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德国定制化多材料混合设计的车身轻量化设计与验证项目介绍

2019-6-6 08:59 182 0 来自: 汽车轻量化在线
简介
【汽车轻量化在线】汽车轻量化设计是满足全球减少二氧化碳排放需求的重要措施。在过去,这导致了钢铁或铝等传统金属的过度投资开发。然而,普通材料如钢、铝甚至纤维增强塑料(FRP)的轻量化潜力有限。高强度钢在安 ...


【汽车轻量化在线】汽车轻量化设计是满足全球减少二氧化碳排放需求的重要措施。在过去,这导致了钢铁或铝等传统金属的过度投资开发。然而,普通材料如钢、铝甚至纤维增强塑料(FRP)的轻量化潜力有限。高强度钢在安全轻型车身结构设计中起着重要作用。然而,与板厚减小有关的高密度和屈曲问题(buckling problems)限制了可实现的质量减小水平。铝合金以提高车身强度重量比的潜力而闻名。然而,在刚度方面,铝有一个明显的缺点,即相对较低的杨氏模量。即使纤维增强塑料部件具有优越的轻量化特性,也显示出对车身设计的局限性,如灾难性故障或高生产成本。混合材料结合金属和纤维增强塑料,尽管如此,这种材料可实现的轻量化潜力很大程度上取决于所选材料设计的载荷、位置、几何结构或横截面。为了解释这些限制,研究人员开发了一种新方法---"LHybS"( Lightweight Design with Novel Hybrid Materials, 采用新型混合材料的轻量化设计)。

新型混合材料的轻量化设计

"LHybS"项目(见图1)旨在设计一种不同于以往的材料。在该项目的研究中,开发了一种新的基于优化的过程,该过程首次提供了一种允许设计复杂的需求(最佳分层材料)的方法。材料的贯穿厚度特性曲线不仅考虑了加载相关的要求,还考虑了与材料在车辆中的直接应用相关的要求。该项目的目标是开发一种轻质混合材料,其加工特性类似于白车身生产工厂中传统使用的材料。基于优化的混合设计开发方法流程如图3所示 。

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目标结构的对标分析(REFERENCE STRUCTURE benchmark

作为材料开发的基础,使用了蒂森克虏伯InCar®plus模型。 InCar®项目始于2006年,是一个独立于客户的车身结构研究项目。 InCar®项目的目标是为新材料等级和加工概念的潜在分析开发基础。 2014年,In-Car®plus实现了对最新碰撞安全需求的进一步开发和调整。 InCar®plus的钢密集结构通过利用热成型超高和高强度钢的使用来代表当前的技术水平。 InCar®plus BIW的刚度和噪音 - 振动 – 阻尼(NVH)特性在OEM特定方法中进行了研究,为新定制的混合材料的开发设定了基准。对标分析通过下述测试进行:弯曲刚度(,见图4)、扭转刚度(见图5)、模态分析(见图6)、轻量级系数(Lightweight Index,见图7)和组件选择(见图8)。

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组件选择

后横梁被选作定制材料设计轨迹,见图8。除了新材料必须满足的机械要求外,对这一特定部分还有次要要求,例如阻尼特性、防腐或连接性,这些都必须在材料设计过程中加以考虑。

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BIW组件优化

1. 混合材料设计

对所选部件内的最佳分层材料选择的研究是针对"全局扭转刚度"进行的。为了获得零件材料参数的逐层变化,参考零件被分成七层。为了找到每层的最佳材料,改变每层中的材料参数,这允许找到混合层压板的最佳材料分布。可能的材料是钢,铝,GFRP和CFRP。两种纤维增强塑料都是作为各向同性材料实施的,以减少计算量。

第一个优化循环中,优化导致堆叠序列由钢顶层和多层CFRP核心组成。在第二优化步骤中,每层的厚度变化和每个FRP层的取向自动化,同时符合以下约束:钢的最小可输送厚度范围为0.5mm至0.6mm,单层CFRP的厚度设定为0.05mm,一层CFRP织物的厚度设定为0.35mm。

由于选择的FRP预制品和可用的材料厚度,存在不同的解决方案,并且表2中列出了混合层压板的三种替代方案。第一变体(A)包括0.5mm厚的钢顶层和由5个单向层组成的CFRP芯。基于CFRP的不同材料取向,可以保持扭转刚度,同时将质量减少25%。在变型B中,实现了从单向CFRP到CFRP织物的变化,这将可实现的质量减少了2%。同时,扭转刚度略有增加(+ 0.37%)。变型B和C之间的主要区别在于钢板的厚度。在后一种变型C中,厚度从0.5mm变为0.6mm。因此,CFRP织物的厚度可以从1.05mm减小到0.7mm(采用2层而不是3层CFRP织物),结果组件的质量增加。然而,采用这种设计,与参考相比,质量仍然可以减少14.6%。扭转刚度不受影响。

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2. 几何设计

堆叠混合层压板的深拉可导致复杂的失效模式,例如分层,弯曲或起皱,然而,这可通过适合的部件设计和特殊加工技术来避免。 为了满足这些与材料相关的新制造要求,需要重新设计零件几何形状。

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基于SIMP的拓扑优化的目标。 如图9c所示,扭转最佳结构仅包括在车身后部地板下区域形成桁架的几个杆。

基于最佳的部件几何形状,空间限制和成形限制,开发了新的零件几何形状。 另外,为了避免连接顺序的变化,连接点到相邻部件的数量和位置保持不变。 如图10b所示,新零件几何形状几乎使用整个零件,避免了拉伸比的飞跃。 这保证了新混合部件的高刚度和可制造性。 此几何设计还提供了稍后细分为三个独立组件的可能性。

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严格地说,应该对新零件几何重复之前的基于优化的材料设计过程,因为改变的几何形状可以导致不同的最佳层设计。然而,作为概念证明,变体C的堆叠顺序应用于新零件几何形状(变型D,表3)。 由于新零件几何形状的整体表面较高,因此实现的质量减少是微不足道的。 然而,与参考几何形状相比,可以将扭转刚度提高5.89%并且将轻量化系数降低-5.38%。 通过执行全材料设计过程可以进一步提高轻量化潜力。 这将是未来工作的主题。

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测试与验证

最后,开发的材料经历了一系列静态和动态BIW刚度模拟。 将结果与InCar®plu参考文献进行比较,以突出定制混合材料设计的潜力。在所有情况下,通过定制的混合堆叠重新设计贯穿厚度特性带来重量减轻,同时保持或甚至改善整体车辆性能,比较表4。

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结论和展望

在该研究项目中引入的数值优化过程允许直接在BIW内设计新颖的需求 - 最优混合材料。 这些材料使重量减轻高达25%,并保持了进一步的轻量化潜力。 目前,仅在数值模拟和基于试样的实验测试中研究了所开发的材料。 关于实部件几何结构的实验验证仍在进行中。 选定的演示组件将进行一系列碰撞,刚度和耐久性测试,以指出汽车应用的合格性。 此外,所开发的方法将被整合到一个用户友好的数字工具中,以在机械系统的系列开发中提供可用性。此外,该方法可用于其他学科,例如在航空或能源领域。

来源:作者:Alan A. Camberg, Ina Stratmann,Thomas Tröster

汽车轻量化在线翻译整理

特别声明:本文为汽车轻量化在线原创技术文章,版权归汽车轻量化在线所有,未经作者允许禁止转载和改写。如需转载请联系编辑,微信号:qcqlhzx

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