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[1]。國內(nèi)多數(shù)鋼鐵企業(yè)在700 MPa級析出強(qiáng)化鋼添加微合金元素鈮（Nb）[2]，主要目的是為了提高汽車結(jié)構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度、降低部件重量，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化[3−5]。商用汽車大梁作為主要承載部件，幾乎承擔(dān)了車輛整備質(zhì)量和運(yùn)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[6−9]。本研究以牌號BG700L和BG960L高強(qiáng)度汽車大梁用鋼為例，對2種不同材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理，建立了應(yīng)用于強(qiáng)度計(jì)算的力學(xué)性能材料卡。同時(shí)以某商用車型大梁為模型，對采用BG700L和BG960L高強(qiáng)度鋼制成的汽車大梁分別進(jìn)行了強(qiáng)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(jì)開發(fā)過程中需要對多個(gè)方面的工況進(jìn)行檢核和驗(yàn)證，例如：模態(tài)分析、強(qiáng)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(qiáng)度工況和剛度工況對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輕量化的目的。

1.   力學(xué)性能

1.1   材料屬性

高強(qiáng)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(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為1070和1180 MPa，明顯優(yōu)于BG700L的屈服強(qiáng)度（736 MPa）和抗拉強(qiáng)度（786 MPa）。通過拉伸試驗(yàn)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(shí)應(yīng)力–真實(shí)應(yīng)變曲線，BG960L的力學(xué)性能顯著優(yōu)于BG700L。兩種材料的塑性變形的真實(shí)應(yīng)力–真實(shí)應(yīng)變曲線如圖1所示。

1.2   力學(xué)性能材料卡

應(yīng)用有限元分析軟件制作2種材料的力學(xué)性能材料卡片，編輯BG700L和BG960L高強(qiáng)鋼材料的密度、楊氏模量、泊松比等材料參數(shù)，并將真實(shí)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(qiáng)度汽車大梁用鋼的材料卡片數(shù)據(jù)如圖2。

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(zhǔn)確程度，將模型的設(shè)計(jì)尺寸與真實(shí)零件的設(shè)計(jì)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(jìn)行幾何清理與網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)尺寸取8 mm×8 mm，網(wǎng)格單元類型為殼單元，網(wǎng)格數(shù)量為103955個(gè)。大梁的上下板厚都為10 mm，加強(qiáng)板厚度為5 mm，整體質(zhì)量為440 kg。在強(qiáng)度仿真模擬分析中材料分別選用BG700L和BG960L。在汽車大梁的強(qiáng)度分析過程中，設(shè)定汽車載重量為20 t，將20 t的載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(jì)要求，在此條件下，對整個(gè)汽車大梁施加2.5g（g為重力加速度）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(diǎn)來模擬前懸架的板簧支撐作用，約束B、C、D、E四點(diǎn)來模擬后懸架的板簧支撐作用，其中對A點(diǎn)約束123（XYZ向位移）方向自由度，而對B、C、D、E四點(diǎn)約束3（Z向位移）方向自由度[10−11]，約束方式如圖4所示（RBE3代表柔性連接）。

2.2   汽車大梁強(qiáng)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(jìn)行求解，求解后的輸出文件再導(dǎo)入Hyperview軟件中進(jìn)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(jì)算應(yīng)力和判斷標(biāo)準(zhǔn)。

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 2種材料制成的汽車大梁進(jìn)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 2種材料制成汽車大梁的應(yīng)力云圖。從圖5中可以看出，因?yàn)槠嚧罅涸谑茌d時(shí)還處于彈性變形階段，所以采用2種材料的模型的應(yīng)力一致。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)力都為699.8 MPa，應(yīng)力均小于屈服強(qiáng)度，均在安全使用范圍之內(nèi)。

為了提高材料的利用率，達(dá)到減重和節(jié)約成本的目的，對此模型進(jìn)行了減重處理，將大梁模型的上下板厚都減薄至8 mm，加強(qiáng)板厚度減薄至4.5 mm，減重后質(zhì)量為355 kg，減重率約為20%。使用相同的分析方法，對減重后的汽車大梁進(jìn)行強(qiáng)度分析，材料選擇BG960L。圖6為減重后汽車大梁的強(qiáng)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874.3 MPa，比較減重前有所增加，應(yīng)力還未達(dá)到材料屈服強(qiáng)度1070 MPa，能夠滿足汽車大梁的強(qiáng)度工況的使用要求，并且存在進(jìn)一步的減薄潛力。

2.3   汽車大梁剛度分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證減重的可行性，進(jìn)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(qiáng)度分析類似，對A點(diǎn)約束123方向自由度，而對B、C、D、E四點(diǎn)約束3方向自由度。因?yàn)榱慵膭偠戎慌c材料的楊氏模量、泊松比以及零件的結(jié)構(gòu)有關(guān)系，而BG700L和BG960L的楊氏模量和泊松比一致，所以本研究只對比了BG700L原設(shè)計(jì)方案和BG960L減重方案的剛度。圖8為減重后的力與位移曲線，減重前加載點(diǎn)的Z向位移為0.77 mm，減重后加載點(diǎn)的Z向位移為0.9 mm。在線性計(jì)算過程中，剛度值為力和位移的比值，因此減重前大梁的剛度為266 kN/mm，減重后剛度為203 kN/mm。此車型商用車設(shè)計(jì)要求為加載點(diǎn)的Z向位移不能大于3 mm，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)。

3.   結(jié)束語

以高強(qiáng)度汽車大梁用鋼BG700L和BG960L為例，針對強(qiáng)度工況和剛度工況進(jìn)行仿真并進(jìn)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(qiáng)度和剛度仿真模擬分析中，研究結(jié)果表明：

（1）建立高強(qiáng)度汽車鋼BG700L和BG960L的材料性能卡片，應(yīng)用于強(qiáng)度有限元分析，提高強(qiáng)度模擬分析的準(zhǔn)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(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度明顯優(yōu)于BG700L，分別對采用2種材料制成的某車型大梁進(jìn)行強(qiáng)度分析，模擬結(jié)果顯示采用BG960L高強(qiáng)度鋼的大梁鋼力學(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(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度，具有良好的減重空間，并且能夠達(dá)到認(rèn)證要求。

（3）應(yīng)用有限元分析軟件，對減重前后的結(jié)構(gòu)進(jìn)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0.13 mm，沒有明顯減弱，在合理使用范圍之內(nèi)。

文章來源——金屬世界