GMT材料在轿车轻量化设计中的应用

1、上海交通大学硕士学位论文 I GMT 材料在轿车轻量化设计中的应用 GMT 材料在轿车轻量化设计中的应用 摘 要 汽车的轻量化设计直接影响到车辆的安全性和燃油经济性。目前，轿车轻量化新材料的应用已经成为国内外研究的热点。本文研究 GMT材料在汽车轻量化的应用方法，并以轿车保险杠缓冲梁和后备胎支架零件的新材料替换方案为实际应用案例进行了验证。所提出的新材料设计方案已在汽车企业生产中得到实际应用。 论文具体研究了 GMT 新材料的材料性能、成型工艺及其在汽车零部件制造过程中的控制方法。论证了 GMT 新材料应用于后备胎支架的可行性，研究分析了从材料到模具成型过程的零部件加工工艺，最终将 GMT 材料应用于实际生产中。同时研究了保险杠缓冲梁采用 GMT 新材料代替传统金属材料的可行性，利用有限元分析方法分析材料替换后的整车碰撞安全性，最终验证了新方案能够满足碰撞安全法规要求。 本文主要研究工作体现在以下几个方面： （1）研究分析了 GMT 新材料的材料特性和原材料的生产方法。并对 GMT 材料应用于零部件生产的工艺过程进行研究，对烘温工序和模压工序的控制和需要注意的工艺问题进行系统的研究分析

2、。为 GMT 材料成功地应用于后备胎支架设计和保险杠缓冲梁设计提供了基础。 上海交通大学硕士学位论文 II （2）研究了 GMT 新材料在后备胎支架种的应用可行性，并对后备胎支架设计中所采用的 GMT 材料的种类，零件生产过程中所采用的烘温工艺和模压工艺的控制进行了系统分析。 （3）对有限元方法的碰撞安全分析进行了阐述，建立了保险杠缓冲梁的有限元模型。并对采用 GMT 材料代替传统金属材料前后缓冲梁的碰撞安全性按照碰撞法规 ECE R42 和 RCAR 的要求进行了有限元仿真模拟，最终验证了 GMT 材料在保险杠缓冲梁设计中的可行性。 关键词：GMT，轻量化，缓冲梁，有限元分析 上海交通大学硕士学位论文 III THE APPLICATION OF GMT MATERIAL IN AUTOMOTIVE LIGHT-WEIGHT DESIGN ABSTRACT Automotive lightweight structure design and automotive passive safety become more and more concerned all over the w

3、orld. Automotive Materials are the basis of automotive design and competition, the development of automobile technology depends on the development of new materials. In recent years, aluminum alloy, high strength steel, synthetic plastic, composite materials and ceramics are used more and more widely in the automotive industry. In this paper, based on the lightweight structure design and automotive passive safety, the manufacture process of GMT part and the application of GMT material on bumper b

4、eam design are discussed. First, the paper presents some basic ideas, applications and development in lightweight structure, new materials and automotive passive safety. Then the performance of GMT material is researched and some work about manufacture process and molding method is done. At last, a bumper beam model for FEA analysis is built and the results are used in 上海交通大学硕士学位论文 IV GMT material application. The main research works are focused in the following aspects: 1. The performance and m

5、anufacture of GMT material. The performance of GMT material is discussed, manufacture and molding process is researched. This is a basic study for application of GMT material. 2. GMT part manufacture process and parameter analysis. By manufacture, molding and parameter analysis, the heat and molding process are discussed. 3. FEA analysis of bumper beam for passive safety. A FEA model of bumper beam is built. The FEA analysis is done based on the ECE R42 and RCAR specification. The results valida

6、ted the application of GMT on bumper beam. Keywords: GMT, light weight, bumper beam, FEA analysis 上海交通大学 学位论文原创性声明 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：赵勇 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密不保密。 （请在以上方框内

7、打“” ） 学位论文作者签名：赵勇 指导教师签名：沈利冰沈利冰 日期： 年 月 日 日期： 年 月 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 1 页 第一章 绪论 1.1 研究背景与意义 1.1.1 背景和意义 近年来，中国汽车行业蓬勃发展，自主开发能力的提高势在必行。但是，随着科学技术的不断进步和人们生活观念的改变，给汽车行业的发展带来了前所未有的机遇和挑战。随着生活观念的改变，人们对汽车的舒适性、安全性、环保性和经济性的要求越来越高；同时由于人类可利用能源和原材料的紧张，以及企业对汽车成本的控制越来越重视，汽车的轻量化也越来越受到重视。 汽车的振动舒适性是评价汽车性能的一个重要指标。车身承受来自地面传到车桥的振动，因此车身的固有振动频率和振型是研究车身振动舒适性的重要切入点。得到车身结构的固有振动频率和振型有两种方法1：一种是通过对实际样车进行试验，得到车身的各阶振动频率和振型；另一种是通过理论分析计算，分析计算出车身的各阶频率和振型。试验方法的局限性在于必须在设计样车制造出来以后才能进行试验分析，根据试验结果再进行修改设计，最终得到一个较好的设计方案，但这种方法时间周期长、

8、试验费用高。理论分析计算可以在没有样车的情况下，在设计过程中进行， 从而能减少样车的制造数量和试验次数， 节约开发成本缩短开发周期。目前最经济，最有效的方法就是车身模态的有限元分析方法。 车身的轻量化设计对提高汽车的经济型、环保性和动力性能有重要的现实意义， 已经成为当前汽车技术研究的一个重要方向。 目前车身轻量化主要有两个途径：一个是改进车身结构设计。主要思想是充分利用材料的性能，在保证汽车的安全性和强度特性的前提下，通过改变车身的结构布局以及构件的截面设计来减轻车身重量；另一种是采用轻型材料。主要思想是在材料选型上遵循等强度的原则，通过选用高强度的合金材料达到减轻车身重量的目的。通过改进车身结构设计来实现轻量化，需要在车身设计初期来完成，而且需要对车身结构重新设计花费大量的人力资源； 采用先进轻型材料， 则有可能造成车身成本的增加和车身制造加工工艺的困难。1 基于目前汽车振动舒适性和车身的轻量化的需要，找出一种能够在提高车身振动特性的同时实现车身轻量化的有效方法越来越重要。 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 2 页 1.1.2 课题来源 本课题依托某知名汽车厂商现行项

9、目车身轻量化的要求，研究新型材料在保险杠缓冲梁和全尺寸备胎支架中替代金属材料的可行性，并最终成功实现新材料的实际应用。 a)采用GMT新材料替代金属材料应用于保险杠缓冲梁。 b)采用GMT新材料替代金属材料制作全尺寸轮胎备胎。 1.2 新材料在汽车轻量化中的国内外应用情况 1.2.1 轻量化是节能环保需求,是汽车发展的趋势 汽车产业在世界各地蓬勃发展的同时，也带来环境污染和能源短缺两大严重的负面影响。据调查，石油消费品中，其中35%是作为汽车的燃料被使用，可见汽车燃料消耗占有很大比重。这种状况必将导致汽车行业的研究方向进行相应调整：轻量、节能和环保成为国际汽车工业研究的主题。 电力 7% 矿产 15%家庭业务 16%化学与原料 18%汽车 35%城市煤气 1%航空业 2%农林水产 3%交通 船舶 3%图 1-1 石油消耗分布图 Fig 1-1 Petrol overall application 轻量和节能：为减轻汽车产品自重，节省材料，降低汽车燃油消耗和低排量，降低生产和使用成本。 轻量和节能一直是国际汽车工业研究的主题。 与20年前相比，国外轿车自重减少了20%-26，每辆轿车所用钢、铸铁、铜、玻璃的数量将分别下降15%、29%、13%和13；铝、镁、粉末冶金、塑料的用量将分别增加31、100%、20%和29%。 环保： 为保护环境， 国际汽车工业对汽车产品使用环保型材料给予了高度重视，汽车废旧材料回收、再生与利用技术已成为热点，并开始形成一种新兴的产业。汽上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 3 页 车轻量、节能和环保既是国际汽车的发展方向，也是我国产业政策的要求，近期国家发改委、科技部和环保局联合制定了汽车产品回收利用技术政策，要求2010年车辆可回收利用率达80% -85%，材料的再利用率不低于75%-80%。在这方面，汽车材料

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