車輛內(nèi)裝產(chǎn)品項目及其有限元分析

（揚州杰特沈飛車輛裝飾件有限公司，江蘇 揚州 225815）

0 引言

隨著交通運輸技術(shù)的不斷發(fā)展，車輛工藝水平與車輛設(shè)計備受國際和國內(nèi)的重視。依據(jù)車輛設(shè)計目標(biāo)要求，減輕零部件重量，改進車輛相關(guān)性能是需要引起重視的問題。輕量化、低能耗、安全、環(huán)保、生產(chǎn)制造和成本優(yōu)越備受關(guān)注。經(jīng)過有關(guān)資料顯示，車輛減輕一定質(zhì)量，同等情況下，車輛能耗會有所降低。同等條件下，車輛減輕質(zhì)量與之前未減輕時相比，在能耗相同的情況下，可以多行駛路程[1]。在車輛設(shè)計過程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計也尤為重要，與材料用量與分布密切關(guān)聯(lián)。在車輛中有各種各樣的板料制成的零部件，由此可見，板料零部件在車輛設(shè)計制造與使用過程中十分重要。人們乘坐車輛穿梭在城鄉(xiāng)里，直接與車輛內(nèi)裝板料接觸。該文研究車輛內(nèi)裝產(chǎn)品蜂窩鋁及其合金板項目，介紹其用途，簡述車輛內(nèi)裝產(chǎn)品蜂窩鋁及其合金原理，構(gòu)建其三維模型與數(shù)值模型，運用有限元技術(shù)分析蜂窩鋁及其合金板應(yīng)力分布，為進一步研究開發(fā)作理論參考。

1 車輛內(nèi)裝產(chǎn)品蜂窩鋁及其合金簡介

多孔材料指的是具有一定數(shù)量空隙的固體材料，這類材料結(jié)構(gòu)多數(shù)為洞孔或包圍起來的洞孔[2]連接起來的立柱或數(shù)層平板組成孔隙邊界或表面。近年來，隨著科技的不斷發(fā)展，人們逐漸發(fā)現(xiàn)多孔材質(zhì)的優(yōu)點，越來越多的多孔結(jié)構(gòu)或材質(zhì)制成的制品來投入生產(chǎn)與建設(shè)之中。一些企業(yè)開始人工制造各種各樣的多孔隙材料。1）重量輕。多孔隙材料能夠在確保剛度的同時改變材料密度，從而減輕重量。2）韌性好。有些多孔隙材料表現(xiàn)出良好的韌性，可被制成交通工具的外殼來保護乘客。3）隔音效果好。相比于其他材料，多孔隙材料有多個折射或反射面，聲波傳播到其中會被多次折射或反射，阻波性能顯著，利用該類結(jié)構(gòu)制成的隔音板，可以隔離聲音的傳播。4）滲透性能佳。調(diào)節(jié)孔隙的基本參數(shù)尺寸、孔型與方位以及一定規(guī)則排布制造出多孔隙材質(zhì)零部件，利用這種材料零部件可以制造或組裝成“篩”以及過濾裝置。5）吸附性能強。由于液體與氣體分子運動受到其直徑差異作用，多孔材質(zhì)在與迥異孔徑發(fā)生接觸時，液體或氣體的吸附能力表現(xiàn)迥異，鑒于該特點，一些企業(yè)利用多孔結(jié)構(gòu)材質(zhì)制造出凈化水或者空氣多次重復(fù)使用的分離膜[2]。

2 車輛內(nèi)裝產(chǎn)品蜂窩鋁或鋁合金原理

這里簡述車輛內(nèi)裝蜂窩鋁或鋁合金產(chǎn)品的原理[3]。蜂窩鋁或鋁合金材料是多邊形結(jié)構(gòu)材料，各鋁蜂窩具有清晰的壁孔和規(guī)則的棱角，平整的表面能夠較好地和面材料黏結(jié)成復(fù)合材料[2]。近年來，蜂窩材料被廣泛地使用在工業(yè)多領(lǐng)域之中，密集的“蜂窩”具有很多類似的工字型結(jié)構(gòu)，該類結(jié)構(gòu)能夠分散來自面板方向的壓力，并且面板受到的力分布均勻，當(dāng)面板的面積比較大時，其受力依然可以保證的比較好的平整度。蜂窩板受熱時蜂窩可以起到吸能擠壓的作用，減緩受熱膨脹而導(dǎo)致的危害。鋁蜂窩的性能優(yōu)越，其制造加工綠色環(huán)保，便于再利用回收；其相對密度比較低；因其版型比較大、平整度比較好、安裝比較便捷、裝飾性較強。越來越受到學(xué)術(shù)界和工程界的重視。在交通工具、建筑材料、裝飾裝修、軍工國防領(lǐng)域有著重要的地位。

由于蜂窩鋁及其合金結(jié)構(gòu)脫胎的復(fù)合板具有質(zhì)量較輕、受力均勻的優(yōu)良性能，同時具備比較好的緩沖吸能性能，能夠回收再利用，該類結(jié)構(gòu)材料也被運用在普通民生行業(yè)，例如室內(nèi)隔斷與商品展示臺。近年來，有色金屬鋁制成的鋁蜂窩板因其安全的綠色環(huán)保，作為加工材料受到廠家與客戶歡迎，加工前后擺放省去很多環(huán)保程序。有別于傳統(tǒng)隔斷，蜂窩鋁及其合金板具有高貴氣派的風(fēng)格受到中高檔用戶的歡迎。鋁板不可燃燒能夠防火，純鋁產(chǎn)品環(huán)保無污染，質(zhì)量輕，便于運輸，其制成的展示臺組裝拆卸也很方便。

蜂窩結(jié)構(gòu)在交通領(lǐng)域的應(yīng)用也比較廣泛，著名的汽車企業(yè)科尼塞克利用鋁蜂窩結(jié)構(gòu)材料制造汽車底盤，其車身也運用鋁蜂窩夾層增強材質(zhì)。有些車船體制造也會運用蜂窩板，可以減輕車船體自重，改善車船體成本[4-5]。因鋁蜂窩材料防水汽流體能力顯著，一些城市軌道交通車輛洗漱間也使用了鋁蜂窩板材。洗漱間的閥門開啟或關(guān)閉的濺水潑灑在地面時，鋁蜂窩地板相比于木質(zhì)地板更防潮防水。

3 車輛內(nèi)裝產(chǎn)品建模及其有限元分析

車輛內(nèi)裝蜂窩鋁及其合金結(jié)構(gòu)產(chǎn)品來源于“仿生學(xué)”，其憑借密度較小、重量較輕的優(yōu)點被廣泛運用，該類用薄面板夾層蜂窩鋁及其合金芯的產(chǎn)品最早被運用在航空航天領(lǐng)域，這類超輕型的復(fù)合材質(zhì)符合一些航空航天科技產(chǎn)品的要求，20 世紀(jì)前期鋁蜂窩芯夾層結(jié)構(gòu)被運用在飛機機翼位置。隨著航天航空產(chǎn)品與技術(shù)的不斷發(fā)展，蜂窩材料種類不斷增多，20 世紀(jì)后期美國某家企業(yè)利用非金屬蜂窩復(fù)合板材料制造成飛機地板，運用在飛機之中。就多孔材料來說，多孔隙結(jié)構(gòu)孔隙尺寸作用的參數(shù)直接關(guān)聯(lián)到其材料的力學(xué)性能，由多邊形式的孔排列在相同平面上組成二維結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)構(gòu)成的材質(zhì)因其外形類似蜂窩，被稱為“蜂窩”材質(zhì)。還有一類，由多面體孔洞聚集在空間里排列構(gòu)成三維結(jié)構(gòu)，它們的形狀和泡沫類似，因而被稱為“泡沫”材質(zhì)。近年來，很多領(lǐng)域充分運用“蜂窩”材料和泡沫材料的優(yōu)點[2]。

基于此，該文研究并進行了蜂窩鋁及其合金板材建模[1，5]。具體方式如下。

打開三維建模設(shè)計軟件，啟動零件設(shè)計模塊。在計算機零件設(shè)計模塊里構(gòu)建蜂窩夾芯層三維模型，點擊選擇草圖繪制命令，進入草圖界面進行草圖繪制。點擊“多邊形”功能，輸入六邊形參數(shù)，將該圖形中心點設(shè)置在原點位置。利用多邊形方式創(chuàng)建“蜂窩”時，約束外多邊形棱邊長為5 mm，內(nèi)六邊形大小通過與外六邊形形成的壁厚0.5 mm 來約束生成，內(nèi)外六邊形都在草圖繪制里面繪制完成時，單個“蜂窩”通過“拉伸”命令生成了，拉伸厚度錄入15.5 mm?！胺涓C“板料上不止一個“蜂窩”，有若干個“蜂窩”。

在草圖中繪制可復(fù)制幾何單元，生成實體，然后通過“陣列”生成“蜂窩”夾芯層。這里研究的“蜂窩“幾何參數(shù)：橫壁長度5 mm，斜壁長度5 mm，單個“蜂窩”壁厚度0.5 mm 和1 mm，“蜂窩”夾角30 度。構(gòu)建“蜂窩”夾芯層完成之后，構(gòu)建下面板，下面板長度與寬度方向材料應(yīng)支撐住“蜂窩”夾芯層，厚度1 mm；構(gòu)建上面板長度與寬度方向材料應(yīng)覆蓋住“蜂窩”夾芯層，厚度1 mm。材料為鋁材質(zhì)。將三位模型導(dǎo)入有限元分析工具中，構(gòu)建數(shù)值模型。在前處理環(huán)節(jié)，約束板料下面板表面垂直方向的運動。于上面板表面設(shè)置載荷[6]，依據(jù)需求，選擇生成比較好的網(wǎng)格來進行有限元分析，蜂窩鋁合金板料有限元分析云圖，如圖1 所示。

圖1 車輛內(nèi)裝產(chǎn)品蜂窩鋁合金板料有限元分析云圖

4 結(jié)語

由于常規(guī)石油天然氣礦石能源等開采使用日益減少。車輛能耗的有效利用也引起了大家重視，而節(jié)約材料與合理利用材料也備受關(guān)注。車輛設(shè)計過程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計也尤為重要，其與材料用量與分布密切相關(guān)。蜂窩鋁板料零部件在車輛設(shè)計制造與使用過程中十分重要，是高科技環(huán)保產(chǎn)品。該文研究了車輛內(nèi)裝產(chǎn)品蜂窩鋁及其合金板項目，介紹其用途，簡述車輛內(nèi)裝產(chǎn)品蜂窩鋁及其合金原理，構(gòu)建其三維模型與數(shù)值模型，運用有限元技術(shù)分析車輛內(nèi)裝蜂窩鋁及其合金板產(chǎn)品的應(yīng)力分布，為進一步研究多孔材料提供理論支撐。