近年來隨著汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對于汽車的承載能力、使用壽命、節(jié)能減排以及材料升級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 級析出強化剛強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)件的疲勞強度、降低部件質(zhì)量，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化。商用車汽車大梁作為主要承載部件，幾乎承擔了車輛整備質(zhì)量和運輸貨物的全部重量，其力學(xué)性能對商用車行駛安全極為重要。本研究以牌號 BG700L 和BG960L 高強度汽車大梁用鋼為例，對兩種不同材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線進行了數(shù)據(jù)處理，建立了應(yīng)用于強度計算的力學(xué)性能材料卡。同時以某商用車型大梁為模型，對采用 BG700L 和 BG960L 高強度鋼制成的汽車大梁分別進行了強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)計開發(fā)過程中需要多個方面的工況進行檢核和驗證，例如：模態(tài)分析、強度工況分析、剛度工況分析、疲勞工況分析以及屈曲工況分析等。本文針對汽車大梁的強度工況和剛度工況對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，進而實現(xiàn)輕量化的目的。

 

1 力學(xué)性能

1.1 材料屬性

高強度汽車大梁用鋼 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 度 和 抗 拉 強 度 分 別 為 1070MPa 和1180MPa，明顯優(yōu)于 BG700L 的屈服強度 736MPa和抗拉強度 786MPa。通過拉伸試驗測得材料的工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線，再將工程應(yīng)力曲線轉(zhuǎn)化為真實應(yīng)力-真實應(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應(yīng)力-真實應(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 高強鋼材料的密度、楊氏模量、泊松比等材料參數(shù)，并將真實應(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 高強度汽車大梁用鋼的材料數(shù)據(jù)如下：

 

 

圖 2 高強度鋼力學(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確程度，將模型的設(shè)計尺寸與真實零件的設(shè)計尺寸比例設(shè)置為 1：1，幾何模型如圖3 所示 。使用 Hypermesh 前處理軟件對模型進行幾何清理與網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格標準尺寸取 8mm×8mm，網(wǎng)格單元類型為殼單元，網(wǎng)格數(shù)量為 103955 個。大梁的上下板厚都為 10mm，加強板厚度為 5mm，整體質(zhì)量為 440kg。在強度仿真模擬分析中材料分別選用 BG700L 和 BG960L。

 

在汽車大梁的強度分析過程中，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)計要求，在此條件下，對整個汽車大梁施加 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 點來模擬前懸架的板簧支撐作用，約束BCDE 四點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)計模型Fig. 3 Design Model for certain car beam

 

 

圖 4 汽車大梁強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行求解，求解后的輸出文件再導(dǎo)入Hyperview 軟件中進行后處理并輸出仿真結(jié)果，本文應(yīng)用 Von Mises 應(yīng)力作為計算應(yīng)力和判斷標準。

 

不同的約束方式和載荷加載方法會對仿真結(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 BG700L 和 BG960L 兩種材料制成的汽車大梁進行了分析對比。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)力均小于屈服強度，均在安全使用范圍之內(nèi)。

 

因為汽車大梁在受載時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，達到減重和節(jié)約成本的目的，對此模型進行了減重處理，將大梁模型的上下板厚都減薄至 8mm，加強板厚度減薄至 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，對減重后的汽車大梁進行強度分析，材料選擇 BG960L。圖 6 為減重后汽車大梁的強度分析的應(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)力還未達到材料屈服強度 1070MPa，能夠滿足汽車大梁的強度工況的使用要求，并且存在進一步的減薄潛力。

 

 

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

 

 

圖 6 減重后大梁強度分析應(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

為了進一步驗證減重的可行性，本文還進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，分析方法與強度分析類似。因為零件的剛度只與材料的楊氏模量和零件的結(jié)構(gòu)有關(guān)系，所以本研究只對比了 BG700L 原設(shè)計方案和 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。減重前加載點的 Z 向位移為 0.77mm，減重后加載點的 Z 向位移為 0.9mm。此車型商用車設(shè)計要求為加載點的 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 度汽車大梁用鋼 BG700L 和BG960L 為例，針對強度工況和剛度工況進行仿真并進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。建立靜態(tài)力學(xué)性能材料卡片，并應(yīng)用到汽車大梁的強度和剛度仿真模擬分析中，研究結(jié)果表明：

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

 

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

 

（2）應(yīng)用有限元分析軟件，對減重前后的結(jié)構(gòu)進行剛度分析，并對比了分析結(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：達索官方