車輛蜂窩鋁合金技術(shù)及其數(shù)值分析研究

郝 健

（揚(yáng)州杰特沈飛車輛裝飾件有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225815）

0 引言

隨著人類社會(huì)與交通運(yùn)輸行業(yè)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的相關(guān)人員開始重視車輛制造工藝水平和車輛設(shè)計(jì)技術(shù)方面的研究。相關(guān)資料顯示，在其他因素相同的情況下，重量越輕的車輛，其能量消耗越少，行駛的路程越長(zhǎng)[1]，而車輛的結(jié)構(gòu)與材質(zhì)的使用量和分配密切相關(guān)。近年來(lái)，科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)材料在很多領(lǐng)域中有了良好的發(fā)展。然而，夾層結(jié)構(gòu)產(chǎn)品種類很多，由于所采用的材料不同、夾層內(nèi)部的結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致夾層結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的幾何參數(shù)也存在差異。對(duì)于具體蜂窩結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行具體分析。根據(jù)車輛制造與設(shè)計(jì)要求，改善零部件的質(zhì)量。交通車輛的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較重要，與材質(zhì)的使用量和分配關(guān)聯(lián)密切。對(duì)車輛蜂窩鋁合金技術(shù)及其數(shù)值分析的研究，有助于我們通過(guò)合理的視角看待這種新興的產(chǎn)品，這對(duì)將來(lái)車輛蜂窩鋁合金產(chǎn)品制造工藝的改進(jìn)、大批量生產(chǎn)起到理論支撐的作用。

1 車輛蜂窩鋁合金

人們通過(guò)利用仿生學(xué)中的生物功能與結(jié)構(gòu)原理，來(lái)研制新技術(shù)并解決機(jī)械技術(shù)問(wèn)題。蜂窩鋁及其鋁合金結(jié)構(gòu)技術(shù)借鑒了蜜蜂的“蜂窩”。這類“蜂窩”結(jié)構(gòu)，是在相似的平面上排列的多邊形構(gòu)成的兩維結(jié)構(gòu)，具有規(guī)律的棱角與比較清楚的壁、孔，平整的表層可以較好地與面板材質(zhì)組成成品[2]。規(guī)則排列的“蜂窩”與面板構(gòu)成類似“工”字的形狀，當(dāng)面板受力或載荷時(shí)，這類“蜂窩”結(jié)構(gòu)可有效分散壓力[2-3]。面板受力比較均勻，面板的區(qū)域面積較大時(shí)，“蜂窩”板具有較好的平整度[2]。蜂窩鋁合金早期被應(yīng)用在航空航天行業(yè)。人們逐漸發(fā)現(xiàn)這類材質(zhì)的特點(diǎn)，并制造出了各式各樣的產(chǎn)品。一些“蜂窩”鋁合金結(jié)構(gòu)具有較好的韌性，可以應(yīng)用在交通運(yùn)載工具上面，可以很好的保護(hù)乘客的安全。

2 傳統(tǒng)內(nèi)裝產(chǎn)品與內(nèi)裝蜂窩鋁合金產(chǎn)品對(duì)比

采用內(nèi)部厚實(shí)板料制成的傳統(tǒng)內(nèi)裝產(chǎn)品，相比于蜂窩鋁合金板料制成的內(nèi)裝產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，在外表長(zhǎng)、寬、高規(guī)格相同的條件下，其分量較重。而且其在加工制造時(shí)對(duì)設(shè)備的承重要求較高，切削加工截面時(shí)產(chǎn)生的切屑粉塵比較多，容易造成安全隱患，而粉塵防護(hù)也會(huì)增加一些成本[4-5]。傳統(tǒng)內(nèi)裝厚實(shí)板料產(chǎn)品在大面積的裝配過(guò)程中，需要有配套的安裝工具。采用內(nèi)部厚實(shí)板料制成的傳統(tǒng)內(nèi)裝產(chǎn)品，因其內(nèi)部厚實(shí)，傳遞聲音能力較強(qiáng)。

蜂窩鋁合金板料制成的內(nèi)裝產(chǎn)品相對(duì)密度較低，在同等體積下，比傳統(tǒng)厚實(shí)板料制成的產(chǎn)品分量要輕。蜂窩鋁合金其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中有多個(gè)折射和反射面，聲波傳到其中時(shí)，會(huì)被反射和折射，阻礙聲波的傳播，基于這種性能，可以將其應(yīng)用于隔音裝置或產(chǎn)品中，可以有效隔離部分聲音。蜂窩鋁合金在交通行業(yè)也有所應(yīng)用，其可應(yīng)用在一些軌道交通工具的衛(wèi)生間中。衛(wèi)生間開啟閥門時(shí)，飛濺出的水落在地板上，相比于厚實(shí)的木地板，蜂窩鋁合金更防潮。此外，蜂窩鋁合金不可燃，比厚實(shí)木地板更防火。2 種產(chǎn)品皆便于回收再利用。

3 車輛蜂窩鋁合金建模及其數(shù)值分析

有限元法是進(jìn)行數(shù)值分析的一種常用方法，在許多學(xué)科中都可以利用有限元方法來(lái)解決一些問(wèn)題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值分析與計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合，使得傳統(tǒng)的機(jī)械工業(yè)煥發(fā)新的活力。有限元不是唯一的數(shù)值分析方法，但是有限元工具占據(jù)了絕大部分的工程數(shù)值分析市場(chǎng)。有限元分析過(guò)程采用離散化的方法，將對(duì)象幾何體劃分為比較小且簡(jiǎn)單實(shí)體，并將這些簡(jiǎn)單的實(shí)體單元稱為有限元。而運(yùn)用有限元工具時(shí)，其求解器將這些單元解綜合成分析對(duì)象近似解。該文研究了9 種試樣規(guī)格，構(gòu)建數(shù)值模型，分析它們?cè)诔惺茉囼?yàn)載荷下的應(yīng)力情況。

3.1 車輛蜂窩鋁合金幾何參數(shù)

項(xiàng)目一試樣規(guī)格，如圖1 所示。單個(gè)蜂窩鋁合金胞元壁的厚度為0.25 mm，蜂窩鋁合金的胞元粘結(jié)壁厚為0.50 mm，單個(gè)蜂窩鋁合金胞元橫壁的長(zhǎng)度為5.00 mm，單個(gè)蜂窩鋁合金胞元斜壁的長(zhǎng)度為5.00 mm，蜂窩鋁合金上面板的厚度為1.00 mm，蜂窩鋁合金下面板的厚度為1.00 mm。蜂窩鋁合金試樣的高度為17.50 mm，整體長(zhǎng)度為45.00 mm，整體寬度為43.30 mm。

項(xiàng)目二試樣規(guī)格：?jiǎn)蝹€(gè)蜂窩鋁合金胞元壁的厚度為0.30 mm，蜂窩鋁合金的胞元粘結(jié)壁厚為0.60 mm，其余參數(shù)與項(xiàng)目一試樣規(guī)格相同。

項(xiàng)目三試樣規(guī)格：?jiǎn)蝹€(gè)蜂窩鋁合金胞元壁的厚度為0.35 mm，蜂窩鋁合金的胞元粘結(jié)壁厚為0.70 mm，其余參數(shù)與項(xiàng)目一試樣規(guī)格相同。

項(xiàng)目四試樣規(guī)格：?jiǎn)蝹€(gè)蜂窩鋁合金胞元壁的厚度為0.40 mm，蜂窩鋁合金的胞元粘結(jié)壁厚為0.80 mm，其余參數(shù)與項(xiàng)目一試樣規(guī)格相同。

項(xiàng)目五試樣規(guī)格：?jiǎn)蝹€(gè)蜂窩鋁合金胞元壁的厚度為0.45 mm，蜂窩鋁合金的胞元粘結(jié)壁厚為0.90 mm，其余參數(shù)與項(xiàng)目一試樣規(guī)格相同。

項(xiàng)目六試樣規(guī)格：?jiǎn)蝹€(gè)蜂窩鋁合金胞元壁的厚度為0.50 mm，蜂窩鋁合金的胞元粘結(jié)壁厚為1.00 mm，單個(gè)蜂窩鋁合金胞元橫壁的長(zhǎng)度為5.00 mm，單個(gè)蜂窩鋁合金胞元斜壁的長(zhǎng)度為5.00 mm，蜂窩鋁合金上面板的厚度為0.50 mm，蜂窩鋁合金下面板的厚度為0.50 mm。蜂窩鋁合金試樣的高度為17.50 mm，整體長(zhǎng)度為45.00 mm，整體寬度為43.30 mm。

項(xiàng)目七試樣規(guī)格：?jiǎn)蝹€(gè)蜂窩鋁合金胞元壁的厚度為0.55 mm，蜂窩鋁合金的胞元粘結(jié)壁厚為1.10 mm，其余參數(shù)與項(xiàng)目一試樣規(guī)格相同。

項(xiàng)目八試樣規(guī)格：?jiǎn)蝹€(gè)蜂窩鋁合金胞元壁的厚度為0.60 mm，蜂窩鋁合金的胞元粘結(jié)壁厚為1.20 mm，其余參數(shù)與項(xiàng)目一試樣規(guī)格相同。

項(xiàng)目九試樣規(guī)格：?jiǎn)蝹€(gè)蜂窩鋁合金胞元壁的厚度為0.60 mm，蜂窩鋁合金的胞元粘結(jié)壁厚為1.20 mm，其余參數(shù)與項(xiàng)目六試樣規(guī)格相同。

3.2 車輛蜂窩鋁合金數(shù)值分析

項(xiàng)目一模型構(gòu)建：進(jìn)入三維設(shè)計(jì)界面，點(diǎn)擊進(jìn)入草圖繪制窗口，選擇多邊形并輸入六邊形設(shè)置參數(shù)，生成單個(gè)六邊形“蜂窩”，添加約束尺寸，約束外棱邊長(zhǎng)為5.00 mm，以外六邊形中心為中心向內(nèi)偏移0.25 mm，構(gòu)建單個(gè)蜂窩胞元內(nèi)六邊形，退出草圖窗口并拉伸15.50 mm，然后通過(guò)陣列生成試樣規(guī)格蜂窩夾芯層。上下面板的構(gòu)建方法相同，分別以蜂窩夾芯層上下表面為基準(zhǔn)繪制草圖，拉伸1.00 mm的厚度板[1，5]。項(xiàng)目二模型構(gòu)建：以外六邊形中心為中心向內(nèi)偏移0.30 mm，構(gòu)建單個(gè)蜂窩胞元內(nèi)六邊形，其余構(gòu)建方法與項(xiàng)目一模型構(gòu)建方法相同。項(xiàng)目三模型構(gòu)建：以外六邊形中心為中心向內(nèi)偏移0.35 mm，構(gòu)建單個(gè)蜂窩胞元內(nèi)六邊形，其余構(gòu)建方法與項(xiàng)目一模型構(gòu)建方法相同。項(xiàng)目四模型構(gòu)建：以外六邊形中心為中心向內(nèi)偏移0.40 mm，構(gòu)建單個(gè)蜂窩胞元內(nèi)六邊形，其余構(gòu)建方法與項(xiàng)目一模型構(gòu)建方法相同。項(xiàng)目五模型構(gòu)建：以外六邊形中心為中心向內(nèi)偏移0.45 mm，構(gòu)建單個(gè)蜂窩胞元內(nèi)六邊形，其余構(gòu)建方法與項(xiàng)目一模型構(gòu)建方法相同。項(xiàng)目六模型構(gòu)建：進(jìn)入三維設(shè)計(jì)界面，點(diǎn)擊進(jìn)入草圖繪制窗口，選擇多邊形并輸入六邊形設(shè)置參數(shù)，生成單個(gè)六邊形“蜂窩”，添加約束尺寸，約束外棱邊長(zhǎng)為5.00 mm，以外六邊形中心為中心向內(nèi)偏移0.50 mm，構(gòu)建單個(gè)蜂窩胞元內(nèi)六邊形，退出草圖窗口并拉伸16.50 mm，然后通過(guò)陣列生成試樣規(guī)格蜂窩夾芯層。上下面板的構(gòu)建方法相同，分別以蜂窩夾芯層上下表面為基準(zhǔn)繪制草圖，拉伸0.50 mm 的厚度板[1，5]。項(xiàng)目七模型構(gòu)建：以外六邊形中心為中心向內(nèi)偏移0.55 mm，構(gòu)建單個(gè)蜂窩胞元內(nèi)六邊形，其余構(gòu)建方法與項(xiàng)目一模型構(gòu)建方法相同。項(xiàng)目八模型構(gòu)建：以外六邊形中心為中心向內(nèi)偏移0.60 mm，構(gòu)建單個(gè)蜂窩胞元內(nèi)六邊形，其余構(gòu)建方法與項(xiàng)目一模型構(gòu)建方法相同。項(xiàng)目九模型構(gòu)建：以外六邊形中心為中心向內(nèi)偏移0.60 mm，構(gòu)建單個(gè)蜂窩胞元內(nèi)六邊形，其余構(gòu)建方法與項(xiàng)目六模型構(gòu)建方法相同。

圖1 車輛蜂窩鋁合金數(shù)值分析云圖

這里鋁合金材質(zhì)采用3003 鋁合金，在上面板上表面施加試驗(yàn)載荷，約束下面板的下表面[6]。該文所述的應(yīng)力指的是Von Mises 等效應(yīng)力。在試驗(yàn)載荷作用時(shí)，通過(guò)數(shù)值分析工具進(jìn)行模擬，該文中項(xiàng)目一試樣所受的最大應(yīng)力＞項(xiàng)目二試樣所受的最大應(yīng)力＞項(xiàng)目三試樣所受的最大應(yīng)力＞項(xiàng)目四試樣所受的最大應(yīng)力＞項(xiàng)目五試樣所受的最大應(yīng)力＞項(xiàng)目七試樣所受的最大應(yīng)力＞項(xiàng)目八試樣所受的最大應(yīng)力。項(xiàng)目六試樣所受的最大應(yīng)力＞項(xiàng)目九試樣所受的最大應(yīng)力。

4 結(jié)語(yǔ)

蜜蜂是“自然界中最杰出的建筑師”，蜂窩的結(jié)構(gòu)很奇妙，模仿蜂窩結(jié)構(gòu)制造成的產(chǎn)品也有不少妙用。車輛中的蜂窩鋁合金產(chǎn)品重量輕，具有傳統(tǒng)內(nèi)裝產(chǎn)品沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)，受到業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。該文在之前科學(xué)工程技術(shù)人員研究的基礎(chǔ)上，對(duì)車輛蜂窩鋁合金技術(shù)及其數(shù)值分析進(jìn)行了研究。簡(jiǎn)單介紹了車輛蜂窩鋁合金產(chǎn)品，并簡(jiǎn)述了該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)原理，對(duì)比傳統(tǒng)內(nèi)裝產(chǎn)品與內(nèi)裝蜂窩鋁合金產(chǎn)品的特點(diǎn)，在機(jī)械三維設(shè)計(jì)工具中，構(gòu)建車輛蜂窩鋁合金試樣幾何模型，研究多個(gè)項(xiàng)目規(guī)格的蜂窩鋁合金，簡(jiǎn)述其模型構(gòu)建方法，對(duì)比多個(gè)規(guī)格構(gòu)建三維模型和數(shù)值模型，運(yùn)用數(shù)值分析工具對(duì)車輛蜂窩鋁合金試樣進(jìn)行應(yīng)力分析。