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基于1800 MPa級(jí)熱成形鋼的車門防撞梁輕量化設(shè)計(jì)分析

發(fā)布時(shí)間:2021-06-17 09:06:31
來(lái) | 期刊-《汽車工藝與材料》

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前言


在汽車碰撞過(guò)程中,由于汽車側(cè)面吸能構(gòu)件較少且車內(nèi)乘員與車門之間空間小不足以產(chǎn)生大的變形來(lái)吸收碰撞變形能量[1],所以側(cè)面碰撞中對(duì)人員傷害較大。車門防撞梁的應(yīng)用可以在側(cè)面碰撞過(guò)程中提升車門剛度,減少車門變形以及車門對(duì)乘員生存空間的侵入量,延遲乘員與車體的接觸時(shí)間,有效降低乘員傷害。

目前車門防撞梁用材以超高強(qiáng)鋼為主,如980 MPa級(jí)、1 180 MPa級(jí)冷成形超高強(qiáng)度,1 500 MPa級(jí)熱成形鋼等。熱成形技術(shù)可用于成形復(fù)雜形狀的零件、消除冷成形高強(qiáng)鋼遇到的回彈大及易開(kāi)裂等困難且成形后零件具有超高強(qiáng)度,所以應(yīng)用熱成形鋼已成為車門防撞梁輕量化設(shè)計(jì)的主要選材方案。以1 500 MPa級(jí)熱成形鋼制造的車門防撞梁為基礎(chǔ)方案,使用1 800 MPa級(jí)熱成形鋼通過(guò)提高材料強(qiáng)度,減薄料厚進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)分析。

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材料性能

選擇某鋼廠生產(chǎn)的1 800 MPa級(jí)熱成形鋼作為研究對(duì)象,其化學(xué)成分見(jiàn)表1,與基礎(chǔ)方案使用的1 500 MPa熱成形鋼相比,主要通過(guò)提高C、Mn元素的含量來(lái)提高材料的強(qiáng)度。采用相同的熱成形工藝參數(shù)進(jìn)行壓淬試驗(yàn)得到樣板進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試,結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %
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表2 壓淬后鋼板力學(xué)性能
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零件三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

準(zhǔn)靜態(tài)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)可以用于車門防撞梁的抗彎曲性能評(píng)價(jià),本試驗(yàn)對(duì)使用1 500 MPa級(jí)和1 800 MPa級(jí)材料的車門防撞梁分別進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn),對(duì)比零件的抗彎性能,同時(shí)使用獲得的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)材料卡片進(jìn)行標(biāo)定以用于CAE仿真分析。1 800 MPa級(jí)的試驗(yàn)零件在1 500 MPa級(jí)基礎(chǔ)方案的生產(chǎn)模具上進(jìn)行試制,為保證成形過(guò)程中材料的淬透性,零件厚度與基礎(chǔ)方案一致,均為1.6 mm,試驗(yàn)零件如圖1所示。

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圖1 試驗(yàn)零件



3.1 試驗(yàn)條件



車門防撞梁彎曲加載的沖頭半徑為152.4 mm,使用跨距為400 mm的2個(gè)支承座,支承座上端圓柱半徑12.5 mm,加載速度50 mm/min,加載到?jīng)_頭位移為100 mm時(shí)停止試驗(yàn)。載荷測(cè)量使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)力傳感器,位移測(cè)量使用非接觸變形測(cè)量系統(tǒng)計(jì)算分析,三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)裝置如圖2所示。

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圖2 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)裝置



3.2 試驗(yàn)結(jié)果



車門防撞梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)得到的力-位移曲線如圖3所示,試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

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圖3 力-位移曲線

從曲線可以看出,零件厚度和形狀相同的情況下,使用1 800 MPa級(jí)材料的車門防撞梁的最大抗彎力和彎曲變形能明顯大于基礎(chǔ)方案的車門防撞梁。在零件形狀不變的情況下,三點(diǎn)彎曲的最大抗彎力和彎曲變形能與厚度正相關(guān),因此在達(dá)到基礎(chǔ)方案車門防撞梁的抗彎曲性能的前提下可以使用1 800 MPa級(jí)材料對(duì)車門防撞梁進(jìn)行減薄,實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)
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車門防撞梁輕量化設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

使用高強(qiáng)鋼板進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì),常用的方式是使用高強(qiáng)度材料代替低強(qiáng)度材料,在保證使用性能不降低的前提下進(jìn)行料厚的減薄。鋼板的強(qiáng)度和料厚的乘積關(guān)系大體上由變形方式?jīng)Q定,在不改變零件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的情況下,減薄后的材料厚度可以根據(jù)公式(1)進(jìn)行估算[2]。

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式中,t1為低強(qiáng)度鋼板厚度;t2為減薄后的高強(qiáng)度鋼板厚度;σ1為低強(qiáng)度鋼板的屈服強(qiáng)度;σ2為高強(qiáng)度鋼板的屈服強(qiáng)度;N為由變形形式?jīng)Q定的數(shù)值,各種受力情況下N的取值情況見(jiàn)表4。

表4 各種受力情況下N的取值
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車門防撞梁在碰撞中主要承受彎曲載荷,取N=1/2,將1 800 MPa級(jí)和1 500 MPa級(jí)熱成形鋼熱成形后的屈服強(qiáng)度代入公式(1)計(jì)算得出使用1 800 MPa級(jí)熱成形鋼減薄后的車門防撞梁厚度為1.42 mm,取1.4 mm進(jìn)行分析。對(duì)減薄后的車門防撞梁進(jìn)行三點(diǎn)彎曲仿真分析,與基礎(chǔ)方案1.6 mm的1 500 MPa級(jí)車門防撞梁進(jìn)行抗彎曲性能比較。

基于車門防撞梁的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn),建立LS-DY-NA仿真模型如圖4所示,其中防撞梁為殼網(wǎng)格,網(wǎng)格尺寸5 mm,材料屬性賦為基于三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)定的1 800 MPa級(jí)熱成形鋼材料卡;沖頭、支承座均為剛體,網(wǎng)格單元大小為8 mm,支承座全約束,沖頭以恒定速度向下移動(dòng)。根據(jù)試驗(yàn)實(shí)際情況建立沖頭與橫梁、橫梁與支承座之間的接觸。

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圖4 三點(diǎn)彎曲仿真模型

仿真分析得到的零件變形與三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)后的零件變形一致,驗(yàn)證了仿真分析模型和材料卡片的準(zhǔn)確性,如圖5所示。
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圖5 零件變形對(duì)比

仿真分析得到1 800 MPa級(jí)車門防撞梁的力-位移曲線與基礎(chǔ)方案1 500 MPa級(jí)車門防撞梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)得到的力-位移曲線對(duì)比如圖6所示。
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圖6 力-位移曲線

最大抗彎力和彎曲變形能值見(jiàn)表5。由分析結(jié)果可以看出,使用1 800 MPa級(jí)熱成形鋼減薄后的車門防撞梁其抗彎曲性能與基礎(chǔ)方案的1 500 MPa級(jí)車門防撞梁進(jìn)行抗彎曲性能相當(dāng)。

表5 最大抗彎力和彎曲變形能
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為進(jìn)一步驗(yàn)證減薄方案是否滿足碰撞工況車體防護(hù)要求,將車門防撞梁搭載整車進(jìn)行側(cè)面碰撞分析。依據(jù)C-NCAP 2018側(cè)面碰撞規(guī)程,建立側(cè)面碰撞模型,分別計(jì)算1 500 MPa級(jí)熱成形鋼的基礎(chǔ)方案和1 800 MPa級(jí)熱成形鋼的減薄方案,對(duì)比B柱及前后車門的侵入量。

1 800 MPa級(jí)熱成形鋼減薄方案與基礎(chǔ)方案的碰撞仿真結(jié)果對(duì)比如圖7所示,減薄方案B柱及前后車門的侵入量與基礎(chǔ)方案相當(dāng)。分析結(jié)果表明在不改變車門防撞梁形狀的前提下,使用1 800 MPa級(jí)熱成形鋼減薄的方案可行。

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圖7 側(cè)面碰撞仿真分析結(jié)果(圖中曲線M1為基礎(chǔ)方案,M2為減薄方案)

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總結(jié)

a.在1 500 MPa級(jí)車門防撞梁生產(chǎn)模具上試制1 800 MPa級(jí)車門防撞梁,通過(guò)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)對(duì)抗彎曲性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。建立仿真分析模型并進(jìn)行材料卡標(biāo)定,對(duì)減薄方案進(jìn)行仿真分析,將減薄方案的仿真分析結(jié)果和1 500 MPa級(jí)基礎(chǔ)方案的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,得出2種方案的抗彎曲性能相當(dāng),驗(yàn)證了仿真分析模型和材料卡片的準(zhǔn)確性以及減薄方案的可行性。

b.1 800 MPa級(jí)熱成形鋼代替1 500 MPa級(jí)熱成形鋼用于車門防撞梁的輕量化設(shè)計(jì),在保證抗彎曲性能不降低的條件下,可實(shí)現(xiàn)12.5%的降重效果。


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