轻量化和汽车安全的关系研究

1、10/9/2013 1 轻量化与汽车安全轻量化与汽车安全 内容 汽车轻量化的趋势 轻量化对汽车安全的利弊 汽车轻量化的途径 轻量化汽车设计面临的技术挑战 2 10/9/2013 2 汽车轻量化的趋势 必须要应对挑战 资源和能源的短缺 排放和环保的压力 交通拥堵和停车难的问题 汽车安全性的要求 汽车轻量化是建设节约型社会 和可持续发展的必然趋势 3 车重随技术发展的变化 4 Technology Advancement 1910-19201950-19601980-19902000-2010 10/9/2013 3 未来汽车的趋势：小型、轻量、个性、环保 5 目标：提高单位车重的载客量 降低人均行驶里程的排放 缓解交通拥堵和停车难 小车、轻车安全吗？ 6 公众首先想到的 10/9/2013 4 大车与小车碰撞 一个比较极端的情形 youku 优酷 - 视频:2009Smart fortwo与MercedesC-Class碰撞 车重：700kgvs.1500kg Smart乘员舱基本完整 反弹剧烈 2000kg级与1000kg级轿车前部 碰撞吸能空间比较 （长度-轴距）/2/2 526mm

2、vs.451mm，相差1.16倍 碰撞力学的两个基本公式 FxD=0.5xmv2,F=ma m2倍， D1.16倍 F1.72倍， a0.86倍 7 一汽威志 995kg 东风悦达起亚 RIO 1160kg 奥迪A8L 2025kg 奔驰S350L 2039kg 不同重量级别轿车的刚度和碰撞设计 前端碰撞变形吸能区 Ksmallfront重量和刚度的影响 重量、刚度和尺寸的因素容易在设计中 被考虑，而复杂事故形态很难在设计中 被顾及 小车乘员舱必须更为刚硬，在碰撞的 反弹可以通过加强约束系统来弥补 9 IIHS small overlap test 思考 有多少事故是车与车的碰撞？ 有多少事故是单车事故？ 严重的碰撞事故中有多少是车对车事故？ 严重的碰撞事故中有多少是单车事故？ 如果是单车碰撞静止障碍物，包括滚翻事故， 你愿意车重还是车轻？ 只有在严重的车撞车事故中，而且事故形态接 近法规设计工况，你希望是在大而重的车里 10 10/9/2013 6 轻量化对汽车安全利大于弊 驾驶人和复杂事故形态的因素是事故和伤害的主要致因 相比越野车，小轿车不易发生滚翻事故 轻量化汽车有利于各种主动

3、安全控制措施 轻量化汽车的高速行驶稳定性可以通过汽车电子技术和 空气动力学技术来提升 降低平均车重能减少道路交通事故的净伤亡 轻车整体动能小，有利于单车事故安全、他车安全和车外人员 安全 多数高速碰撞事故是单车事故，城市道路车对车碰撞以中、低 速为主 重车在保护自身乘员上有优势，但使整体道路伤亡净增加 愿景：将来的道路上大多数都是小车、轻车 11 汽车轻量化的途径 先进成形技术 内高压成形 先进连接技术 粘接、激光焊 先进轻质材料 高强钢、超高强钢、铝合金、镁合金、复合材料、塑料材料 多种材料的复合结构 设计、连接、制造 . 设计优化 与传统汽车设计要求相同 小型化 12 10/9/2013 7 汽车中轻质材料的应用越来越高 13 解决方案： 通过材料测试提高碰撞 仿真的准确性 非传统材料在汽车上的应用（质量/单 车） 面向汽车碰撞仿真的材料表征的挑战 较宽的应变率范围 复杂的应力状态 汽车车身 汽车内饰 保险杠 油箱 汽车车身 汽车内饰 保险杠 油箱 汽车车身 汽车内饰 保险杠 油箱 SAE2007-01-2671 轻量化汽车设计面临的技术挑战 轻质材料碰撞载荷下变形和失效表征和仿真

4、 14 10/9/2013 8 车身结构和材料在碰撞载荷环境下的响应 15 汽车碰撞安全设计和分析，材料的力学性能参数？ 碰撞载荷环境下车身材料的响应？ 应变率范围？ 应力应变幅度？ 失效与应力、应变的关系? 应变率的影响? 什么样的试件形式？ 试验矩阵？ 如何加载？ 测量什么参数？ 目的 实现所需要的应变率范 围、应力应变幅度、应 力三轴度、失效等 很多轻质材料的力学性能与应变率相关 0.000.050.100.150.20 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 真实应力 (GPa) 塑性真实应变 0.005 s-1 0.1 s -1 10 s-1 100 s-1 500 s-1 1000 s -1 0.00.30.60.91.21.51.8 0 8 16 24 32 40 0.01/s 0.1/s 1/s 150/s 400/s True stress (MPa) True strain Tension test results at different strain rates 某高强钢某汽车内饰塑料材料 流动应力、断裂应变等都与应变率相关 16 10/

5、9/2013 9 轻质金属材料往往韧性差 超高强钢、铝合金、镁合 金、碳纤维增强复合材料 (CFRP) 某镁合金管轴向压溃断裂 某挤压成型铝合金 四孔管轴向压溃断裂 17 材料断裂应变与应力三轴度有关 车身结构件的碰撞大变形有复杂的应力状态 材料的断裂应变与应力状态有关 断裂部位拉、压、剪的组合 某高强钢断裂应变乘数与应力三轴度的关系 m 222 121323 2 2 ()()() 123 3 m 18 10/9/2013 10 高强钢力学行为表征 19 应力三轴度有效塑性应变 管件轴向压溃过程中应力应变状态演化情况 应力三轴度：-0.550.67之间 应变率最大值 250-500/s范围 为薄壁吸能结构设计提供参考 为材料失效试验方案提供依据 通过仿真模拟，考察高强钢薄壁管件轴向压溃过程中 应力和应变状态参数的分布和演化情况 裂纹倾向于先在 棱线附近发生 高强钢力学行为表征(续) 20 方管棱线处倒角半径 断裂趋势 方管壁厚 断裂趋势 薄壁管横截面形状由方形趋近 于圆形 断裂趋势 薄壁方管轴向压溃过程中棱线处断裂趋势的影响因素 10/9/2013 11 高强钢力学行为表征(续) 21

6、 012345 0 1 2 3 4 5 6 Force (kN) Displacement (mm) CR3*,thickness=1.95mm CR3*,thickness=1.04mm CR5*,thickness=1.60mm CR3*,thickness=1.46mm CR3*,thickness=1.77mm CR5*,thickness=1.00mm CR2*,thickness=1.58mm CR5*,thickness=1.78mm CR2*,thickness=1.18mm 0.00.51.01.52.02.5 0 5 10 15 20 25 CR3*,thickness=1.95mm CR3*,thickness=1.04mm CR5*,thickness=1.60mm CR3*,thickness=1.46mm CR3*,thickness=1.77mm CR5*,thickness=1.00mm CR2*,thickness=1.58mm CR5*,thickness=1.78mm CR2*,thickness=1.18mm Force (kN) Displac

7、ement (mm) 确定高强钢断裂失效准则确定高强钢断裂失效准则 单向拉伸单向拉伸缺口拉伸缺口拉伸剪切剪切 高分子材料力学行为表征 0.00.51.01.52.0 0 50 100 150 200 250 300 test 0.01/s simulation 0.01/s test 0.1/s simulation 0.1/s test 1/s simulation 1/s test 150/s simulation 150/s test 400/s simulation 400/s force (N) true strain 应变率(s-1)材料试样 400 150 1 0.1 0.01 拉伸试验拉伸试验 强度断裂应变强度断裂应变应变率应变率 22 10/9/2013 12 SAMP-1模型的应用 热塑性塑料材料复杂力学行为模拟 模型输入信息提取（参数识别） 高分子材料力学行为表征（续） 23 0 1000 2000 3000 4000 5000 0.010.060.4317.2361.81154.80387.80 E (MPa) Strain rate (s-1) 某高分子材料的

8、杨氏模量 塑性泊松比 拉伸0.1 压缩0.2 0.00.20.40.60.81.0 0 10 20 30 40 50 300 390 0.4 17 130 True stress (MPa) Plastic strain Strain rate (s -1) 0.006 0.06 10 -3 10 -1 10 1 10 3 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Effective strain at failure Strain rate (1/s) U niaxial tension Shear 0.00.20.40.60.81.0 0 5 10 15 20 25 30 Biaxial tension True stress (MPa) Plastic strain In-plane compression Uniaxial tension Shear 高分子材料力学行为表征（续） 24 0369121518 0 20 40 60 80 100 Force of bending (N) Displacement (mm) Test data Simulation 0.0 0

9、.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 Force of punch (kN) 0.00.51.01.5 0 200 400 600 800 1000 Tension (0.1/s) Tension (200/s) Force (N) Relative deformation of gage length Test data Simulation In-plane compression (0.01/s) 不同加载条件 10/9/2013 13 压铸镁合金力学行为表征 AM60压铸镁合金 单向拉伸力学行为的应变率 影响 应变率 流动应力 断裂应变与应变率无明显关系 板材厚度流动应力 25 0.000.020.040.06 0 50 100 150 200 250 True stress (MPa) True strain 5 x 10-4 s -1 5 x 10-3 s -1 5 x 10-2 s -1 1 x 10 s -1 1 x 102 s -1 Uniaxial tension 6.55.23.92.61.3 厚度(mm) 10 -3 10 -2 10 -1 120 140 160 180 200 220 2.6 mm thick 1.3 mm thick True stress (MPa) Strain rate (s -1) 6.5 mm thick 5.2 mm thick 3.9 mm thick 胶焊试样试验与仿真 051015202530 0 1 2 3 4 5 test results simulation Force (kN) Displacement (mm) static coach-peel 03691215 0 5 10 15 20 25 30 te

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