轻质镁合金材料本构模型及汽车前端结构轻量化应用研究

发布时间：2020-06-05 09:18

【摘要】：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。轻质材料的应用是轻量化途径中最具有优势的轻量化技术。镁合金作为最轻的金属,密度是高强钢的1/4,是铝合金的2/3;比刚度相当,比强度优于高强钢与铝合金;减震吸声性卓越;抗疲劳效果好;易于成型大型部件,节约成本;可完全回收利用,其应用潜力巨大。目前,对于镁合金材料的研究众多,但是由于镁合金微观晶粒结构决定了其动态特性的复杂,缺乏能实现工程应用的应变率相关本构方程的研究,使得镁合金材料的工程应用尤其是在汽车工程中的应用还很少。非常有必要解决宽应变率范围内轻质镁合金材料的本构模型以及工程应用的问题,这对于汽车轻量化、电动化、智能化意义重大。本文从镁合金材料力学特性出发,研究了从材料特性微观本质的认知到详细设计阶段钢镁一体化结构工程应用的全过程。基于刚度模态等基础特性、耐撞性以及疲劳寿命等非线性特性进行了基本涵盖综合总体性能的轻量化设计开发与应用研究。提出了“性能—材料—结构”集成化轻量化优化设计流程,将“合适的材料用于合适的地方”的思想融入优化设计开发过程。研究了以AZ31B-H24为代表的镁合金材料的准静态特性以及准静态到7000s~(-1)高应变率范围内的动态特性。利用有限元思想估算结构碰撞中材料的应变率范围,进行了符合整车碰撞高应变率要求的霍普金森压杆试验,解决了文献中仅有3000s~(-1)以下中高应变率试验数据参考的弊端;同时发现4000s~(-1)应变率作为镁合金材料动态力学特性规律变化的临界值,临界值左右力学特性规律不同;提出了符合汽车结构工程应用的混合宏观唯象本构模型;开展了金相、SEM等微观变形机理研究,从微观角度对力学特性现象进行了解释,对微观动态本构方程进行了梳理。在结构模型数值分析方面,鉴于数值分析技术越来越多的作为设计参考依据,提出了结构局部特性未知参数逆问题识别法,该系统完善的建模方法同时考虑了结构模型的结构复杂性、多种材料复杂性等多重不确定性参数嵌套优化问题,为数值分析驱动设计与优化的可靠性提供方法基础与依据。示例结构基于自由模态进行了数值分析模型标定,在分析模型的建立过程中,按照本文提出的局部特性未知参数逆问题识别法识别出局部特性的质量、刚度、阻尼复合参数,通过试验模态与传统驻波理论自由模态及本文行波理论局部含阻尼特性自由模态进行对比,得到示例装配体复杂结构采用提出方法的正确性,与试验的频率、振型等模态特性更加一致。采用提出的镁合金材料混合本构方程与局部特性参数逆问题识别方法,建立了钢镁一体化前端结构的耦合整车模型。参考了某对标车型的刚度、模态、耐撞安全性、疲劳寿命等性能指标,作为钢镁一体化汽车前端结构车型开发的性能目标及约束。利用优化拉丁超立方试验设计,得到了覆盖综合总体性能的钢镁一体化汽车前端结构的试验设计性能阵列;将试验阵列数据进行Kriging代理模型近似,得到各学科一致性精确的近似模型;利用NSGA-Ⅱ多目标遗传算法进行优化,得到基于综合总体性能的优化结果。将优化结果调整为可以工程应用的工程数据,利用数据模型进行验证,得到了性能优化方案。利用了覆盖综合总体性能的试验设计、代理精度最好的Matern Cubic相关函数的Kriging近似模型、及NSGA-Ⅱ多目标遗传算法的“试验设计—近似模型—多目标多学科优化”的思路,将基于刚度、模态轻量化思想,基于耐撞性轻量化思想,基于疲劳寿命的轻量化思想等特色轻量化思路以及材料的静态特性、动态特性与宏观、微观本构方程融为一体,提出该“性能—材料—结构”集成化轻量化设计流程,并在汽车前端结构中得到了验证。
【图文】：

（a）世界 CO2排放量行业占比 （b）广州市 PM2.5 来源图 1-1 世界 CO2排放量行业占比与广州 PM2.5 来源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 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 年乘用车与轻卡司平均燃油效率到 54.5mpg[2]。在参考世界主要国家和地区标准法规的基础上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11.5%

图 1-2 乘用车整车结构分区示意图端结构研究现状前端结构研究中，，Shuler Stephen 等[9]利用改善的有限元收器与汽车前端结构设计策略，并利用数值方法优化 等[10]讨论了两辆车前端结构之间的相互作用对改善碰撞前端结构，能够减少攻击性与伤害性。利用多目标遗传化，利用梁单元建立前端结构模型。Park Sung-Wook 等纤维复合材料的优化设计过程，以达到考虑质量与产于正碰，将连续变截面（TRB）板应用于汽车前端结构设限元模型进行了汽车前端结构的多目标多学科优化设计性目标下进行减重优化。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U463

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 张雨波;茅献彪;陶静;李明;;冲击载荷作用下应变率对砂岩力学性能的影响[J];爆破;2014年03期

2 吴衡毅,马钢,夏源明;PMMA低、中应变率单向拉伸力学性能的实验研究[J];实验力学;2005年02期

3 李海鹏,林传年,张俊兵,朱元林;饱和冻结黏土在常应变率下的单轴抗压强度[J];岩土工程学报;2004年01期

4 张鹏飞,张运,张梅,姚桂华,王荣;颈动脉粥样斑块应变及应变率分布的初步探讨[J];中华超声影像学杂志;2004年08期

5 魏荣强,臧绍先;岩石圈流变结构的一种新的应变率约束[J];地球物理学报;2004年06期

6 郑坚，孙成友;关于材料的应变率敏感效应[J];力学与实践;1996年03期

7 H.Wu;D.D.Pollard;吴玉荣;;应变率对一组断裂的影响[J];世界地震译丛;1996年01期

8 邹林;四线探头在涡度测量中的应用[J];气动实验与测量控制;1988年02期

9 于亚伦,川北稔,木下重教;岩石破碎吸收能与应变率之间的相关性研究[J];力学与实践;1988年02期

10 周光泉,程经毅;铝-锂合金应变率负敏感效应及动态韧性现象[J];爆炸与冲击;1989年03期

相关会议论文 前10条

1 穆玉明;米也赛尔·阿不都热依木;韩伟;古丽齐满·霍加阿不都拉;;肥厚型心肌病左房收缩和舒张功能的应变率显像研究[A];第九届全国超声心动图学术会议论文集[C];2007年

2 高玉波;张伟;;TiB_2对TiB_2-B_4C复合材料动态力学性能影响分析[A];2018年全国固体力学学术会议摘要集（下）[C];2018年

3 赵龙;袁洪魏;董天宝;唐维;;TATB基PBX率相关非线性粘弹性本构模型研究[A];2018年全国固体力学学术会议摘要集（下）[C];2018年

4 庞利;金红;王惠;李欣;陈旭;周振芳;;应用应变率及实时三维超声技术评价急性病毒性心肌炎患儿左心功能的研究[A];中国超声医学工程学会成立30周年暨第十二届全国超声医学学术大会论文汇编[C];2014年

5 庞利;金红;王惠;李欣;陈旭;周振芳;;应用应变率及实时三维超声技术评价急性病毒性心肌炎患儿左心功能的研究[A];中国超声医学工程学会第九届全国腹部超声医学学术会议论文汇编[C];2012年

6 吴田;郭瑞强;陈金玲;周青;;应变率显像评价冠心病患者左室功能[A];第九届全国超声心动图学术会议论文集[C];2007年

7 庞利;金红;王惠;李欣;陈旭;周振芳;;应用应变率及实时三维超声技术评价急性病毒性心肌炎患儿左心功能的研究[A];中华医学会第十三次全国超声医学学术会议论文汇编[C];2013年

8 夏志超;杨龙;隋欣;李世鹏;王宁飞;;中应变率(10~1s~(-1)量级)设备介绍及存在问题分析[A];北京力学会第20届学术年会论文集[C];2014年

9 阮雯;孙寅光;徐怡琼;赵勤华;张凤如;沈卫峰;;二维应变率显像评价慢性收缩性左心功能不全患者心房功能[A];第九届全国超声心动图学术会议论文集[C];2007年

10 高继康;郑哲岚;戴晓艇;曹昕阳;郑凤华;;定量组织速度显像和应变率显像对肺心病右室壁舒张功能的研究[A];2008年浙江省超声医学学术年会论文汇编[C];2008年

相关重要报纸文章 前1条

1 赵征志;应变率和温度对中锰钢力学性能的影响[N];世界金属导报;2018年

相关博士学位论文 前10条

1 杨越东;轻质镁合金材料本构模型及汽车前端结构轻量化应用研究[D];华南理工大学;2018年

2 丁靖洋;盐岩流变细观机制及本构模型研究[D];中国矿业大学(北京);2015年

3 李林安;应变率历史对材料本构关系影响的实验研究及SHB系统的数值分析[D];天津大学;1994年

4 宫旭辉;高温环境下α+β钛合金的动态拉伸力学行为—测试、分析与表征[D];中国科学技术大学;2010年

5 杨龙;CMDB和HTPB推进剂力学行为的应变率相关性及本构模型[D];北京理工大学;2016年

6 洪亮;冲击荷载下岩石强度及破碎能耗特征的尺寸效应研究[D];中南大学;2008年

7 肖大武;锆金属动态力学性能及其本构关系研究[D];中国科学技术大学;2008年

8 曹侃;聚碳酸酯动态拉伸力学行为的测试与表征[D];中国科学技术大学;2012年

9 朱耀;AA 7055铝合金在不同温度及应变率下力学性能的实验研究[D];哈尔滨工业大学;2010年

10 曾施;双胎输血综合征胎儿心肌力学的临床研究[D];中南大学;2013年

相关硕士学位论文 前10条

1 魏俊磊;颗粒增强镁基复合材料力学行为的研究[D];太原理工大学;2018年

2 钟英;健康儿童左室收缩期心肌纵向应变及应变率正常参考值的初步分析[D];重庆医科大学;2017年

3 夏志超;复合推进剂中应变率压缩载荷下力学特性研究[D];北京理工大学;2015年

4 曹春宁;房间隔缺损封堵术对左室结构和功能影响的超声应变率研究[D];新疆医科大学;2008年

5 陈冬强;考虑应变率和温度影响的道砟胶动力特性实验研究[D];浙江大学;2016年

6 吴青松;温度和应变率对低合金钢力学行为的影响[D];哈尔滨工程大学;2005年

7 贾培奇;蜂窝铝材料面内尺寸效应及应变率影响研究[D];太原理工大学;2016年

8 郭建英;应变/应变率成像影响因素分析及正常左室后壁短轴方向应变率特点研究[D];第四军医大学;2006年

9 宋家光;应变率显像评价尿毒症射血分数正常患者左心室局部心肌功能[D];山东大学;2010年

10 梅丽;三维超声心动图、应变率显像技术在室壁运动分析中与二维心动图的比较[D];吉林大学;2007年

本文编号：2697829