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汽車輕量化導(dǎo)論
汽車的輕量化,就是在保證汽車的強(qiáng)度和安全性能的前提下,盡可能地降低汽車的整備重量,從而提高汽車的動力性,減少燃料消耗,降低排氣污染。
本書對汽車輕量化及其國內(nèi)外的進(jìn)展進(jìn)行了全面系統(tǒng)的論述,書中不僅論述了輕量化的基礎(chǔ),包括輕量化的重要意義,輕量化的表征參量、評價方法、材料性能和汽車零件功能之間的關(guān)系,計算機(jī)模擬和材料在高應(yīng)變速率下的響應(yīng)特性;還為汽車輕量化指明了實施路徑和方法:輕量化的優(yōu)化設(shè)計,合理選材和采用先進(jìn)的成形技術(shù)。全書不僅理論和實際應(yīng)用相結(jié)合,而且經(jīng)典的基礎(chǔ)知識和新近研究進(jìn)展為一體,這些都將為促進(jìn)我國汽車輕量化的發(fā)展提供有益的參考。 本書可供從事汽車生產(chǎn)、設(shè)計、研發(fā)的技術(shù)人員閱讀,也可供相關(guān)專業(yè)的師生參考。 適讀人群 :本書可供從事汽車生產(chǎn)、設(shè)計、研發(fā)的技術(shù)人員閱讀,也可供相關(guān)專業(yè)的師生參考。 汽車的輕量化,就是在保證汽車的強(qiáng)度和安全性能的前提下,盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量,從而提高汽車的動力性,減少燃料消耗,降低排氣污染。實驗證明,汽車質(zhì)量降低一半,燃料消耗也會降低將近一半。汽車的輕量化對我國汽車工業(yè)的發(fā)展具有長期的和戰(zhàn)略的意義,也是今后長期的科研選題的方向和研發(fā)的重點。 《汽車輕量化導(dǎo)論》由馬鳴圖、王國棟、王登峰等國內(nèi)汽車設(shè)計領(lǐng)域、材料加工領(lǐng)域、材料研發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域的知名專家共同完成。 作者于20世紀(jì)80年代首先提出輕量化概念并一直從事該領(lǐng)域的研究工作。本書將是國內(nèi)對汽車輕量化進(jìn)行系統(tǒng)論述的首部專著。 書中作者結(jié)合國內(nèi)外汽車輕量化研究和應(yīng)用的新成果及多年從事輕量化研究的經(jīng)驗,從輕量化的概念認(rèn)識開始,對汽車輕量化合理選材、優(yōu)化設(shè)計、先進(jìn)的成形技術(shù)等做了全面的論述,意圖給讀者一個準(zhǔn)確的汽車輕量化的概念、研發(fā)的思路,并展示出輕量化的需求和今后的發(fā)展前景。是首部系統(tǒng)介紹汽車輕量化材料及關(guān)鍵技術(shù)的專著。 從能源的生產(chǎn)方式、儲存方式、傳輸方式、分配和再生,一些學(xué)者論述了第三次工業(yè)革命即將到來或初露端倪,為應(yīng)對這一工業(yè)進(jìn)展和革命的形勢,世界各國特別是工業(yè)化基礎(chǔ)較好的國家,都提出或制定了發(fā)展戰(zhàn)略,如德國提出了工業(yè)4.0 的戰(zhàn)略,我國也提出了“中國制造2025”。這種形勢對汽車工業(yè)的要求是電動化、智能化和輕量化。
第1 章 汽車工業(yè)發(fā)展呼喚汽車輕量化 1
1.1 汽車工業(yè)發(fā)展概況 1 1.2 節(jié)能減排是汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢 5 1.3 汽車輕量化意義重大 6 1.4 世界各國十分重視節(jié)能減排和輕量化 12 1.5 世界各國汽車輕量化的研發(fā)現(xiàn)狀和進(jìn)展 15 1.5.1 美國輕量化研究現(xiàn)狀和研發(fā)方向 17 1.5.2 加拿大輕量化研究現(xiàn)狀和研發(fā)方向 20 1.5.3 日本輕量化研究現(xiàn)狀和研發(fā)方向 21 1.5.4 德國輕量化研究現(xiàn)狀和研發(fā)方向 21 1.6 輕量化必須保證汽車的安全性和可靠性 22 1.7 發(fā)展新能源汽車 23 1.8 輕量化的LCA 評估和優(yōu)化設(shè)計 26 1.9 商用車輕量化 29 1.10 倡導(dǎo)主機(jī)廠和汽車零部件廠的生態(tài)平衡關(guān)系 29 參考文獻(xiàn) 30 第2 章 汽車輕量化的表征參量和評價方法 32 2.1 概述 32 2.2 乘用車白車身設(shè)計、功能、意義和內(nèi)涵 32 2.3 乘用車整車輕量化效果的評估方法 35 2.4 乘用車輕量化評價參量的比較 47 2.5 商用車輕量化的表征參量 48 參考文獻(xiàn) 49 第3 章 汽車輕量化工程的實施 51 3.1 概述 51 3.2 車身的優(yōu)化設(shè)計 52 3.2.1 有限元分析的優(yōu)化設(shè)計方法 53 3.2.2 汽車輕量化優(yōu)化設(shè)計和安全 54 3.2.3 多學(xué)科多目標(biāo)優(yōu)化技術(shù)在汽車輕量化設(shè)計中的應(yīng)用 57 3.2.4 車身及主要結(jié)構(gòu)件的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù) 59 3.3 合理的選材 62 3.3.1 幾種材料特性的比較 62 3.3.2 幾種輕量化材料全壽命周期的評價 64 3.3.3 主要輕量化材料的環(huán)保性分析 69 3.3.4 主要輕量化材料的回收性分析 70 3.4 先進(jìn)的成形技術(shù) 71 3.5 輕量化的技術(shù)路線 71 參考文獻(xiàn) 78 第4 章 材料性能和零件功能的關(guān)系 80 4.1 概述 80 4.2 材料性能定義和范疇的拓寬 80 4.3 材料性能和零件功能的關(guān)系、異同及表征 81 4.3.1 不同零件的功能和材料性能的對應(yīng)關(guān)系 82 4.3.2 工藝因素對零件功能和材料性能的對應(yīng)關(guān)系的影響 82 4.3.3 服役過程中的材料性能和零件功能的變化 94 4.4 材料研發(fā)必須重視應(yīng)用研究 95 4.5 材料性能和零件功能關(guān)系的理念的應(yīng)用 96 參考文獻(xiàn) 99 第5 章 材料高應(yīng)變速率下的響應(yīng)特性 102 5.1 概述 102 5.1.1 應(yīng)對第三次工業(yè)革命,汽車工業(yè)將向電動化、智能化、輕量化方向發(fā)展 102 5.1.2 現(xiàn)代汽車設(shè)計理念中的輕量化 102 5.1.3 發(fā)展輕量化技術(shù)已成為世界各國共識 104 5.1.4 現(xiàn)代汽車安全理念中的輕量化 105 5.1.5 虛擬開發(fā)是新車開發(fā)的重要手段 105 5.2 汽車碰撞和工業(yè)實踐需要材料在高應(yīng)變速率下的響應(yīng)特性 106 5.2.1 動態(tài)載荷和應(yīng)變速率 106 5.2.2 高應(yīng)變速率下材料力學(xué)性能的測試技術(shù) 107 5.2.3 高速拉伸的試樣的形狀和尺寸 109 5.2.4 高速拉伸時信號振動的基本原理及測量技術(shù)前沿 110 5.2.5 高速拉伸的數(shù)據(jù)處理 112 5.2.6 高速拉伸數(shù)據(jù)的本構(gòu)方程 115 5.3 影響高速拉伸試驗數(shù)據(jù)可靠性和分散性的因素 123 5.4 幾類典型材料高速拉伸的響應(yīng)特性 124 5.4.1 高強(qiáng)度鋼和第一代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼 124 5.4.2 防彈鋼的高速拉伸性能 129 5.4.3 第二代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼——高錳TWIP 鋼 134 5.4.4 Q&P 鋼和Q&PT 鋼 137 5.5 鋁合金在高應(yīng)變速率下的響應(yīng)特性 141 5.6 鎂合金在高應(yīng)變速率下的響應(yīng)特性 147 參考文獻(xiàn) 152 第6 章 汽車用先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的氫致延遲斷裂 158 6.1 概述 158 6.2 可擴(kuò)散氫與殘余應(yīng)力 159 6.2.1 可擴(kuò)散氫 159 6.2.2 殘余應(yīng)力 161 6.3 氫致延遲斷裂的微觀機(jī)理 163 6.3.1 不涉及塑性變形的延遲斷裂機(jī)理 164 6.3.2 與塑性變形相關(guān)的延遲斷裂機(jī)理 164 6.4 氫致延遲斷裂性能的表征方法 165 6.4.1 恒載荷拉伸試驗 165 6.4.2 慢速率拉伸試驗 166 6.4.3 斷裂韌性試驗 167 6.4.4 彎曲與沖杯試驗 168 6.5 先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的氫致延遲斷裂分析 169 6.5.1 熱沖壓鋼 170 6.5.2 含TWIP 效應(yīng)的鋼 171 6.5.3 含TRIP 效應(yīng)的鋼 172 參考文獻(xiàn) 173 第7 章 乘用車結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計 179 7.1 概述 179 7.2 對乘用車的性能要求 179 7.3 乘用車白車身的性能要求 181 7.3.1 白車身剛度 181 7.3.2 白車身的安全性 188 7.3.3 白車身的固有頻率和NVH 性能 191 7.3.4 白車身使用壽命和回收 196 7.4 乘用車結(jié)構(gòu)CAE 分析 204 7.4.1 CAE 分析的重要意義 205 7.4.2 CAE 分析的方法 206 7.4.3 CAE 分析的各種軟件 207 7.5 乘用車結(jié)構(gòu)輕量化的優(yōu)化設(shè)計 209 7.5.1 結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計 209 7.5.2 結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化設(shè)計 211 7.5.3 結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計 212 7.5.4 白車身結(jié)構(gòu)載荷傳遞路徑分析和抗撞性設(shè)計 213 7.6 結(jié)構(gòu)靈敏度分析方法 214 7.6.1 概述 214 7.6.2 靜態(tài)靈敏度分析理論 215 7.6.3 結(jié)構(gòu)動態(tài)靈敏度分析 218 7.6.4 綜合選取設(shè)計變量 220 7.7 基于性能目標(biāo)最優(yōu)的優(yōu)化設(shè)計方法 221 7.7.1 概述 221 7.7.2 單目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計 221 7.7.3 多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計 223 7.8 白車身輕量化多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計舉例 227 參考文獻(xiàn) 228 第8 章 商用車結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計 231 8.1 商用車的工作模式和承載特性分析 231 8.1.1 底盤車架 232 8.1.2 駕駛室 232 8.1.3 行走機(jī)構(gòu) 232 8.1.4 動力總成系統(tǒng) 232 8.1.5 懸架系統(tǒng) 233 8.1.6 車輪 233 8.2 商用車駕駛室輕量化設(shè)計 233 8.2.1 駕駛室參數(shù)化建模 234 8.2.2 駕駛室彎扭剛度分析 234 8.2.3 駕駛室低階模態(tài)分析 236 8.2.4 基于被動安全性的駕駛室輕量化優(yōu)化設(shè)計 237 8.2.5 商用車駕駛室其他輕量化方法 242 8.3 商用車車架結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計 248 8.3.1 車架結(jié)構(gòu)有限元建模 250 8.3.2 車架有限元自由模態(tài)分析 251 8.3.3 車架彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度的計算 252 8.3.4 車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析 255 8.3.5 車架結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計 257 8.3.6 車架疲勞壽命分析與輕量化 261 8.4 驅(qū)動橋橋殼輕量化設(shè)計 265 8.4.1 概述 265 8.4.2 橋殼結(jié)構(gòu)有限元建模 266 8.4.3 橋殼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度分析 269 8.4.4 橋殼結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計 272 參考文獻(xiàn) 276 第9 章 汽車輕量化和先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用 279 9.1 概述 279 9.2 汽車鋼板的分類 281 9.3 汽車鋼板的典型顯微組織 285 9.4 汽車高強(qiáng)度鋼和先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的研究進(jìn)展 293 9.5 高強(qiáng)度鋼的材料選用和設(shè)計哲學(xué) 309 9.5.1 應(yīng)用高強(qiáng)度鋼時的重要性能 310 9.5.2 設(shè)計哲學(xué) 313 9.6 高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用和相關(guān)問題 317 9.6.1 成形性 318 9.6.2 加工硬化特性 323 9.6.3 回彈 324 9.6.4 疲勞性能 338 9.6.5 應(yīng)變歷史對雙相鋼疲勞性能的影響 347 9.6.6 點焊性能 350 9.6.7 工藝性能 354 9.6.8 烘烤硬化 356 9.6.9 壓潰吸能 356 參考文獻(xiàn) 357 第10 章 汽車輕量化和鋁合金的應(yīng)用 362 10.1 概述 362 10.2 鋁合金的特點和優(yōu)點 364 10.3 汽車鋁合金的應(yīng)用形式 366 10.3.1 鑄造鋁合金 366 10.3.2 精密鑄造鋁合金 368 10.3.3 半固態(tài)鑄造成形 373 10.3.4 鍛造鋁合金 379 10.3.5 擠壓鋁合金 380 10.3.6 變形鋁合金板材 382 10.4 各類型鋁合金在汽車中的典型應(yīng)用 383 10.4.1 鑄造鋁合金的應(yīng)用 383 10.4.2 鍛造鋁合金的應(yīng)用 391 10.4.3 擠壓鋁合金的應(yīng)用 393 10.4.4 軋制鋁合金板材 395 10.5 鋁合金在汽車典型零部件和白車身上的集成應(yīng)用 397 10.5.1 鋁合金副車架 397 10.5.2 鋁合金在汽車懸架上的應(yīng)用 399 10.5.3 鋁合金在新能源車上的應(yīng)用 401 10.5.4 鋁合金在典型整車上的應(yīng)用 403 10.5.5 其他新型鋁合金在汽車上的典型應(yīng)用 405 10.6 汽車用高性能、高成形變形鋁合金板材的研究進(jìn)展 410 10.6.1 對汽車變形鋁合金板材的力學(xué)性能要求 410 10.6.2 成形性 419 10.6.3 預(yù)處理(T4P)和抗時效穩(wěn)定性 436 10.6.4 烘烤硬化性 441 10.6.5 抗凹性 442 10.6.6 5000 系鋁合金鎂含量和應(yīng)力腐蝕開裂 444 10.6.7 油漆的光鮮性——表面狀態(tài)、羅平線和橘皮 445 10.6.8 油漆兼容性 456 10.6.9 鋁合金應(yīng)用時的焊接技術(shù) 457 參考文獻(xiàn) 460 第11 章 汽車輕量化和高分子基復(fù)合材料的應(yīng)用 464 11.1 概述 464 11.2 高分子基復(fù)合材料的定義和分類 464 11.2.1 高分子基復(fù)合材料的定義 464 11.2.2 高分子基復(fù)合材料的分類 465 11.3 纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料 465 11.4 增強(qiáng)纖維 466 11.4.1 玻璃纖維 466 11.4.2 碳纖維 467 11.4.3 芳綸纖維 468 11.5 樹脂基體 469 11.5.1 熱固性樹脂基體 469 11.5.2 熱塑性樹脂基體 470 11.6 復(fù)合材料的界面 470 11.6.1 界面剪切力的提出 471 11.6.2 界面剪切力的測定方法 471 11.7 熱固性樹脂基復(fù)合材料的制造工藝與方法 472 11.7.1 手糊成形工藝 472 11.7.2 噴射成形工藝 474 11.7.3 樹脂傳遞模塑(RTM)成形 475 11.7.4 袋壓法、熱壓罐法、液壓釜法和熱膨脹模塑法成形 476 11.7.5 夾層結(jié)構(gòu)成形工藝 476 11.7.6 模壓成形工藝 477 11.7.7 卷管成形工藝 479 11.7.8 纏繞成形工藝 479 11.7.9 拉擠成形工藝 480 11.8 熱塑性樹脂基復(fù)合材料的制造工藝與方法 480 11.8.1 擠出成形工藝 481 11.8.2 注塑成形工藝 482 11.8.3 連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料成形工藝 483 11.8.4 樹脂注入成形工藝 484 11.8.5 GMT 片材模壓工藝 484 11.9 復(fù)合材料的強(qiáng)度理論 485 11.9.1 連續(xù)纖維增強(qiáng)高分子基復(fù)合材料的強(qiáng)度 485 11.9.2 不連續(xù)纖維增強(qiáng)高分子基復(fù)合材料的強(qiáng)度 486 11.9.3 長纖維和短纖維增強(qiáng)高分子基復(fù)合材料的混合強(qiáng)度 487 11.10 樹脂基復(fù)合材料在汽車輕量化中的應(yīng)用 487 11.10.1 汽車用復(fù)合材料的特點 487 11.10.2 復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用 489 11.10.3 復(fù)合材料在新能源汽車上的典型應(yīng)用 508 參考文獻(xiàn) 512 第12 章 汽車輕量化和鎂合金的發(fā)展應(yīng)用 514 12.1 概述 514 12.2 鎂合金的特點和優(yōu)勢 515 12.3 鎂合金應(yīng)用的類型 515 12.3.1 汽車用鑄造鎂合金 515 12.3.2 汽車用變形鎂合金 516 12.4 汽車用新型鎂合金的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展 516 12.4.1 高強(qiáng)高韌鎂合金 516 12.4.2 耐熱鎂合金 518 12.4.3 高耐蝕性鎂合金 521 12.4.4 高性能變形鎂合金 522 12.4.5 阻燃鎂合金 522 12.4.6 半固態(tài)成形鎂合金 524 12.4.7 鎂基復(fù)合材料 524 12.5 鎂合金在汽車輕量化中的典型應(yīng)用 527 12.5.1 鎂合金方向盤骨架 528 12.5.2 鎂合金儀表盤支架 528 12.5.3 鎂合金輪轂 529 12.5.4 鎂合金座椅骨架 530 12.5.5 鎂合金自動變速器殼體 530 12.6 擴(kuò)大鎂合金應(yīng)用的問題和方法 530 12.6.1 積極推進(jìn)鎂合金的基礎(chǔ)研究 530 12.6.2 建立世界級的產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)計平臺 531 12.6.3 加快推進(jìn)鎂合金牌號和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化 532 12.6.4 積極開展汽車全壽命周期評價的研究 532 12.6.5 大力推進(jìn)汽車板EVI 服務(wù)模式 533 12.6.6 積極組建產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同創(chuàng)新體 533 參考文獻(xiàn) 535 第13 章 汽車輕量化和熱沖壓成形技術(shù) 541 13.1 概述 541 13.2 熱沖壓成形材料的開發(fā) 543 13.3 熱沖壓成形板的鍍層 549 13.4 熱沖壓成形鋼的高溫流變特性、FLD 和摩擦系數(shù)的測定 551 13.5 加熱工藝 555 13.6 成形和冷卻 557 13.7 熱沖壓成形時的計算機(jī)模擬 558 13.7.1 沖壓成形和冷卻過程中的模擬 559 13.7.2 熱傳導(dǎo)模擬 560 13.7.3 材料的流變模型和本構(gòu)方程 564 13.7.4 馬氏體相變模型 567 13.7.5 成形極限圖和摩擦系數(shù) 568 13.8 不同組織狀態(tài)下的22MnB5 鋼的本構(gòu)方程 573 13.9 熱沖壓成形零件熱-力耦合仿真的實際應(yīng)用 575 13.9.1 工藝參數(shù)對熱沖壓成形前防撞梁的影響 575 13.9.2 熱沖壓成形零件開模變形的仿真 581 13.10 熱沖壓成形的模具設(shè)計 594 13.11 熱成形零件的性能檢測 599 13.11.1 準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能和高速拉伸性能 599 13.11.2 熱沖壓成形鋼板的尖冷彎 601 13.11.3 熱沖壓成形質(zhì)量的檢測和構(gòu)件功能的檢測 603 13.12 熱沖壓成形零件的后續(xù)加工 604 13.13 熱沖壓成形的熱點 606 參考文獻(xiàn) 615 第14 章 汽車輕量化和其他先進(jìn)成形技術(shù) 622 14.1 液壓成形 622 14.1.1 概述 622 14.1.2 板料的液壓成形原理和方法 622 14.1.3 板料液壓成形的形式 623 14.1.4 板料液壓成形的應(yīng)用 625 14.2 內(nèi)高壓成形 627 14.2.1 內(nèi)高壓成形的原理和方法 627 14.2.2 內(nèi)高壓成形的裝備 630 14.2.3 內(nèi)高壓成形的模具設(shè)計 634 14.2.4 內(nèi)高壓成形的用材和性能要求 639 14.2.5 內(nèi)高壓成形零件的檢測和評價 642 14.2.6 內(nèi)高壓成形的典型應(yīng)用 643 14.3 輥壓成形 644 14.3.1 輥壓成形工藝概述 644 14.3.2 高強(qiáng)鋼輥壓成形材料特性 645 14.3.3 高強(qiáng)鋼輥壓成形工藝設(shè)計及裝備 646 14.3.4 高強(qiáng)鋼輥壓成形零件的檢測與評價 649 14.3.5 高強(qiáng)鋼輥壓成形件在汽車輕量化的應(yīng)用 651 14.3.6 輥壓成形前沿技術(shù) 652 14.4 激光拼焊板沖壓成形技術(shù) 654 14.4.1 概述 654 14.4.2 激光拼焊的原理和方法 654 14.4.3 激光拼焊焊縫組織和性能 655 14.4.4 影響激光拼焊板質(zhì)量的因素 656 14.4.5 激光拼焊板在汽車工業(yè)中的應(yīng)用 658 14.4.6 激光拼焊板沖壓成形基本原理 658 14.4.7 激光拼焊板沖壓成形優(yōu)勢 659 14.4.8 激光拼焊板沖壓成形性及其模具設(shè)計制造關(guān)鍵技術(shù) 660 14.4.9 激光拼焊板沖壓件可制造性分析 663 14.4.10 激光拼焊板零件優(yōu)化設(shè)計 665 14.4.11 激光拼焊板沖壓件在車身中的典型應(yīng)用 667 14.5 汽車用變厚板(VRB) 670 14.5.1 概述 670 14.5.2 變厚板軋制技術(shù)基本原理 671 14.5.3 變厚板應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù) 674 14.5.4 變厚板的檢測評價 677 14.5.5 變厚度鋼板在汽車行業(yè)的典型應(yīng)用 679 參考文獻(xiàn) 681
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