異種材料輕量化結構優化和連接技術

異種材料輕量化結構優化和連接技術

汽車輕量化在改善燃油經濟性、降低排放方面起著重要作用，而車身輕量化在汽車輕量化中起著舉足輕重的作用。車身輕量化的實現可通過采用輕量化材料或對車身進行結構優化來實現。應用輕量化材料的過程，涉及到異種材料的連接技術。對異種材料車身進行結構優化，可以進一步減輕車身質量。因此，介紹了車身異種材料連接技術和車身結構優化方法。

在汽車車身中，異種材料的連接可分為金屬和金屬材料的連接以及金屬和非金屬材料的連接。傳統的熔焊連接方法，由于兩種材料的冶金不相容性，因此在連接界面處可能形成脆性化合物，或者由于兩種材料的熱物理性能不匹配而產生殘余應力，這些都將影響連接處的力學特性。采用膠接連接或機械連接技術可解決上述問題。考慮到采用異種材料的目的是實現車身的輕量化，而機械連接可能抵消取得的輕量化成果。因而，采用膠接連接技術來實現異種材料的連接。采用拓撲優化方法可實現車身的結構優化，并對車身材料分布進行優化，使車身材料更好地發揮性能。車身結構采用拓撲優化方法時，設定車身質量為目標函數，將車身框架的橫截面積和車身覆蓋件的厚度作為設計變量，將車身各部分承受的負載和相應的幾何形狀作為約束條件。考慮到實現車身輕量化會導致的成本增加，將包括材料成本和制造成本在內的車身成本作為另一個目標函數。將車身質量目標函數優化后的結果與車身制造成本相結合，并采用參數化優化方法進行優化。利用Ansys Workbench V14.5軟件對所采用的材料連接技術和車身結構優化方法進行仿真。仿真結果表明，通過采用輕量化材料，并進行拓撲優化和參數化優化，可減輕車身質量30%～35%，且不會顯著影響車身的性能和成本。

AnujAnand etal.SAE 2016-01-1394.

編譯：李臣