合金材料各向异性明显就需要进行不同方向的拉伸试验；铸铝材料断裂表征时需要进行多种类型试验（如下图所展示），所以不同类型铝合金的材料表征的试验矩阵还不尽一致，需要具体材料具体分析。
希望本文内容能对大家有所帮助，也希望能够与感兴趣的朋友或者正在进行轻量化材料研究的同行有更多的交流。清华大学苏州汽车研究院轻量化研究所在材料动态试验研究方面已经有多年的积累，并拥有各种材料冲击力学性能试验所需的加载和测量设备，和国内外各大主机厂、零部件供应商、材料供应商、咨询公司、高校等进行了多年的合作，为他们提供了各种材料的冲击力学性能数据。
由于节能环保的需要，汽车轻量化已成为必然趋势。2013年中国汽车的平均油耗为7.5L/100km；国家规划的节能减排目标为：2015年新车的油耗要下降到6.9L/100km，2020年达到5.0L/100km，因此汽车轻量化迫在眉睫。实现汽车轻量化的手段也有很多，包括材料、结构和工艺三个方面。轻量化材料的应用是汽车轻量化中最基础，也是最核心的手段，受到汽车业界的广泛关注。
常见的轻量化材料分为金属和非金属两大阵营。金属材料主要包括高强钢、铝合金、镁合金等；非金属材料包括工程塑料和复合材料等。这些新材料在实际应用时会遇到多种多样的问题，比如替换材料后汽车的安全性、舒适性、动力性、操控性、经济性往往都会有所改变，需要重新审视。其中安全性涉及到驾车和乘车人的生命安全，所以尤为重要，而汽车碰撞安全要求也在逐年提高，有限元仿真的方法是碰撞安全设计的重要手段，但如何才能准确的利用有限元仿真预测碰撞过程中的力学性能呢？答案是准确的材料力学性能表征。铝合金材料优点很多，它的密度是钢的1/3，比吸能是钢的2倍，延伸性好、耐腐蚀易回收，且其铸造性能良好，可加工成不同形状，是目前最为热门的轻量化材料之一。目前很多车型如奥迪A8、捷豹XFL等均已采用全铝车身，因此本文以铝合金为主要对象，对其独特的力学特性进行简单的介绍。
铝合金在车身上的应用
铝合金材料种类很多，汽车中应用的主要包括2系、5系、6系和7系铝，其形式包括板材、型材、管材及高性能铸铝。不同牌号铝合金的力学性能也会存在较大的差异。传统金属材料力学性能参数主要包括材料静态下的弹性模量、泊松比、屈服强度、抗拉强度、延伸率等，但汽车在汽车碰撞过程中所经历的高应变率范围往往在0-1000/s的量级范围，且材料的变形/断裂模式也不仅仅是单轴拉伸工况。这些加载条件的变化对铝合金材料的力学响应有很大影响。
那么如何较全面的表征铝合金材料力学性能，获得整车有限元仿真中所需要的数据呢？我们需要进行铝合金材料不同应变率的拉伸试验，获取材料的弹塑性数据。在此基础上，再进行不同应力状态的试验，如剪切、拉剪、缺口拉伸、穿孔等，同时结合仿真，获取试验过程中无法获取的信息，最终得到铝合金材料的弹塑性和断裂相关的数据。相应的试验所需要的设备有万能试验机、高速拉伸试验机、落锤冲击试验台、低高速相机、非接触测量分析系统等。由于动态冲击试验实施和结果处理比较复杂，试验成本远比传统的准静态试验要高。
测试系统：1-高速摄像机；2-工业CCD（静态）；3-非接触测量分析系统；4-万能试验机；5-高速拉伸试验机；6-落锤冲击试验台
首先我们来看某铝合金材料的应变率效应，下面展示了准静态拉伸和高速拉伸的试验设置以及不同应变率下某铝合金材料的工程应力应变曲线。在100/s单向拉伸时，为了防止发生“ringingeffect”现象，我们在试件上粘贴了应变片进行测力。从试验结果可以看出这种铝合金材料的应变率效应较明显；不同应变率下的延伸率基本一致。
准静态拉伸试验
高速拉伸试验
某铝材料的工程应力应变曲线（曲线标示结尾的数字代表重复试验）
在汽车碰撞过程中，有部件会出现断裂现象，而很多企业在前期开发CAE模拟的过程中并未考虑或者仅仅采用一个等效断裂应变值来表征材料的断裂特性，但铝合金材料在不同的受力状态下的断裂应变差异很大，这对断裂的预测非常不利，因此需要通过多种应力状态的材料试验来获取更加全面的断裂信息，从而提高仿真预测精度。下面以某铝合金材料为例，测试内容包括了剪切、拉剪、R5缺口拉伸、R20缺口拉伸以及穿孔试验，所有试验均需要配合相应的夹具在万能试验机上完成，采用工业CCD拍摄整个试验过程，再通过非接触软件进行分析，获取变形信息。
由于铝合金材料形式种类较多，不同形式种类材料性能也不一致，如某些铝合金的应变率效应不明显就不需要进行多个应变率拉伸试验；某些铝合金材料各向异性明显就需要进行不同方向的拉伸试验；铸铝材料断裂表征时需要进行多种类型试验（如下图所展示），所以不同类型铝合金的材料表征的试验矩阵还不尽一致，需要具体材料具体分析。
希望本文内容能对大家有所帮助，也希望能够与感兴趣的朋友或者正在进行轻量化材料研究的同行有更多的交流。清华大学苏州汽车研究院轻量化研究所在材料动态试验研究方面已经有多年的积累，并拥有各种材料冲击力学性能试验所需的加载和测量设备，和国内外各大主机厂、零部件供应商、材料供应商、咨询公司、高校等进行了多年的合作，为他们提供了各种材料的冲击力学性能数据。
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