基于高强度钢抗凹陷性的汽车零部件的轻量化设计

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1、基于高强度钢抗凹陷性的汽车零部件的轻量化设计YanZhang,XinminLai,PingZhu,WurongWangSchoolofMechanicalEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200030,PRChinaReceived19May2004;accepted14September2004摘要重量轻，耐撞性是车身设计的重要方面。在本文中，基于薄壳理论，叙述了在集中荷载作用下获得双曲扁壳的抗凹刚度的情况。导致扁壳产生局部琐碎凹痕的临界负荷

2、被视为轻量级的汽车零部件的重要指标。本规则适用于采用高强度钢代替低碳钢的轻量化设计的保险杠系统。轻量级部分的耐撞性仿真证明了轻量化方法的有效性。一、介绍近年来，保持汽车的数量一直在稳步增加，这影响了社会和人类生活。这种情况导致了许多严重的问题，比如能源危机，环境污染。国际铝协会指出，减少汽车的重量可以降低汽油消耗量的8-10％与10％。因此，汽车轻量化是一个节省燃料的基本方式。为了降低汽车重量，有两点重要方法：一，汽车零部件的结构优化设计。采用变薄，镂空，小型，复合零件，可以降低汽车重量。另一方面，越来

3、越轻的材料，如铝合金，高强度钢，复合材料，被广泛用作轻质材料替代传统材料，如碳钢。这些材料可以显著减少重量。材料替代一般在汽车轻量化中比结构改造更有效。随着汽车安全法规的出台，耐撞性和安全性，应被视为在汽车车身轻量化设计的先决条件。高强度钢取代了传统材料的低碳钢被广泛用于汽车。高强度钢板可用于汽车车身部件以提高冲击能量吸收能力和抗塑性变形能力。使用高强度且厚度较薄的钢板取代温和身体部分可减少汽车的重量。与铝，镁，和复合材料相比，高强度钢具有较好的经济性，其原材料和制造成本便宜。此外，高强度钢可直接用于产

4、品线包括成型，焊接，装配和绘画。由于不需要调整全线，可节省经营成本。除车身外，还有几片金属板，其中大部分是薄板。抗凹性是在外力作用下产生凹陷变形和局部凹陷还能保持形状的能力。汽车板凹陷性成为一个重要问题和质量标准。因此，抗凹刚度的汽车板应该在面板的设计和制造的过程中被测试和评价。一些报告测试方法如下：1、测试固定外力下凹陷变形的位移。2、测试外力以获得凹陷变形的固定位移。3、测试外部荷载作用下的力–位移曲线的斜率。在这项研究中，第二种方法将被使用。其余本文安排如下：在2节，基于薄壳理论，表达了在集中荷载

5、作用下获得双曲扁壳的抗凹刚度的情况。导致扁壳产生局部琐碎凹痕的临界负荷被视为汽车零部件抗凹性的重要指标。此规则适用于第2节的采用高强度钢代替碳钢和耐撞性仿真的轻量化设计的保险杠系统。二、双曲扁壳的抗凹分析2.1扁壳的抗凹刚度分析壳中面可归纳为三大特点：厚度h，中期表面尺寸L，曲率半径r，满足h/r
<<1。当存在h/L<<1时，外壳可以被定义为薄壳。如果L/r<<1添加作为上述两个条件的补充，则薄壳被视为扁壳。如图1所示X-Y平面是扁壳中面沿z轴的投影，假设M是中面上的任意一点，两平面QMN和PMN分别

6、平行于平面OYZ和OXZ。由于中面的平整度，两边PM和QM可被视作垂直。同时，直线MN相对中面是正常的，因此，MN,QM,PM可以构成垂直参照系MPQN，其直角坐标系OXYZ的差异可以忽略不计。A和B表示PM和QM，曲线坐标MPQN。图1双弯曲扁壳假设M点的Z坐标为z，中面分析方程为如下：Z=F（x，y）（1）因为壳的平整度，可以得到以下方程：（2）中面的曲率和挠率可以近似为：中面的比例系数沿a和b两个方向推导：由于沿Z轴的应用集中力P和忽略影响的横向剪切合力，扁壳的平衡微分方程是：其中δ（0，0）是D

7、irac-d作用。扁壳的兼容性方程是：其中用横向位移w的函数表示合力M1，M2和M12，扁壳在横向集中力下的基本方程是：其中N1是X方向产生的膜应力；N2，在Y方向产生的膜应力，D，扁壳的抗弯刚度。这很难解决上述方程。根据实际情况，下沉只会集中在围绕外部压力P的一块小面积区域上，所以在本研究中假设扁壳无限大。因为w，N1，N2是对X，Y轴对称，所有w，N1，N2衍生出来的结果都成为零无穷。以下方程可以通过傅立叶变换到式（7）中：其中：从式（8），可以得到^w。逆向傅立叶变换到^w和在极坐标系下可以极坐标

8、变换到n，g，w。矩形扁壳的挠度fp和集中力P之间的关系，可以实现如下：最后，得到扁壳的抗凹刚度K:这个公式综合说明了双曲扁壳的抗凹陷性刚度和所有的影响因素之间的关系，包括材料特性，几何参数，可用于指导设计，材料选择与制造。2.2分析造成局部琐碎凹痕的临界荷载对导致板局部凹痕的临界载荷的定量评价，研究人员已经提出了一些经验公式。大量实验的基础上，Dicellello用最小厚度t、屈服应力RS和基本的抗凹陷性刚度K写的公式很清楚了表达了跟踪能