用試驗設(shè)計法優(yōu)化汽車翼子板材料選用

冀 鵬

（眾泰汽車工程研究院材料工程部，浙江 杭州 310000）

引言

汽車輕量化是汽車行業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排的主要途徑，已成為當(dāng)前和未來汽車技術(shù)的主要方向，板材減薄是減輕車身重量的有效方法。對于汽車翼子板的材料選用各主機(jī)廠不盡相同，主要材料有DC06、HC180B、HC220B等，為減輕零部件重量，材料厚度由 0.75mm減薄至 0.70mm，也有減薄至0.65mm，厚度減薄必然導(dǎo)致零部件性能下降，某些主機(jī)廠為提高翼子板抗凹性，會適當(dāng)加貼補(bǔ)強(qiáng)膠片，這樣會使零部件成本增加。如何平衡零部件性能、材料成本、零部件重量，在滿足性能要求的情況下，達(dá)到減重降本的最佳效果？

正交試驗設(shè)計和分析方法是目前最常用的工藝優(yōu)化試驗設(shè)計和分析方法，是部分因子設(shè)計的主要方法。正交試驗以概率論、數(shù)理統(tǒng)計和實踐經(jīng)驗為基礎(chǔ)，利用標(biāo)準(zhǔn)化正交表安排試驗方案，并對結(jié)果進(jìn)行計算分析，最終迅速找到優(yōu)化方案，是一種高效處理多因素優(yōu)化問題的科學(xué)計算方法[1]。本文通過正交試驗方法，綜合考慮零部件性能、成本、重量，優(yōu)化翼子板材料選用。

1 試驗方案

根據(jù) DOE方法，首先需要確定考察的指標(biāo)，即零部件性能、材料成本、重量，其中零部件性能針對翼子板主要為抗凹性，抗凹性的衡量指標(biāo)為抗凹剛度、局部凹痕抗力、起伏載荷。起伏載荷對于試件不是必然的，它和試件的厚度、幾何形狀、強(qiáng)度有關(guān)[2]。故本次模擬試驗僅考察試樣的抗凹剛度和局部凹痕抗力，由此確定的指標(biāo)為抗凹剛度、局部凹痕抗力、成本、重量。

其次需要確定影響指標(biāo)的因子及其相應(yīng)的水平。根據(jù)實際應(yīng)用情況，針對翼子板，影響指標(biāo)的因子分別為材料種類，即材料屈服強(qiáng)度，材料厚度、補(bǔ)強(qiáng)膠片厚度。材料種類分別選取目前各主機(jī)廠常用的DC06、HC180B、HC220B三個水平，板材厚度分別選取0.65mm、0.70mm、0.75mm三個水平，補(bǔ)強(qiáng)膠片厚度分別選取0mm（不貼補(bǔ)強(qiáng)膠片）、1.0mm、1.3mm三個水平。故因子及其對應(yīng)的水平如表1所示。

表1 因子及其對應(yīng)的水平

最后選擇合適的正交表，此試驗方案中有三個因子，每個因子對應(yīng)三個水平，故選擇L9（34）正交表，共需要進(jìn)行9次試驗，按正交表排列后，各試驗序號排列如表2所示，列號A、B、C分別為表1中的三個因子，1、2、3對應(yīng)表1中各因子的三個水平。

表2 試驗序號排列

2 試驗原理及試樣

2.1 試驗原理

圖1 試驗簡圖

試驗設(shè)備采用某鋼廠的抗凹性能試驗機(jī)，該裝置采用門框式結(jié)構(gòu)，框架上的移動橫梁在絲桿傳動下可以上下移動，以確定加載位置。加載系統(tǒng)、凹痕深度測量系統(tǒng)安裝在橫梁上[2]。試驗時，用壓板將試件夾持固定在試驗臺面上，通過壓頭在試件中心施加載荷進(jìn)行抗凹性（局部凹痕抗力、抗凹剛度）試驗[3]。試驗參數(shù)為壓邊力 9KN，壓頭運行速度5mm/min，壓頭直徑20mm。試驗簡圖如圖1所示。

2.2 試樣

鋼板試樣采用脹形樣，坯料尺寸為 180mm×180mm的矩形，經(jīng)脹形模沖壓后獲得，脹形凸模直徑100mm，脹形高度10mm，以模擬汽車翼子板2%的變形量。補(bǔ)強(qiáng)膠片尺寸為60mm×60mm的矩形。按照表2試驗序號準(zhǔn)備相應(yīng)的材料牌號及其對應(yīng)的厚度、補(bǔ)強(qiáng)膠片厚度。鋼板試樣隨車電泳后，在凹面內(nèi)側(cè)中心處貼對應(yīng)厚度的補(bǔ)強(qiáng)膠片，再經(jīng) 170℃、20min烘烤，成為最終狀態(tài)試樣。

3 試驗方法

3.1 抗凹剛度試驗

圖2 載荷-位移曲線

采用一次加載的方式，預(yù)加載5N，確保壓頭與試樣充分接觸，此時將載荷、位移清零，并開始記錄，緩慢加載至150N，然后卸載。抗凹剛度為載荷-位移曲線直線段的斜率[4]。下面以試驗序號3，即材料牌號為DC06，板材厚度0.75mm，補(bǔ)強(qiáng)膠片厚度1.3mm為例，說明詳細(xì)的計算過程。首先由設(shè)備導(dǎo)出載荷-位移曲線，使用origin8.0進(jìn)行線性擬合，得出直線的方程，方程的斜率為抗凹剛度值，即270.9N/mm，如圖2所示。

3.2 局部凹痕抗力試驗

圖3 載荷-凹痕深度曲線

采用循環(huán)增量加載，施加預(yù)載荷P1=5N，確保試樣與壓頭充分接觸，此時將載荷、位移清零。以載荷增量步Δ=50N增加載荷進(jìn)行逐次加載-卸載，直至加載到 700N。記錄每一次加載-卸載循環(huán)的載荷-位移曲線，經(jīng)處理獲得載荷-殘留凹痕深度曲線，以試件產(chǎn)生0.1mm永久變形時的載荷，作為局部凹痕抗力[4]。下面以試驗序號7，即材料牌號為HC220B，板材厚度為0.65mm，補(bǔ)強(qiáng)膠片厚度為1.3mm為例，說明計算過程。首先由設(shè)備導(dǎo)出每一次加載-卸載循環(huán)的載荷-位移曲線，記錄每一次卸載后的凹痕深度，經(jīng)處理后獲得載荷-凹痕深度曲線，產(chǎn)生 0.1mm永久凹痕時的載荷為 409.7N，則局部凹痕抗力為409.7N，如圖3所示。

4 數(shù)據(jù)處理

4.1 計算各試驗序號指標(biāo)值

依據(jù)4.1、4.2描述的方法，可計算出9組試驗序號對應(yīng)的抗凹剛度及局部凹痕抗力。重量計算，每組試驗序號的重量為鋼板重量加上補(bǔ)強(qiáng)膠片重量，鋼板的密度取7.85g·cm-3，補(bǔ)強(qiáng)膠片的密度取 1.45 g·cm-3；成本計算，鋼板價格參考國內(nèi)某鋼廠2017年3月份卷料含稅價，如表3所示，補(bǔ)強(qiáng)膠片價格參考上海某公司，為85元/kg。每組試驗序號對應(yīng)的指標(biāo)值如表4所示。

表3 不同材料牌號不同厚度鋼板價格

表4 各試驗序號指標(biāo)值

4.2 計算每個指標(biāo)下的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、R值

以抗凹剛度為例，說明計算過程。其中Ⅰi=第 i列數(shù)字“1”所對應(yīng)的指標(biāo)數(shù)值之和，Ⅱi=第 i列數(shù)字“2”所對應(yīng)的指標(biāo)數(shù)值之和，以此類推。例如Ⅰ1=第 1列數(shù)字“1”所對應(yīng)的指標(biāo)數(shù)值之和，即Ⅰ1=142.8+221.3+270.9=635。Ⅲ2=第 2列數(shù)字“3”所對應(yīng)的指標(biāo)數(shù)值之和，即Ⅲ2=270.9+173.9+233.8=678.6。極差 Ri=max｛Ⅰi、Ⅱi、Ⅲi｝-min｛Ⅰi、Ⅱi、Ⅲi｝，即 R1=Ⅱ1-Ⅰ1=636.1-635=1.1[5]。各列數(shù)值計算結(jié)果如表5所示。R的數(shù)值越大，表示該列對應(yīng)的因子對指標(biāo)影響越大，針對指標(biāo)特性，如果值越大越好，則最優(yōu)水平應(yīng)該為該因子下的最大水平，反之，如果指標(biāo)值越小越好，則最優(yōu)水平為該因子下的最小水平。對于抗凹剛度來說，值越大越好，由表5可知，第3列（C列），即補(bǔ)強(qiáng)膠片厚度對抗凹剛度影響最大，板材厚度次之，材料種類（材料屈服強(qiáng)度）對抗凹剛度基本無影響，影響因子由強(qiáng)到若依次為C、B、A，所以板材厚度選擇0.75mm、補(bǔ)強(qiáng)膠片選擇1.3mm，抗凹剛度值最大。

表5 抗凹剛度數(shù)據(jù)計算值

同理可計算出其他三個指標(biāo)的R值，由此可得出各指標(biāo)的主次要因子如表6所示。

表6 各指標(biāo)主、次要因子

5 綜合分析

針對多指標(biāo)的試驗設(shè)計結(jié)果分析，有綜合平衡法和綜合評分法，本次采用綜合平衡法。由表6可知，A因子，即材料種類，對各指標(biāo)來說均為次要因子，因此考慮成本的原因，選擇相對較便宜的 DC06；B因子，即板材厚度，對于指標(biāo)重量來說為主要因子且重量越小越好，故選擇0.65mm；C因子，即補(bǔ)強(qiáng)膠片厚度，對抗凹剛度、局部凹痕抗力、成本均為主要因子，前兩者來說，要求補(bǔ)強(qiáng)膠片越厚越好，應(yīng)選擇1.3mm，但對成本來說，補(bǔ)強(qiáng)膠片越薄，意味著越輕，成本越低，應(yīng)選擇0mm（不貼補(bǔ)強(qiáng)膠片），成本最低，兩種選擇相互矛盾。因此，針對C因子需進(jìn)行實際零部件試驗。

圖4 翼子板檢測點

選擇已確定的材料DC06，厚度0.65mm，沖壓制成該車型翼子板（不切邊，以便于試驗時固定），采用和前述相同的試驗設(shè)備、試樣處理方法、數(shù)據(jù)處理方法，測試點為主觀評價薄弱點，如圖3所示，檢測結(jié)果見表7。

表7 不同補(bǔ)強(qiáng)膠片厚度實測值

根據(jù)企標(biāo)要求，翼子板表面任意一點的抗凹剛度不低于105N/mm，局部凹痕抗力不低于250N。由表7可知，對于局部凹痕抗力，不貼補(bǔ)強(qiáng)膠片就可以滿足要求，但抗凹剛度不合格， 因此應(yīng)選擇補(bǔ)強(qiáng)膠片1.0mm，即C因子選擇2水平。

6 結(jié)論

通過試驗可知，對于汽車翼子板材料的選用，應(yīng)選擇鋼板材料為DC06，板料厚度為0.65mm，并加貼補(bǔ)強(qiáng)膠片厚度為1.0mm，此方案相對其他選擇，能夠在滿足性能要求的前提下，達(dá)到重量最小，成本最低。

[1] 劉瑞江,張業(yè)旺,等.正交試驗設(shè)計和分析方法研究[J].實驗技術(shù)與管理,2010,9（9）:52-55.

[2] 俞寧峰,汪承璞,李川海.汽車鋼板抗凹性試驗方法及其應(yīng)用[J].鍛壓技術(shù),2004,1:51-53.

[3] 李東升,周賢賓,等.汽車板抗凹性評價體系及試驗機(jī)系統(tǒng)[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報,2003,29（5）:467-470.

[4] 汪承璞,俞寧峰,等．汽車鋼板抗凹性試驗研究[J].材料科學(xué)與工藝,2004,12（6）:622-629.

[5] 王乃坤,江樹華,等.正交試驗設(shè)計方法在試驗設(shè)計中的應(yīng)用[J].黑龍江交通科技,2003,8（8）:89-90.