基于PSI方法的多材料車身部件選材研究?

崔 岸，張 晗，于多年，張士展，楊宇佳

前言

相對(duì)于由單一材料構(gòu)成的汽車車身，多材料車身可充分發(fā)揮不同材料的性能優(yōu)勢(shì)，兼顧各方面的設(shè)計(jì)要求，“多材料組合的輕量化結(jié)構(gòu)和合適的材料用在合適的部位”已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車車身開發(fā)的一個(gè)主要發(fā)展方向[1-3]。為了獲得最佳的輕量化效果，必須在滿足車身基本性能要求的前提下，在輕量化和材料屬性、工藝性、成本和其它制約因素之間找到最佳契合點(diǎn)。因此，尋求合理有效的材料選擇方法是多材料車身開發(fā)的一個(gè)重要課題。

近年來，已有國(guó)內(nèi)外學(xué)者將相關(guān)多屬性決策分析方法[4-6]用于材料選擇的研究。文獻(xiàn)[7]中結(jié)合質(zhì)量功能展開法(QFD)和層次分析法(AHP)，考慮材料約束和技術(shù)約束以及多種性能需求，進(jìn)行了白車身選材研究，涉及的材料包括不同等級(jí)的高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金和復(fù)合材料；文獻(xiàn)[8]中重點(diǎn)考慮材料對(duì)能源與CO2排放的影響，利用Ashby圖，進(jìn)行了白車身的材料選擇研究，目的在于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性輕量化車身設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[9]中提出了基于模糊折衷決策的白車身零部件選材方法，綜合考慮零部件的性能和設(shè)計(jì)需求獲得了最佳材料方案。采用多屬性決策分析進(jìn)行車身材料選擇，可尋求多種性能指標(biāo)的總體最優(yōu)化，并能獲得更好的輕量化效果。然而大多數(shù)適用于材料選擇的多屬性決策分析方法，都需要設(shè)計(jì)者確定不同材料屬性之間的相對(duì)權(quán)重關(guān)系，不僅需要復(fù)雜計(jì)算，也增加了選材結(jié)果的不確定性。

文獻(xiàn)[10]中提出了一種新穎的多屬性決策方法——偏好指數(shù)選擇法(preference selection index method，PSI)。該方法在確定決策目標(biāo)后，建立一個(gè)包含備選方案和評(píng)價(jià)指標(biāo)的決策矩陣，通過求解備選方案的偏好指數(shù)，獲得備選方案排序，來確定最佳備選方案。PSI方法的特點(diǎn)在于不用考慮各個(gè)設(shè)計(jì)屬性之間的相對(duì)權(quán)重關(guān)系，因而更適合于解決屬性之間權(quán)重有沖突或難以確定的多屬性決策問題。目前，將PSI方法應(yīng)用于車身選材的研究并不多見。

本文中基于PSI方法進(jìn)行車身零部件選材研究，綜合考慮成本、質(zhì)量、工藝性、安全性和環(huán)保性等多方面因素，并將環(huán)境因素作為一個(gè)系統(tǒng)的、可量化的因素進(jìn)行綜合考慮，進(jìn)而能具體評(píng)價(jià)環(huán)境因素對(duì)選材結(jié)果的影響程度。該研究對(duì)于豐富多材料車身設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)車身性能最優(yōu)化具有重要意義。標(biāo)，確定選材評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和備選材料方案，并對(duì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中每個(gè)指標(biāo)進(jìn)行量化，通過求出每個(gè)備選材料的最終偏好指數(shù)，評(píng)價(jià)備選方案，偏好指數(shù)越大表明該備選材料越具有優(yōu)勢(shì)。

圖1 選材步驟

1 基于PSI方法的車身部件選材

基于PSI方法的選材步驟見圖1。根據(jù)研究目

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定

基于車身輕量化和綠色設(shè)計(jì)的要求，將多材料車身選材評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)確定為6大部分，即材料的固有屬性、制造工藝性、安全性、耐久性、環(huán)保性和回收性，具體的評(píng)價(jià)指標(biāo)如圖2所示。

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化

評(píng)價(jià)指標(biāo)中包含定量和定性兩種指標(biāo)，對(duì)于定量評(píng)價(jià)指標(biāo)，可通過查詢數(shù)據(jù)庫、手冊(cè)資料或仿真分析獲得量化數(shù)據(jù)。對(duì)于定性評(píng)價(jià)指標(biāo)，則通過問卷調(diào)查的方式，在專家打分法的基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)化成定量指標(biāo)，用0-1之間的數(shù)值表示，0表示性能最差，0.5表示性能中等，1表示性能最優(yōu)，具體如下。

圖2 多材料車身選材評(píng)價(jià)指標(biāo)

(1)材料固有屬性 包括密度、價(jià)格、彈性模量、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度和延伸率。材料的固有屬性值可以通過查詢材料數(shù)據(jù)庫或者手冊(cè)資料獲得，直接寫入決策矩陣。

(2)制造性 主要考慮成型性、連接性、切削加工性、涂漆性。金屬材料的成型性與材料的多種屬性有關(guān)，包括抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、屈強(qiáng)比和延伸率。綜合考慮與材料成型性相關(guān)的屬性并結(jié)合問卷調(diào)查獲取不同材料成型性能的優(yōu)劣。車身零部件連接方式主要包括焊接和鉚接，連接性主要指焊接性能和鉚接性能，同種及異種材料的焊接性能和鉚接性能通過專家問卷調(diào)查獲取。材料切削加工性能通常用切削加工系數(shù)來表示，材料的切削加工系數(shù)可以通過查詢材料數(shù)據(jù)庫獲取。材料的涂漆性能通過專家問卷調(diào)查獲得。

(3)耐久性 主要考慮耐溫性、耐腐蝕性、耐輻射性。金屬材料的耐溫性勝任絕大多數(shù)車身部件的使用環(huán)境，因此設(shè)定為最高值——“1”；而對(duì)于非金屬材料，決定其耐溫性的因素是其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，非金屬材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度可以通過查詢材料數(shù)據(jù)庫以及相關(guān)手冊(cè)資料獲得。材料的耐腐蝕性一般通過材料在一定濃度NaCl溶液中的腐蝕速率進(jìn)行評(píng)價(jià)，腐蝕速率越低，表明耐腐蝕性越強(qiáng)。不同材料處于一定濃度NaCl溶液中的腐蝕速率可通過查閱相關(guān)數(shù)據(jù)庫和手冊(cè)資料獲得。材料的耐輻射性能通過專家問卷調(diào)查獲得。

(4)安全性 主要指抗撞性能，抗撞性主要通過材料的彈性模量和屈服強(qiáng)度衡量，材料的彈性模量和屈服強(qiáng)度越大，表明材料抵御變形的能力越強(qiáng)，抗撞性能越好。

(5)回收性 主要指回收率和回收難易。材料的回收率可用零部件由生產(chǎn)制造到回收整個(gè)過程中能夠回收的材料質(zhì)量與原始材料質(zhì)量的比值表示。金屬材料零部件的回收難度在很大程度上取決于材料是否易于切割粉碎，因此金屬材料零部件的回收難度主要通過材料的可切削性能判斷。非金屬材料直接回收利用難度較大，通常采用焚燒填埋的方式處理報(bào)廢產(chǎn)品。金屬材料的可切削性能和非金屬材料的回收難度均通過專家問卷調(diào)查獲得。

(6)環(huán)保性 環(huán)保性所包含的影響因素分為6個(gè)方面，即全球變暖效應(yīng)、酸化效應(yīng)、富營(yíng)養(yǎng)化、臭氧層破壞、光化學(xué)煙霧和能源耗竭，每一因素針對(duì)一個(gè)量化指標(biāo)，如表1所示?？紤]生產(chǎn)、使用和回收3個(gè)主要階段，利用GaBi軟件，對(duì)車身部件進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)，從而對(duì)生命周期階段所產(chǎn)生的CO2，SO2和能源消耗量等進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)環(huán)境影響因素的量化。

表1 環(huán)境因素影響類型及量化指標(biāo)

1.3 決策矩陣的建立與標(biāo)準(zhǔn)化

假設(shè)n種備選材料，并基于評(píng)價(jià)指標(biāo)建立決策矩陣，如表 2 所示。 其中，Ai(i＝1，2，3，…，n)表示備選材料，Cj(j＝1，2，3，…，m)表示評(píng)價(jià)指標(biāo)，xij是評(píng)價(jià)指標(biāo)的具體數(shù)值。

表2 決策矩陣

由于各種評(píng)價(jià)指標(biāo)包含不同量綱，指標(biāo)間無法進(jìn)行比較，因此對(duì)矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，獲得標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)Rij。如果屬性特點(diǎn)是越大越好，如利潤(rùn)，則評(píng)價(jià)指標(biāo)值按照式(1)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

如果屬性特點(diǎn)是越小越好，如成本，則評(píng)價(jià)指標(biāo)值按照式(2)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

1.4 計(jì)算偏好變化值PVj

計(jì)算每一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的偏好變化值PVj:

1.5 計(jì)算總體偏好指數(shù)ψj

計(jì)算總體偏好指數(shù)ψj:

式中φj為偏好變化值PVj的偏差。

1.6 計(jì)算最終偏好指數(shù)Ii

計(jì)算每一個(gè)備選方案的最終偏好指數(shù)Ii，最終偏好指數(shù)越高，表明備選方案越符合要求。

2 實(shí)例應(yīng)用

選取車門總成作為研究對(duì)象，并僅考慮車門外板、車門內(nèi)板和車門防撞梁3個(gè)零件。

結(jié)合目前車身材料現(xiàn)狀，選取16種輕量化材料作為備選材料，包括:Q235鋼、35號(hào)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼(40Cr)、超低碳BH鋼、雙相鋼(500DP)、低合金高強(qiáng)度鋼(HSLA460)、奧氏體不銹鋼(0Cr18Ni9)、馬氏體鋼(AISI410)、鋁合金 AL5xxx、鋁合金 AL6xxx、鎂合金、鈦合金、高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料、高強(qiáng)度玻璃纖維復(fù)合材料、超高分子量聚乙烯、芳綸-鋁合金層板超混雜復(fù)合材料。分別建立每一個(gè)零件的決策矩陣并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。限于篇幅，本文中只列出車門外板標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣部分表，如表3所示。

根據(jù)建立的車門選材決策矩陣，通過編程實(shí)現(xiàn)PSI方法的計(jì)算流程，得到最終偏好指數(shù)Ii，并按偏好指數(shù)值進(jìn)行材料排序，同時(shí)為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)環(huán)境因素對(duì)選材結(jié)果的影響，本文中還針對(duì)不考慮環(huán)境因素條件下進(jìn)行選材分析，結(jié)果如表4所示。

由表4可見:環(huán)境因素對(duì)車門外板的選材結(jié)果影響較大，在考慮環(huán)境因素時(shí)，排在第1位的材料是HT3碳纖維復(fù)合材料；在不考慮環(huán)境因素時(shí)，排在第1位的是馬氏體鋼(AISI410)；環(huán)境因素考慮與否，排序前6名的材料方案中都包含鋁合金6010。

而對(duì)于車門內(nèi)板和車門防撞梁，由表4可以看出，在考慮環(huán)境和不考慮環(huán)境兩種情況下，環(huán)境因素對(duì)二者的選材結(jié)果影響相對(duì)較小。車門內(nèi)板的第1材料方案都是合金結(jié)構(gòu)鋼(40Cr)，車門防撞梁的第1材料方案都是馬氏體鋼(AISI410)。這是由于車門內(nèi)板和車門防撞梁考慮的力學(xué)性能指標(biāo)更多一些，因此弱化了環(huán)境因素指標(biāo)的影響。

表3 部分標(biāo)準(zhǔn)化后的車門外板決策矩陣

表4 車門外板、內(nèi)板和防撞梁最終偏好指數(shù)

綜上所述，確定車門內(nèi)板的材料為合金結(jié)構(gòu)鋼(40Cr)，車門防撞梁的材料為馬氏體鋼(AISI410)，而車門外板材料有多種方案。

3 結(jié)果仿真驗(yàn)證

根據(jù)前面分析的結(jié)果，確定3種車門材料方案，如表5所示。其中方案4為原有車門材料組合。

3.1 車門剛度和模態(tài)分析

車門下沉剛度和側(cè)向剛度的分析結(jié)果列于表6。車門的下沉位移一般要求小于10mm，側(cè)向位移一般要求小于6mm，從表6的分析結(jié)果看出4種方案均能滿足設(shè)計(jì)要求。車門的下沉剛度一般應(yīng)大于100N/mm，側(cè)向剛度一般應(yīng)大于33N/mm，從表6看出，方案1和方案2的下沉剛度和側(cè)向剛度均大于方案4，方案3的下沉剛度和側(cè)向剛度略小于方案4，但也滿足設(shè)計(jì)要求。

表5 材料組合方案

各方案車門前6階模態(tài)頻率如表7所示。通常與車門固有頻率較為接近的是發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)頻率，約為20～30Hz。因此，車門的固有頻率應(yīng)控制在30Hz以上。由表7中車門的模態(tài)分析結(jié)果可知，4種方案車門的1階模態(tài)頻率均大于30Hz，滿足要求。

表6 車門剛度分析結(jié)果

表7 各方案車門前6階模態(tài)頻率 Hz

3.2 車門碰撞分析

車門碰撞采用柱碰的方式，主要根據(jù)GB15743—1995、美國(guó)FMVSS214法規(guī)建立有限元模型，碰撞有限元模型采取的剛性柱直徑為305mm，圓柱上表面比窗口下邊緣線高出13mm，下表面比車門外板最低點(diǎn)高出127mm，圓柱中心線位置處于外板底線中點(diǎn)的位置，將碰撞初始速度設(shè)定為50km/h，碰撞截止時(shí)間設(shè)定為40ms，車門碰撞有限元模型如圖3所示。

圖3 車門碰撞有限元模型

將4種材料組合方案車門碰撞過程中內(nèi)板最大侵入量列于表8?？梢钥闯?，方案1～方案3的車門抗撞性明顯優(yōu)于方案4。

表8 各方案車門碰撞過程中內(nèi)板最大侵入量

3.3 材料組合方案的確定

由以上仿真結(jié)果可以看出，方案1～方案3的車門剛度和模態(tài)頻率均在許用范圍內(nèi)，而且與原有材料車門相比，都具有優(yōu)良的抗撞性。又因?yàn)?種備選方案車門的總質(zhì)量分別為 16.81，12.08和13.06kg，材料價(jià)格分別為 68.4，201.19和 73.94元，所以綜合考慮輕量化和成本，方案3是較為理想的選擇。

4 結(jié)論

本文中綜合考慮材料成本、質(zhì)量、機(jī)械性能、工藝性能、安全性和環(huán)境友好性等多種屬性，基于一種不計(jì)算屬性權(quán)重的多屬性決策方法PSI進(jìn)行車身零部件的多材料選擇研究。系統(tǒng)確定了多材料車身選材的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和量化指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境影響因素的量化分析，并通過計(jì)算最終偏好指數(shù)，獲得了材料排序方案。通過實(shí)例應(yīng)用與仿真分析，驗(yàn)證了該選材方法的有效性，且從輕量化和成本角度考慮，給出了最終材料方案。為多材料車身設(shè)計(jì)提供了一種新方法。

[1] GOEDE M，STEHLIN M，RAFFLENBEUL L，et al.Super light car—lightweight construction thanks to a multi-material design and function integration[J].European Transport Research Review，2009，1(1):5-10.

[2] JAMBOR A， BEYER M.New cars—new materials[J].Materials and Design，1997，18(4-6):203-209.

[3] 周云郊.鋼鋁混合材料車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題與應(yīng)用研究[D].廣州:華南理工大學(xué)，2011.

[4] CHEN SJ，HWANG CL.Fuzzy multiple attribute decision-making methods and applications.Lecture notes in economics and mathematical systems[M].Berlin:Springer-Verlag，1992.

[5] HWANG C L，YOON K P.Multiple attribute decision-making:Methods and applications[M].New York:Springer，1991.

[6] RAO R V.Decision making in the manufacturing environment using graph theory and fuzzy multiple attribute decision-making methods[M].London:Springer-Verlag，2007.

[7] MAYYAS Abdel， SHEN Qin， MAYYAS Ahmad， et al.Using quality function deployment and analytical hierarchy process for material selection of Body-in-White[J].Materials and Design，2011，32(5):2771-2782.

[8] AHMAD T Mayyas， Ala Qattawi， Abdel Raouf Mayyas， et al.Life cycle assessment-based selectionfor a sustainable lightweight bodyin-white design[J].Energy，2012(39):412-425.

[9] 崔岸，王學(xué)良，王希閣，等.基于模糊折衷決策的車身輕量化材料選擇方法[J].汽車工程，2015，37(6):1-2.

[10] MANIYA K，BHATT M G.A selection of material using a novel type decision-making method:preference selection index method[J].Materials and Design，2010，31(4):1785-1789.