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战略合作单位:

 

轻量化设计方法领域的革命——包含材料性能设计的机械设计新方法

时间:2020-12-18   来源:《模具工业》   作者:林建平,徐南婕,张凯,林野   浏览次数:200

林建平,徐南婕,张凯,林野

(同济大学机械与能源工程学院)

摘要:基于性能可控新材料的特性以及对现有机械设计方法的分析,提出了一种“包含零部件局部材料性能设计”的机械设计新方法,即要设计零件的结构和截面形状,还要在合适的部位强调其材料性能的设计。通过结构、截面和性能三者设计的结合,可实现零部件全局结构协调且局部性能充分利用的目标,获得更理想的轻量化效果。采用双帽形薄壁构件轴向压溃试验,分析了局部强度提升对构件轴向压溃力学性能的影响,结果证明局部强化对轴向压溃力学性能有明显提升,验证了方法的合理性。进一步从轻量化新材料、制造工艺和设计人员3个方面对“包含零部件局部材料性能设计”新方法所带来的挑战进行了分析,为该理念和方法的应用提供了方向。

关键词:机械设计方法;轻量化;局部性能;材料性能设计;热冲压

 

0 引言

电动汽车的快速发展引发了轻量化技术的快速进步,轻量化从汽车、航天、航空等领域向传统制造领域扩散,成为机械制造领域的重要发展方向[1]。轻量化技术主要包括轻量化设计技术、轻量化材料、轻量化制造工艺3个方面[2],这3个方面虽然相互联系,但从零部件轻量化应用技术来看,三者又相对独立。理论上,使一个零部件达到轻量化极限的设计,应该是使该零部件在工作状态下,所有的局部性能都处于接近或达到了其极限性能的状态、没有冗余的结构设计,即机械零部件轻量化设计所达到的理论极限是该零部件在工作状态下,其所有局部的性能都发挥到了极致。而目前的机械零部件在工作状态下,因为结构、承载、材料和制造等方面的原因,机械零部件在性能上特别是局部性能还有较多冗余,造成零件在性能使用上的浪费,具有很大的轻量化优化空间。从机械零部件性能优化设计角度考虑,一个零部件的最佳设计应基于该零部件内部的、各局部性能的合理搭配(协调)而体现的最佳工作能力状态。但目前的机械零部件设计远未涉及此问题,这给机械设计提出了新的挑战。

近年来,制造过程中力学性能可变材料的出现,如硼钢、Q&P钢、中锰钢及纤维复合材料等,使通过制造过程实现材料的性能控制成为可能,即在机械零部件制造过程中可以实现其局部力学性能的控制。随着性能可控的新型材料的出现,加入材料性能设计的机械轻量化设计新方法成为可能。这种新的机械设计方法不再局限于零部件的结构设计,还包括了零部件局部材料性能的设计,即在对机械零部件结构进行轻量化设计时,通过对零部件的结构和材料性能的设计(两者结合的设计),达到整个零部件的局部机械性能合理协调和充分利用。这种零部件局部力学性能极限状态通过设计和制造配合实现的方法称为“包含材料性能设计的机械设计新方法”,也是零部件局部性能设计与定制的实现途径。将该方法推广到整个机械零部件的设计与优化,可实现更加接近“没有性能冗余”的轻量化结构优化设计理念,使机械零部件的设计更接近轻量化的极限,是机械轻量化设计及其理念上的突破和发展。为进一步实现“零部件各局部性能的合理搭配而体现的最佳工作能力状态”的设计提供了可能。

1 现有机械设计方法

机械零部件的设计是综合考虑结构、材料、工艺等多方面因素,满足其功能、结构及性能的要求。现有的先进机械设计方法主要有机械优化设计、面向全生命周期的设计、绿色设计、稳健设计、参数化设计、智能设计及轻量化设计等[3,4]

机械优化设计是利用仿真、算法及数学等手段建立满足设计要求的优化模型,利用计算机的分析计算,让机械零部件设计在某些限制条件下,通过某项或几项设计指标(如外观、形状、结构、质量、成本、承载能力、动力特性)的调整,使机械零部件的设计达到优化。机械优化设计是机械设计的重要方法,对提高机械装备及零部件设计质量、缩短研发周期的作用非常关键[5]

机械优化设计通常有传统和现代2种理论方法。传统优化设计方法较多,如按求解方法特点区分有准则优化法、线性规划法和非线性规划法。传统优化设计方法对于不同类型的约束、变量、目标函数等需导出不同的优化准则,多为近似最优解。

另外,规划法需多次迭代、重复分析,效率较低,还要求目标函数和约束条件连续、可微,都限制了其在实际机械优化设计中的应用。另外,机械装备和零部件工作状态中存在各种不确定性因素,包括原设计变量的不确定性、性能参数的不确定性、模型的不确定性及稳定耐久性的不确定性等,而这些不确定性造成了机械装备与零部件设计结果的不确定性。由此出现了考虑机械零部件的不确定性的优化设计方法:稳健设计和可靠性设计[6]。随着节能和资源管控理念的强化,绿色设计和面向零部件全生命周期的设计方法孕育而生,要求零部件从设计开始就要考虑其生命周期的全过程,包括制造、质量、成本、用户体验、维护和回收等全生命周期,实现材料、能耗、成本以及使用的资源消耗最少。

现代机械设计需求越来越高,参数化优化设计、智能优化设计(遗传算法、神经网络、粒子群算法、进化算法等基于案例训练的模型算法)成为了发展的潮流,这些算法不需要清晰的目标函数和约束条件,通过训练某种智能模型,即可获得全局最优解,为复杂机械的优化设计提供了一种方法,在机械工程优化中应用广泛。

机械装备和零部件设计去冗余的改革需求将轻量化设计推到了机械设计技术的前台。机械轻量化结构优化设计是指在给定约束条件下,按质量最轻的目标设计最佳方案,主要包括3个方面:采用形状优化、尺寸优化、拓扑优化等手段进行设计结构的优化;采用轻量化新材料;采用轻量化新工艺的设计。

以汽车车身与零部件轻量化设计为例,汽车轻量化结构优化设计包括结构的尺寸优化、形状优化、拓扑优化以及多目标设计优化;汽车轻量化新材料的应用如高强度钢、铝镁合金、复合材料等;先进轻量化制造工艺如对材料进行创新优化、采用先进的零件制造工艺、汽车零部件的模块化[7],铝镁合金板材的热成形技术、异种材料的焊接与连接以及先进制造设备的应用等。

轻量化本质是一个多学科设计优化问题。目前,车身及零部件结构的优化设计主要是应用有限元仿真分析,通过拓扑优化技术对形状及尺寸展开优化,设计满足使用要求又轻量化的结构。结构尺寸一般指车身与零部件的外形尺寸、板厚、截面形状尺寸、接头尺寸等参数,以此为设计变量,在满足各种工况的刚度、强度、振动、吸能、安全、疲劳等条件下,以结构质量最小为目标函数构建与优化。汽车轻量化新材料的应用主要是通过新型材料替换传统材料实现车身及零部件的轻量化,达到结构和材料的设计统一。目前,汽车轻量化新材料主要有高强钢和超高强钢、铝合金、镁合金、塑料、复合材料等[8]。汽车车身与零部件的先进轻量化制造工艺主要有两方面:零件成形新工艺和连接新技术[9],主要包括连续挤压变截面型材、金属板的热冲压、激光辅助滚压及铝板点焊、搅拌摩擦焊、钢/铝和钢/复合材料焊接与连接等。

2 包含材料性能设计的机械设计新方法

现有的机械功能设计实现方法主要包括2个方面:①零部件结构和截面形状设计;②选择合适的材料。一旦材料选定,零部件的所有功能将主要通过零部件各截面与结构设计实现。如果零部件的某一局部性能要求提升,则只能增加零部件各截面面积和复杂结构实现,零部件质量也随之增加。以车身设计为例,目前针对车身结构或具体零部件的轻量化设计方法而言,更多的是考虑整体增强(如电池包加强件采用1900MPa抗拉强度板材的热冲压设计)或区域增强(如B柱采用板材软硬分区的组合设计)。这些设计没有充分考虑性能分布的合理性,往往会造成性能冗余。

近年来,多材料的复合使用以及新材料的出现如Q&P钢、中锰钢等,对零部件提出了更高的性能定制要求。在合适的位置选用合适的材料[10]是实现零部件定点、定区域性能定制的主要方法。零件各部分充分发挥其材料性能、互相协调,最大化利用材料性能以使其能力最优成为机械轻量化设计的方向。

“包含材料性能设计的机械设计新方法”是一种“加入材料性能设计的机械轻量化设计新方法、新理念”。对于机械零部件轻量化设计,在合适的部位不仅是设计其结构和截面形状,还要设计其材料的性能。通过三者设计的结合,达到零部件全结构以及局部力学性能的有效利用,获得轻量化效果。

与以往的轻量化材料的合理选择与应用的设计理念相比,通过零部件的局部结构与材料力学性能两者的组合设计实现零部件的功能,追求整体结构性能最优的新设计方法,打破了原有的仅依靠几何结构形状与材料选择来实现功能要求的设计方法,实现了“在合适的部位进行性能合适的机械轻量化设计”新理念,是现行轻量化设计方法和理念的一次重大突破。因此,未来的机械轻量化设计不仅仅是零部件的结构和截面设计,还包括整体和局部材料力学性能的设计,拓展了设计师的设计实现方法与空间。

这种加入材料性能设计的机械轻量化设计思想曾在汽车车身零部件设计中出现过,如汽车硼钢板梯度性能的热冲压是通过模具的不同温度来获得1个零件2种材料强度和性能的方法[11]。通过该方法实现了汽车车身前纵梁、后纵梁和B柱的软、硬分区设计,使其在汽车碰撞过程中,软区用于溃缩吸能、硬区用于抵抗侵入,以实现车内乘员安全性能的提升。另外还包括同材不等厚拼焊板(tailor welded blank,TWB)[12]、变截面辊轧板(tailor rolling blank,TRB)[13]等零部件设计方法。由于只是简单地对材料性能进行整体大块的强化而没有考虑零件的局部性能细化分布需求,以上方法主要是对零件进行分段式、粗犷式的性能强化,使零件存在较大的性能冗余,轻量化的空间还很大。

“包含材料性能设计的机械设计新方法”可看作是在材料改进、结构和截面形状设计方法基础上发展而来的一种轻量化设计新方法,其核心理念是能够根据零件的具体力学性能和功能要求,设计材料结构和性能,将不同材料应用到合适的位置,其性能能得到充分利用。对多种材料组合的零部件还可实现不同材料之间的性能互补,得到零部件的最佳力学性能以及轻量化设计效果。

3 应用案例

汽车服役过程中,安全零件的力学性能直接影响汽车车身的碰撞安全性。以抵抗轴向压溃的双帽形薄壁构件为例,通过分析局部性能强化对构件压溃性能的影响,对所提出的轻量化设计新方法进行具体解析与说明[14]

3.1 试验过程

选择汽车车身上典型的双帽形薄壁构件进行轴向压溃试验,其材质为硼钢(22MnB5)。如图1所示,试样为截面尺寸60mm×60mm、长200mm、壁厚1.6mm的板材成形件。构件的2个帽形结构采用电阻点焊进行连接,焊点直径为ϕ6mm,相邻焊点间距为30mm,每个双帽形试样共包含22个焊点(单侧11个)。采用激光表面淬火工艺对薄壁构件的4条棱边位置进行局部性能强化,每条棱线处的淬火区域沿棱线对称分布(即棱线两侧各8mm)。激光淬火条件:激光功率为1.4kW,激光扫描速度为300mm/min,试样冷却方式为空冷,并于淬火前在淬火位置表面涂抹一层氧化锌吸光剂。淬火前后的双帽形薄壁构件如图2所示。

局部性能强化与无局部性能强化双帽形薄壁构件的轴向压溃性能对比试验在MTS液压伺服万能试验机上进行,如图3所示,为了获得较为稳定的折叠压溃模式,并充分发挥局部性能强化对薄壁构件的性能提升,采用加载速度为5mm/min的准静态压溃方式。为了保证结果的可重复性,每种试样的压溃试验均进行3次。

平均压溃力是指构件压溃变形时的能量耗散与所对应压溃变形量的比值,用来表示薄壁构件在变形过程中吸收能量的能力,可用于评价轴向压溃薄壁构件的力学性能[15],一般吸能结构的平均压溃力越高越好。薄壁构件在压溃过程中的平均压溃力Fm可通过式(1)获得,其中δ和F分别代表某一时刻的压溃位移和该位移下对应的压溃力,δmax为最大压溃位移。

3.2 试验结果

图4所示为轴向压溃过程中的双帽形薄壁构件的压溃力-压溃位移曲线。由图4可见,在试样承受载荷初期,压溃力迅速上升,在变形初期达到峰值压溃力后构件开始失稳,且压溃力迅速下降(其中包含和不包含局部性能强化的双帽形薄壁构件产生峰值压溃力时的压溃位移分别为3.16mm和2.77mm),随后当压溃位移达到120mm(试样总长度的60%)时构件的压溃力-压溃位移曲线呈现3个完整的波峰-波谷。结果证明局部性能强化后试样的平均压溃力由83.0kN提高到102.6kN,提升了约23.6%。

4 包含材料性能设计的机械轻量化设计新方法带来的挑战

通过零部件的局部结构与材料力学性能组合设计实现零部件功能的方法给机械轻量化设计提供了全新的拓展空间。这种基于成形成性的设计理念将材料、工艺和设计集合在一起,涉及的技术和知识领域超出了原有技术的范畴,给机械零部件轻量化设计与制造带来了巨大的挑战。

4.1 轻量化新材料的挑战

超高强钢、复合材料等轻量化新材料在机械特别是汽车领域中的应用,给机械及装备轻量化带来了更多的机遇,同时也带来了更多的问题与挑战。这种挑战主要体现在以下4个方面:新材料的加工与成形制造、异种材料的连接、车身多种材料的涂装及材料性能如何有效利用等。

轻量化新材料的应用是实现轻量化设计目的的重要途径,此外,汽车先进高强度钢等轻量化新材料也是提升汽车被动安全的重要途径。与传统材料相比,轻量化新材料的力学行为与性能有显著差别,如何合理地表征和理解轻量化新材料在加工与制造过程中的力学行为并对其进行数学建模是掌握轻量化构件设计与制造的关键技术基础。以汽车Q&P钢成形制造为例,实际成形制造过程中,同一零件不同位置的材料随变形条件(应变、应变率、温度、变形模式、变形历史等)不同,造成了内部组织演变规律及力学性能的差异。因此,如何充分利用Q&P钢变形条件-组织演变-力学行为-成形制造性能之间的关系,为汽车车身结构设计服务是包含材料性能设计的方法带给机械轻量化设计的新挑战。

多材料集成应用是机械设计技术未来发展的趋势,但由于异种材料在物理、化学特性方面的巨大差异,其连接成为制约机械轻量化制造的关键技术瓶颈。开发和采用何种连接方式(铰接、搅拌摩擦焊接、激光焊、电磁焊接、搅拌摩擦铆接等)是机械轻量化设计与应用的重要难题。另外,多种材料(如塑料和钢板)涂装颜色和耐久的一致性也是轻量化设计技术的新挑战。

如何充分利用零部件的材料特性,达到其性能的最大化利用,消除设计冗余是汽车轻量化的终极目标。如基于复合材料的局部性能强化技术可以在不改变金属原有性能的条件下,通过在金属材料局部粘贴复合材料来提升局部材料的力学性能和零件的使用性能。然而复合材料的种类、粘贴的位置、纤维方向等所导致的力学差异还不清楚,其力学机理及采用复合材料局部强化后对零件的设计与性能控制方法还需要展开系统深入的研究。另外,如Q&P钢的材料力学性能必须通过成形制造过程中的工艺控制来实现,即要求在板材成形的同时使材料达到所设计的力学性能,给制造技术又带来了新挑战。

4.2 对制造新工艺的挑战

轻量化新材料的应用需要新的制造工艺技术,而新的工艺技术又需要新的技术装备来支撑。因此,新材料是引发制造工艺技术进步的重要驱动力。不同的新材料和应用领域,其制造工艺技术也不相同。以汽车热冲压板零件为例[16],将硼钢板加热至950℃,在模具中同时完成成形和淬火,获得1200~1500MPa的强度。实际上,其材料微观组织和力学性能的控制是通过成形过程中的温度控制来实现,即要求在板材成形制造的同时使材料达到所设计的力学性能,这种模具成形制造工艺技术是加热炉、压力机、模具和冷却系统等技术的集成,且各技术之间相互关联、相互影响,给制造技术带来了挑战。

新型复合材料(光功能复合材料、电磁功能复合材料、声学复合材料等)的制造要求不仅要求实现零件成形的形状和尺寸精度,还要求满足组织成分、电磁性能、内应力分布、光学折射等质量条件,其技术要求超出了传统制造技术的要求,是复合材料的组织、成形行为、光、电、磁、声学的特性及其相关制造装备的科学与技术的有机结合。类似的还有:碳纤维复合材料的制造成形技术、木塑复合材料制造成形技术、轻质合金材料的制造、第三代高强钢制造技术、三明治材料的制造技术等。这些轻量化新材料引发的新的制造工艺与技术已超出了传统的制造工艺与技术体系,其技术和理论的深度和难度都极具挑战性。

4.3 给设计人员带来的挑战

不同于传统的设计要求,这种“加入材料性能设计的机械轻量化设计新方法”给设计工程师提出了更高的要求。未来的机械轻量化设计不仅是零部件的结构和截面设计,还包含局部和整体的材料力学性能设计与能力协调。一方面拓展了设计师的设计空间,另一方面要求设计人员不仅要掌握设计知识,还要充分理解材料的性能及其制造工艺在制造过程中对材料组织与性能的影响规律。设计人员需要掌握材料的组织、制造工艺、光、电、磁、声学及其制造装备的相关知识,使设计工程师的知识、能力等远高于传统设计方法的工程师,给设计工程师带来了巨大的挑战。

5 结束语

基于零部件轻量化的极限应是该零部件在工作状态下所有的部分都处于接近或达到了其性能最佳的状态,实现没有冗余的结构设计的思想,提出了“包含材料性能设计的机械轻量化设计新方法”,分析了这种新方法与传统的设计优化方法的区别,并利用双帽形薄壁构件轴向压溃试验证明了局部强化对轴向压溃力学性能有明显提升。在零部件设计过程中,为了保证力学性能的同时达到轻量化效果,需要同时考虑构件的受力情况以及轻量化效果来最终确定局部强化的位置。

通过机械零部件的结构与材料力学性能组合来实现零部件的功能的设计方法,给机械轻量化设计提供了全新的拓展空间,是轻量化设计领域的一次革命。这种包含材料性能设计的机械设计新理念是将材料、工艺和设计集合在一起,涉及的技术和知识领域超出了原有技术的范畴,给机械零部件轻量化设计与制造都将带来巨大的挑战。

参考文献(略)

 
 
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