【干貨】汽車輕量化材料的力學(xué)性能研究

　　新能源汽車網(wǎng)訊 汽車輕量化可以有效的實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。實(shí)現(xiàn)汽車輕量化主要從材料、結(jié)構(gòu)、工藝三個(gè)方面入手，而采用新型材料是汽車輕量化最直接也最有效的方法，因此很有必要對(duì)各種輕量化材料的力學(xué)性能進(jìn)行深入研究。

　　由于節(jié)能環(huán)保的需要，汽車輕量化已成為必然趨勢(shì)。2013年中國(guó)汽車的平均油耗為7.5L/100km；國(guó)家規(guī)劃的節(jié)能減排目標(biāo)為：2015年新車的油耗要下降到6.9L/100km，2020年達(dá)到5.0L/100km，因此汽車輕量化迫在眉睫。實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的手段也有很多，包括材料、結(jié)構(gòu)和工藝三個(gè)方面。輕量化材料的應(yīng)用是汽車輕量化中最基礎(chǔ)，也是最核心的手段，受到汽車業(yè)界的廣泛關(guān)注。

　　常見的輕量化材料分為金屬和非金屬兩大陣營(yíng)。金屬材料主要包括高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金等；非金屬材料包括工程塑料和復(fù)合材料等。這些新材料在實(shí)際應(yīng)用時(shí)會(huì)遇到多種多樣的問題，比如替換材料后汽車的安全性、舒適性、動(dòng)力性、操控性、經(jīng)濟(jì)性往往都會(huì)有所改變，需要重新審視。其中安全性涉及到駕車和乘車人的生命安全，所以尤為重要，而汽車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設(shè)計(jì)的重要手段，但如何才能準(zhǔn)確的利用有限元仿真預(yù)測(cè)碰撞過程中的力學(xué)性能呢？答案是準(zhǔn)確的材料力學(xué)性能表征。鋁合金材料優(yōu)點(diǎn)很多，它的密度是鋼的1/3，比吸能是鋼的2倍，延伸性好、耐腐蝕易回收，且其鑄造性能良好，可加工成不同形狀，是目前最為熱門的輕量化材料之一。目前很多車型如奧迪A8、捷豹XFL等均已采用全鋁車身，因此本文以鋁合金為主要對(duì)象，對(duì)其獨(dú)特的力學(xué)特性進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。

鋁合金在車身上的應(yīng)用

　　鋁合金材料種類很多，汽車中應(yīng)用的主要包括2系、5系、6系和7系鋁，其形式包括板材、型材、管材及高性能鑄鋁。不同牌號(hào)鋁合金的力學(xué)性能也會(huì)存在較大的差異。傳統(tǒng)金屬材料力學(xué)性能參數(shù)主要包括材料靜態(tài)下的彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率等，但汽車在汽車碰撞過程中所經(jīng)歷的高應(yīng)變率范圍往往在0-1000/s的量級(jí)范圍，且材料的變形/斷裂模式也不僅僅是單軸拉伸工況。這些加載條件的變化對(duì)鋁合金材料的力學(xué)響應(yīng)有很大影響。

　　那么如何較全面的表征鋁合金材料力學(xué)性能，獲得整車有限元仿真中所需要的數(shù)據(jù)呢？我們需要進(jìn)行鋁合金材料不同應(yīng)變率的拉伸試驗(yàn)，獲取材料的彈塑性數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，再進(jìn)行不同應(yīng)力狀態(tài)的試驗(yàn)，如剪切、拉剪、缺口拉伸、穿孔等，同時(shí)結(jié)合仿真，獲取試驗(yàn)過程中無(wú)法獲取的信息，最終得到鋁合金材料的彈塑性和斷裂相關(guān)的數(shù)據(jù)。相應(yīng)的試驗(yàn)所需要的設(shè)備有萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、高速拉伸試驗(yàn)機(jī)、落錘沖擊試驗(yàn)臺(tái)、低高速相機(jī)、非接觸測(cè)量分析系統(tǒng)等。由于動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)實(shí)施和結(jié)果處理比較復(fù)雜，試驗(yàn)成本遠(yuǎn)比傳統(tǒng)的準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)要高。