馬爾文000激光粒度分析-廣州有色院分析測(cè)試中心

    隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)汽車的使用越來越多，因此對(duì)汽車的安全性、舒適性和環(huán)保性提出了更高要求。這就使得更多的附加設(shè)備加入到汽車上，相應(yīng)的，汽車的總質(zhì)量也就增加了很多。而研究數(shù)據(jù)表明，汽車總質(zhì)量每減輕l0%，油耗可降低6%～7%。對(duì)空載而言，約70%的油耗是用在車身質(zhì)量上的，因此車身的輕量化不僅減輕了汽車質(zhì)量，而且提高了整車的燃油經(jīng)濟(jì)性，減少了污染。除此之外，汽車的輕量化還可使得車輛操縱穩(wěn)定性和沖撞安全性得到提升，使其更加穩(wěn)定。因此，在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，輕量化技術(shù)在汽車工業(yè)的發(fā)展中起著重要作用。

    汽車的輕量化是指應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，在確保汽車的強(qiáng)度和安全性能的前提下，提高材料的利用率，減少冗余材料，以達(dá)到減輕車身質(zhì)量的目的，從而提高汽車的動(dòng)力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。目前，汽車輕量化的主要途徑有兩個(gè)：一是采用輕量化材料，如鋁合金、鎂合金、塑料、復(fù)合材料等重量更輕、強(qiáng)度更高的新材料；二是采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，如有限元分析，局部加強(qiáng)設(shè)計(jì)，來優(yōu)化設(shè)計(jì)汽車的結(jié)構(gòu)，使零部件薄壁化、中空化、小型化、復(fù)合化，以及對(duì)零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)和工藝改進(jìn)等，從而限度減輕零部件的質(zhì)量。鑒于此，本文采用鎂合金這種輕質(zhì)材料來替代鋼結(jié)構(gòu)，達(dá)到汽車輕量化的目的。

    1鎂合金材料及其在汽車車身上的應(yīng)用

    鎂合金材料是現(xiàn)在機(jī)械工業(yè)上發(fā)展前景較好的金屬材料，因?yàn)殒V合金材料密度小、質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高，并且具有良好的加工和鑄造性能，加工后的尺寸可保持良好的穩(wěn)定性，具有良好的導(dǎo)熱性能。此外，鎂合金對(duì)振動(dòng)，沖擊的吸收性能好。將鎂合金、鋁合金、塑料以及鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能作對(duì)比，如表1。

    由表1可知，鎂合金材料與其他幾種材料相比，它是屬于輕的材料，并且其彈性模量較低，因此，在受到相同力的作用時(shí)，相對(duì)于其他的材料，鎂合金可吸收更多的振動(dòng)沖擊，起到減振、降噪的作用。

    由于鎂合金比鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量輕，并且具有良好的力學(xué)性能，所以鎂合金適合在車身上使用，從而達(dá)到輕量化的目的。從車身的整個(gè)結(jié)構(gòu)來考慮，采用鋼結(jié)構(gòu)的前車身結(jié)構(gòu)為復(fù)雜，因?yàn)槠嚨那败嚿硎前l(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)倉，為了匹配發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)性能要求，它必須有合理的空間布置。而且由于發(fā)動(dòng)機(jī)的特殊工作環(huán)境，前車身的剛度、強(qiáng)度和疲勞性能等都要滿足一定的要求。因此，使得采用鋼結(jié)構(gòu)的前車身結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜化，而這種復(fù)雜化必然會(huì)導(dǎo)致車身的工藝變得復(fù)雜，加重了前車身的質(zhì)量。所以，本文采用鎂合金替代前車身的鋼結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到整個(gè)車身輕量化的目的，如圖1所示。

    替代之后，所替代部分鋼結(jié)構(gòu)的原始質(zhì)量為85.6kg，替代為鎂合金結(jié)構(gòu)后，其質(zhì)量降為35.4kg，質(zhì)量降低了50.2kg，因此其替代部分質(zhì)量降低百分比為58.6%。

    車身輕量化貢獻(xiàn)率計(jì)算如式（1）。

    式中：η為車身輕量化貢獻(xiàn)率；m1為替代部分的原始質(zhì)量；m2為替代后質(zhì)量；m總為替代后白車身的總質(zhì)量。

    因此車身輕量化貢獻(xiàn)率為14.7%，具體如表2所示。

    2鎂合金制造技術(shù)與制造工藝優(yōu)勢(shì)

    2.1鎂合金的制造加工技術(shù)

    目前，鎂合金可采用壓鑄、擠壓鑄造、固態(tài)成型、半固態(tài)鑄造、注射成型等多種鑄造技術(shù)來生產(chǎn)鎂合金制件，這些制造工藝給鎂合金應(yīng)用于車身提供了技術(shù)支持。

    鎂合金的壓鑄技術(shù)主要包括真空壓鑄和充氧壓鑄兩種方式。真空壓鑄是指在壓鑄過程中，利用鑄造金屬消除型內(nèi)空氣，以消除或減少壓鑄件內(nèi)的氣孔或孔隙，來提高壓鑄件力學(xué)性能和表面質(zhì)量。充氧壓鑄是指充型前將活性氣體沖入型腔來交換型腔內(nèi)的空氣，充型時(shí)利用活性氣體與金屬液反應(yīng)來消除鑄件內(nèi)氣體和氣孔。鎂合金的擠壓鑄造是指采用較低的充型速度以及小的擾動(dòng)使金屬液在高壓下凝固，從而獲得可進(jìn)行熱處理的高致密度鑄件的鑄造工藝。鎂合金的半固態(tài)鑄造，對(duì)冷卻凝固過程中的金屬熔體進(jìn)行強(qiáng)烈攪動(dòng)，待熔體達(dá)到一定固相分?jǐn)?shù)時(shí)對(duì)其進(jìn)行壓鑄或擠壓成形，包括流變成型、觸變成型和注射成型。

    2.2鎂合金材料在工藝上的優(yōu)勢(shì)

    由于鎂合金具有良好的壓鑄成型性能，鑄件及加工尺寸精度高，可以壓鑄薄壁件以及比鋼鐵件更復(fù)雜的零件。因此，當(dāng)使用鎂合金材料代替鋼結(jié)構(gòu)前車身時(shí)，替代部分的零件數(shù)量就由原來的89個(gè)降為50個(gè)，因?yàn)槎鄠€(gè)零件可由一個(gè)壓鑄零件來替代，如圖2所示，這樣零件數(shù)量就會(huì)減少，從而優(yōu)化了加工工藝，簡(jiǎn)化了車身加工的加工工序。

    在鎂合金的生產(chǎn)加工成本上，以前是處于較高的位置，因?yàn)殒V合金在使用壓鑄技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量廢料，而廢料中含有固液兩種形態(tài)，所以必須使用熔劑才能清理干凈，并且這個(gè)清理工藝也很復(fù)雜，這樣就大大加重了生產(chǎn)成本。然而，現(xiàn)在，利用無熔劑物理精煉方法，就消除了異地生產(chǎn)的困擾，從而使得鎂合金在性價(jià)比上也占有了較大的優(yōu)勢(shì)。

    3鎂合金車身在疲勞耐久性上的優(yōu)勢(shì)

    3.1試驗(yàn)方法

    對(duì)于車身的疲勞耐久性試驗(yàn)，采用影響的扭轉(zhuǎn)工況，利用臺(tái)架進(jìn)行虛擬耐久性試驗(yàn)，然后進(jìn)行扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度分析。基本試驗(yàn)方法是：在車身臺(tái)架試驗(yàn)的試驗(yàn)臺(tái)上設(shè)置4個(gè)附著點(diǎn)，共4個(gè)通道，然后通過MSC/NASTRAN軟件在4個(gè)通道上施加扭轉(zhuǎn)力，再在分析軟件FEMFAT中進(jìn)行虛擬車身扭轉(zhuǎn)，循環(huán)次數(shù)為50000次，通過疲勞損傷累積法則計(jì)算車身疲勞損傷。

    3.2分析結(jié)果對(duì)比

    3.2.1鎂合金替代區(qū)域以外疲勞損傷值對(duì)比

    由于試驗(yàn)過程中，有些區(qū)域的疲勞損傷值較小，省略對(duì)比，只進(jìn)行損傷值大于0.1區(qū)域的對(duì)比，其結(jié)果如表3所示。

    從以上結(jié)果可知，當(dāng)使用了鎂合金之后，疲勞損傷嚴(yán)重的位置是一致的，并且損傷值比之前大了0.008左右。因此，使用鎂合金并不會(huì)對(duì)汽車車身其他部位在疲勞耐久性上造成影響。

    3.2.2鎂合金替代區(qū)域的疲勞損傷值對(duì)比

    同樣選取損傷值大的區(qū)域進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表4所示。

    從以上結(jié)果可知，在使用了鎂合金之后，替代之后的結(jié)構(gòu)的疲勞損傷值小了很多，并且的損傷區(qū)域也是一致的。

    因此，鎂合金的使用不僅達(dá)到了輕量化目的，而且，在使用后的車身疲勞耐久性上具有很大的優(yōu)勢(shì)，這就給鎂合金在汽車車身上應(yīng)用提供了很大支持，使得鎂合金在車身輕量化的道路上具有更好的發(fā)展前景。

    結(jié)語

    經(jīng)過從材料、工藝方面的對(duì)比，可知，鎂合金給汽車車身帶來了輕量化，并且簡(jiǎn)化了車身制造工藝，減小了生產(chǎn)制造成本。在性能方面，鎂合金的使用給車身的疲勞耐久性帶來了很大優(yōu)勢(shì)。因此，經(jīng)過本文的探索研究，從各個(gè)方面體現(xiàn)了鎂合金材料的優(yōu)勢(shì)和前景，這是汽車車身輕量化發(fā)展的一個(gè)很好選擇。 

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