近年來，隨著汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對于汽車的承載能力、使用壽命、節(jié)能減排以及材料升級切換等方面的要求越來越高[1]。國內(nèi)多數(shù)鋼鐵企業(yè)在700 MPa級析出強化鋼添加微合金元素鈮（Nb）[2]，主要目的是為了提高汽車結構件的疲勞強度、降低部件重量，實現(xiàn)結構輕量化[3−5]。商用汽車大梁作為主要承載部件，幾乎承擔了車輛整備質(zhì)量和運輸貨物的全部重量，其力學性能對商用車行駛安全極為重要[6−9]。本研究以牌號BG700L和BG960L高強度汽車大梁用鋼為例，對2種不同材料的應力應變曲線進行了數(shù)據(jù)處理，建立了應用于強度計算的力學性能材料卡。同時以某商用車型大梁為模型，對采用BG700L和BG960L高強度鋼制成的汽車大梁分別進行了強度載荷仿真模擬分析和剛度仿真模擬分析。在汽車零部件的正向設計開發(fā)過程中需要對多個方面的工況進行檢核和驗證，例如：模態(tài)分析、強度工況分析、剛度工況分析、疲勞工況分析以及屈曲工況分析等。本文針對汽車大梁的強度工況和剛度工況對其結構進行優(yōu)化，進而實現(xiàn)輕量化的目的。

1. 力學性能

1.1 材料屬性

高強度汽車大梁用鋼BG700L和BG960L的材料力學性能如表1所示。從表1可以看出，BG960L的屈服強度和抗拉強度分別為1070和1180 MPa，明顯優(yōu)于BG700L的屈服強度（736 MPa）和抗拉強度（786 MPa）。通過拉伸試驗測得材料的工程應力–工程應變曲線，再將工程應力曲線轉化為真實應力–真實應變曲線，BG960L的力學性能顯著優(yōu)于BG700L。兩種材料的塑性變形的真實應力–真實應變曲線如圖1所示。

1.2 力學性能材料卡

應用有限元分析軟件制作2種材料的力學性能材料卡片，編輯BG700L和BG960L高強鋼材料的密度、楊氏模量、泊松比等材料參數(shù)，并將真實應力應變曲線導入有限元分析軟件中，所制成的BG700L和BG960L高強度汽車大梁用鋼的材料卡片數(shù)據(jù)如圖2。

2. 汽車大梁有限元模擬分析

2.1 有限元模型的前處理

建立某商用車型大梁的三維幾何模型，為保證仿真模擬分析的準確程度，將模型的設計尺寸與真實零件的設計尺寸比例設置為1:1，幾何模型如圖3所示。使用Hypermesh前處理軟件對模型進行幾何清理與網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格標準尺寸取8 mm×8 mm，網(wǎng)格單元類型為殼單元，網(wǎng)格數(shù)量為103955個。大梁的上下板厚都為10 mm，加強板厚度為5 mm，整體質(zhì)量為440 kg。在強度仿真模擬分析中材料分別選用BG700L和BG960L。在汽車大梁的強度分析過程中，設定汽車載重量為20 t，將20 t的載重量耦合到大梁上板，模擬汽車大梁的承重狀態(tài)。為了能夠滿足車輛行駛過程中的最大承載能力的設計要求，在此條件下，對整個汽車大梁施加2.5g（g為重力加速度）的加速度載荷，來模擬行駛過程中的最惡劣的極限工況。通過約束A點來模擬前懸架的板簧支撐作用，約束B、C、D、E四點來模擬后懸架的板簧支撐作用，其中對A點約束123（XYZ向位移）方向自由度，而對B、C、D、E四點約束3（Z向位移）方向自由度[10−11]，約束方式如圖4所示（RBE3代表柔性連接）。

2.2 汽車大梁強度分析

將Hypermesh軟件中輸出的設置文件導入有限元分析軟件中進行求解，求解后的輸出文件再導入Hyperview軟件中進行后處理并輸出仿真結果，本文應用Von Mises應力作為計算應力和判斷標準。

不同的約束方式和載荷加載方法會對仿真結果產(chǎn)生影響，所以本研究在相同的約束和加載條件下，分別對BG700L和BG960L 2種材料制成的汽車大梁進行了分析對比。圖5為分別為相同加載和約束條件下，采用BG700L和BG960L 2種材料制成汽車大梁的應力云圖。從圖5中可以看出，因為汽車大梁在受載時還處于彈性變形階段，所以采用2種材料的模型的應力一致。在相同的加載和約束條件下，BG960L材料的制成的汽車大梁的應力與BG700L材料的最大應力都為699.8 MPa，應力均小于屈服強度，均在安全使用范圍之內(nèi)。

為了提高材料的利用率，達到減重和節(jié)約成本的目的，對此模型進行了減重處理，將大梁模型的上下板厚都減薄至8 mm，加強板厚度減薄至4.5 mm，減重后質(zhì)量為355 kg，減重率約為20%。使用相同的分析方法，對減重后的汽車大梁進行強度分析，材料選擇BG960L。圖6為減重后汽車大梁的強度分析的應力云圖。從圖6中可以看出，減薄后的大梁最大應力位置處于模型的最下側，與減重前基本一致。最大應力為874.3 MPa，比較減重前有所增加，應力還未達到材料屈服強度1070 MPa，能夠滿足汽車大梁的強度工況的使用要求，并且存在進一步的減薄潛力。

2.3 汽車大梁剛度分析

為了進一步驗證減重的可行性，進行了大梁減重前后的剛度分析。剛度的分析方法如圖7所示，分析方法與強度分析類似，對A點約束123方向自由度，而對B、C、D、E四點約束3方向自由度。因為零件的剛度只與材料的楊氏模量、泊松比以及零件的結構有關系，而BG700L和BG960L的楊氏模量和泊松比一致，所以本研究只對比了BG700L原設計方案和BG960L減重方案的剛度。圖8為減重后的力與位移曲線，減重前加載點的Z向位移為0.77 mm，減重后加載點的Z向位移為0.9 mm。在線性計算過程中，剛度值為力和位移的比值，因此減重前大梁的剛度為266 kN/mm，減重后剛度為203 kN/mm。此車型商用車設計要求為加載點的Z向位移不能大于3 mm，而減重后的位移量并沒有明顯的增加，并且在安全使用范圍內(nèi)。

3. 結束語

以高強度汽車大梁用鋼BG700L和BG960L為例，針對強度工況和剛度工況進行仿真并進行結構優(yōu)化。建立靜態(tài)力學性能材料卡片，并應用到汽車大梁的強度和剛度仿真模擬分析中，研究結果表明：

（1）建立高強度汽車鋼BG700L和BG960L的材料性能卡片，應用于強度有限元分析，提高強度模擬分析的準確度，對于汽車的輕量化和選材具有指導意義。

（2）BG960L材料的屈服強度和抗拉強度明顯優(yōu)于BG700L，分別對采用2種材料制成的某車型大梁進行強度分析，模擬結果顯示采用BG960L高強度鋼的大梁鋼力學性能良好。減重后采用BG960L制成的汽車大梁的最大應力遠小于屈服強度，具有良好的減重空間，并且能夠達到認證要求。

（3）應用有限元分析軟件，對減重前后的結構進行剛度分析，并對比了分析結果。模擬結果顯示減重后的位移量比減重前的位移量增加0.13 mm，沒有明顯減弱，在合理使用范圍之內(nèi)。

文章來源——金屬世界