红色在汽车设计中的运用_红色车的利弊

文|余说百事

编辑|余说百事

日益严格的燃油排放法规与不断提升的消费者舒适性要求，促使汽车轻量化技术亟需成熟与完善；随着汽车电动化与智能化的发展，电池包、控制器、各种视觉与传感设备等都会增加汽车车重，对汽车结构优化提出了新挑战。

结构拓扑优化、参数化优化等结构层优化，连接工艺的不断发展，以及镁合金、铝合金、塑料、复合材料等轻质材料的应用均是轻量化的有效途径。

近年来，随着工业社会的发展进步，人们赖以生存的环境正在受到污染的威胁，尤其是空气污染更加严重，雾霾的侵袭影响着人们的生产生活并给人类健康带来了巨大的隐患。

图1-1统计了世界CO2排放量行业占比以及广州市PM2.5来源。众多污染源中，汽车尾气的污染首屈一指，汽车的安全、节能与环保依旧是永恒不变的主题。

随着环境污染的加剧，国家排放标准与法规日益严格，社会环保意识与消费需求逐渐提高，使得汽车制造商生产的产品从满足安全、节能逐渐发展到满足安全、节能与环保且满足消费者舒适性、美观性等日益增长的附加需求上来。

世界各主要国家和地区都制定了相应的燃油消耗量标准法规，部分法规如表1-1所示，例如美国公司平均燃油经济性标准要求汽车生产厂商到2025年乘用车与轻卡车提高公司平均燃油效率到54.5mpg。

在参考世界主要国家和地区标准法规的基础上，我国相继出台了更加严格的汽车排放标准。2012年6月国务院发布《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020年）》，该法规明确了我国新车油耗的整体目标，要求2020年乘用车新车平均百公里油耗不高于5.0L；2014年7月国家标准化管理委员会下达GB19578《乘用车燃料消耗量限制》和GB27999《乘用车燃料消耗量评价方法及指标》等强制性国家标准修订计划。

经国务院同意，2016年01月环境保护部与工业和信息化部联合公告部分区域实施机动车国五标准。

在整车四大组成部分中，白车身占汽车整备质量的30~40%，制造成本约占60%，空载条件下70%的燃油被白车身消耗掉。而前端结构质量大约占白车身整体质量的30%，吸能量大约为白车身总吸能量的80%，所以专门针对汽车前端结构进行轻量化优化设计具有不可取代的重要意义。

汽车前端结构划分如图1-2所示。同时，白车身前端结构对整车结构刚强度、耐撞性、安全性、耐久性、鲁棒性等许多性能都具有决定性作用，因此加剧了对前端结构进行研究的重要性。

汽车前端结构的设计还直接影响汽车的行人保护性以及安全等级评价。

国外对汽车前端结构研究中，Shuler Stephen等利用改善的有限元模型，开发了新的高效的能量吸收器与汽车前端结构设计策略，并利用数值方法优化汽车前端结构。

Makita Masashi等讨论了两辆车前端结构之间的相互作用对改善碰撞相容性的影响，提出了均质汽车前端结构，能够减少攻击性与伤害性。利用多目标遗传算法对吸能前端结构进行形状优化，利用梁单元建立前端结构模型。

Park Sung-Wook等提出了某汽车前端结构采用短纤维复合材料的优化设计过程，以达到考虑质量与产品性能的减重。Yang R.J.等基于正碰，将连续变截面（TRB）板应用于汽车前端结构设计。

Deb Anindya等利用截断有限元模型进行了汽车前端结构的多目标多学科优化设计，满足NVH、耐久与碰撞安全性目标下进行减重优化。

国内对汽车前端结构的研究中，高云凯等通过拓扑优化与尺寸优化对汽车前舱结构进行优化，提高碰撞安全性与模态特性、弯曲扭转刚度特性。

吉林大学王传青利用SFE-CONCEPT建立了前端结构隐式参数化模型，综合考虑材料、厚度、部件曲率等设计因素，用近似模型的方法进行了结构—材料—性能一体化轻量化多目标优化设计。陆善彬等应用等效静态载荷法对汽车前端结构进行了抗撞性尺寸与形貌优化。阚洪贵等对全塑汽车前端结构进行多目标折衷规划法的拓扑优化设计。

添加Al、Zn元素的镁合金提高了材料的强度与韧性，使得镁合金材料强塑积增强，从而使得工程应用成为可能。以AZ31B为代表的镁合金作为一种先进的轻量化材料被认为是汽车、航空、航天等制造业领域最具有潜力的材料。

镁合金与基础钢、铝合金相比，具有密度低、比强度高、比刚度相当、可完全回收、疲劳性能卓越、铸造性更好（具有减少零部件数量的潜力）、结构NVH改善等优势。

镁合金材料在汽车结构上的应用需要解决一系列问题。对于汽车结构这样一个复杂的结构，在服役期内需要满足结构刚度、强度、碰撞安全性以及疲劳寿命等性能，结构刚度、强度、疲劳寿命需要获得材料的弹性模量、屈服极限、抗拉极限等力学特性；

碰撞安全性需要在以上特性的基础上获得不同应变率下的材料应力应变关系，或者获得与应变率相关的材料本构参数。

对于车用镁合金材料的应用研究，由于非对称晶粒微观结构，使得不同加载条件下孪生与位错滑移变形机制在各方向上不同，导致镁合金材料表现出超强的各向异性与动静态特性的巨大差异。

镁合金材料的力学特性认知尤其是动态力学特性的认知成为工程应用的关键。动态力学的认知就要涉及到宽范围应变率的各种应力应变关系以及与本质上的应变率相关微观变形机理研究，这给新材料镁合金汽车结构的研究与开发工作带来了巨大的挑战。

镁合金材料力学特性的认知问题。众所周知，在对应变率相关的材料进行力学特性研究时，材料在准静态与动态过程所表现出来的力学特性会有很大不同，许多金属及其合金在不同加载条件下表现出不同的力学特性，因此对镁合金宽应变率范围内的机械性能进行研究是非常重要的。

分离式霍普金森杆试验作为一种典型的试验技术被广泛应用于确认材料应变率在102~104s-1范围内的动态响应常数。

分离式霍普金森杆装置是由加速室、冲击杆、入射杆、透射杆及能量吸收装置组成的，装置如图2-5所示。

冲击杆在氦气加速室加速，然后冲击入射杆，在入射杆中形成一个矩形脉冲并传向样件产生一个高应变率动载。

产生的矩形脉冲在入射杆、样件与透射杆中的阻抗是不同的，一部分入射波会反射回入射杆，另一部分经过样件进入透射杆，最后由终端的能量吸收装置吸收残余能量。

粘贴在入射杆与透射杆上的应变片用来测量入射波、透射波及反射波。利用连接在应变片另一端的超动态应变仪来拾取脉冲信号。按照一维应力波理论通过拾取的脉冲信号来获得动态应力应变关系。该试验是在北京理工大学材料实验室完成的。

镁合金AZ31B是应变率相关的材料，随着应变率的变化，其最大应变与最大应力均有较大变化，应力应变关系也存在较大差异；而且在每个应变率下都具有应变硬化的规律。

以图中红色虚线为分界线，下半部分表示了材料低于应变率4000s-1时，随着应变率的提高，总体趋势是最大应力、最大应变升高。应变率在3000s-1时发生最大应力、最大应变比2500s-1时低的现象，与文献等其他研究镁合金材料动态试验的众多文献中得到的试验现象保持一致。

红色分界线上半部分表示了材料高于应变率4000s-1时，随着应变率的提高，总体趋势是最大应变逐渐降低，最大应力逐渐升高。每条应变率曲线的前半部分对应材料的弹性阶段，不同应变率下得到的弹性模量略有不同，除5000s-1应变率时弹性阶段由于试验中样件与霍普金森压杆间存在微滑移可以剔除其弹性阶段，则可以认为各应变率下的弹性阶段弹性模量差异可以忽略不计。

进行了7000s-1高应变率试验，发现了4000s-1应变率分界线作为规律不同的临界点，弥补了在以前文献中对镁合金材料只进行低于3000s-1应变率动态试验的不足。而低于3000s-1应变率时，力学特性规律表现一致导致在许多文献中得到了一种拟合度较高的本构模型，

使用这种本构模型在应变率超过3000s-1时的工程应用会造成本构模型的错误，

文中对发现的以4000s-1应变率为分界线力学规律不同的现象进行了镁合金混合本构模型的拟合，解决了前面文献中拟合应力应变规律造成的弊端。

而为了研究高应变率下材料的动态力学机理，像如J-C与C-S本构都是描述流变应力与塑性阶段的变形关系的经验唯象本构方程，无论是结构耐撞性还是成型等过程涉及到的应变率往往对应着材料的塑性变形阶段，超过了弹性阶段范围。

针对镁合金材料特殊微观结构造成的拉压不同、各向异性及动态力学性能复杂导致没有开发出适用于工程应用的模型，通过梳理镁合金材料的微观变形机理以及反映塑性变形本质的基于位错运动的微观本构，提出了适合车用镁合金材料的J-C与C-S混合宏观本构模型。

发现了镁合金材料在4000s-1以下应变率范围内与4000s-1以上应变率范围内的材料力学宏观表现不同，指出了现有研究只考虑3000s-1以下应变率范围内的力学特性的弊端，确定了混合本构模型的应变率临界点。利用遗传算法确定了混合本构模型的参数。该混合本构模型为镁合金材料的工程应用奠定基础。

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