車輛蜂窩鋁合金技術及其數值分析研究

郝 健

（揚州杰特沈飛車輛裝飾件有限公司，江蘇 揚州 225815）

0 引言

隨著人類社會與交通運輸行業的不斷發展，越來越多的相關人員開始重視車輛制造工藝水平和車輛設計技術方面的研究。相關資料顯示，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[1]，而車輛的結構與材質的使用量和分配密切相關。近年來，科學技術不斷進步，蜂窩夾層結構材料在很多領域中有了良好的發展。然而，夾層結構產品種類很多，由于所采用的材料不同、夾層內部的結構不同，導致夾層結構產品的幾何參數也存在差異。對于具體蜂窩結構需要進行具體分析。根據車輛制造與設計要求，改善零部件的質量。交通車輛的結構設計比較重要，與材質的使用量和分配關聯密切。對車輛蜂窩鋁合金技術及其數值分析的研究，有助于我們通過合理的視角看待這種新興的產品，這對將來車輛蜂窩鋁合金產品制造工藝的改進、大批量生產起到理論支撐的作用。

1 車輛蜂窩鋁合金

人們通過利用仿生學中的生物功能與結構原理，來研制新技術并解決機械技術問題。蜂窩鋁及其鋁合金結構技術借鑒了蜜蜂的“蜂窩”。這類“蜂窩”結構，是在相似的平面上排列的多邊形構成的兩維結構，具有規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組成成品[2]。規則排列的“蜂窩”與面板構成類似“工”字的形狀，當面板受力或載荷時，這類“蜂窩”結構可有效分散壓力[2-3]。面板受力比較均勻，面板的區域面積較大時，“蜂窩”板具有較好的平整度[2]。蜂窩鋁合金早期被應用在航空航天行業。人們逐漸發現這類材質的特點，并制造出了各式各樣的產品。一些“蜂窩”鋁合金結構具有較好的韌性，可以應用在交通運載工具上面，可以很好的保護乘客的安全。

2 傳統內裝產品與內裝蜂窩鋁合金產品對比

采用內部厚實板料制成的傳統內裝產品，相比于蜂窩鋁合金板料制成的內裝產品來說，在外表長、寬、高規格相同的條件下，其分量較重。而且其在加工制造時對設備的承重要求較高，切削加工截面時產生的切屑粉塵比較多，容易造成安全隱患，而粉塵防護也會增加一些成本[4-5]。傳統內裝厚實板料產品在大面積的裝配過程中，需要有配套的安裝工具。采用內部厚實板料制成的傳統內裝產品，因其內部厚實，傳遞聲音能力較強。

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

3 車輛蜂窩鋁合金建模及其數值分析

有限元法是進行數值分析的一種常用方法，在許多學科中都可以利用有限元方法來解決一些問題。隨著計算機技術的發展，數值分析與計算機技術的結合，使得傳統的機械工業煥發新的活力。有限元不是唯一的數值分析方法，但是有限元工具占據了絕大部分的工程數值分析市場。有限元分析過程采用離散化的方法，將對象幾何體劃分為比較小且簡單實體，并將這些簡單的實體單元稱為有限元。而運用有限元工具時，其求解器將這些單元解綜合成分析對象近似解。該文研究了9 種試樣規格，構建數值模型，分析它們在承受試驗載荷下的應力情況。

3.1 車輛蜂窩鋁合金幾何參數

項目一試樣規格，如圖1 所示。單個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壁厚為0.50 mm，單個蜂窩鋁合金胞元橫壁的長度為5.00 mm，單個蜂窩鋁合金胞元斜壁的長度為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，整體長度為45.00 mm，整體寬度為43.30 mm。

項目二試樣規格：單個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壁厚為0.60 mm，其余參數與項目一試樣規格相同。

項目三試樣規格：單個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壁厚為0.70 mm，其余參數與項目一試樣規格相同。

項目四試樣規格：單個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壁厚為0.80 mm，其余參數與項目一試樣規格相同。

項目五試樣規格：單個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壁厚為0.90 mm，其余參數與項目一試樣規格相同。

項目六試樣規格：單個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壁厚為1.00 mm，單個蜂窩鋁合金胞元橫壁的長度為5.00 mm，單個蜂窩鋁合金胞元斜壁的長度為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，整體長度為45.00 mm，整體寬度為43.30 mm。

項目七試樣規格：單個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壁厚為1.10 mm，其余參數與項目一試樣規格相同。

項目八試樣規格：單個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壁厚為1.20 mm，其余參數與項目一試樣規格相同。

項目九試樣規格：單個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壁厚為1.20 mm，其余參數與項目六試樣規格相同。

3.2 車輛蜂窩鋁合金數值分析

項目一模型構建：進入三維設計界面，點擊進入草圖繪制窗口，選擇多邊形并輸入六邊形設置參數，生成單個六邊形“蜂窩”，添加約束尺寸，約束外棱邊長為5.00 mm，以外六邊形中心為中心向內偏移0.25 mm，構建單個蜂窩胞元內六邊形，退出草圖窗口并拉伸15.50 mm，然后通過陣列生成試樣規格蜂窩夾芯層。上下面板的構建方法相同，分別以蜂窩夾芯層上下表面為基準繪制草圖，拉伸1.00 mm的厚度板[1，5]。項目二模型構建：以外六邊形中心為中心向內偏移0.30 mm，構建單個蜂窩胞元內六邊形，其余構建方法與項目一模型構建方法相同。項目三模型構建：以外六邊形中心為中心向內偏移0.35 mm，構建單個蜂窩胞元內六邊形，其余構建方法與項目一模型構建方法相同。項目四模型構建：以外六邊形中心為中心向內偏移0.40 mm，構建單個蜂窩胞元內六邊形，其余構建方法與項目一模型構建方法相同。項目五模型構建：以外六邊形中心為中心向內偏移0.45 mm，構建單個蜂窩胞元內六邊形，其余構建方法與項目一模型構建方法相同。項目六模型構建：進入三維設計界面，點擊進入草圖繪制窗口，選擇多邊形并輸入六邊形設置參數，生成單個六邊形“蜂窩”，添加約束尺寸，約束外棱邊長為5.00 mm，以外六邊形中心為中心向內偏移0.50 mm，構建單個蜂窩胞元內六邊形，退出草圖窗口并拉伸16.50 mm，然后通過陣列生成試樣規格蜂窩夾芯層。上下面板的構建方法相同，分別以蜂窩夾芯層上下表面為基準繪制草圖，拉伸0.50 mm 的厚度板[1，5]。項目七模型構建：以外六邊形中心為中心向內偏移0.55 mm，構建單個蜂窩胞元內六邊形，其余構建方法與項目一模型構建方法相同。項目八模型構建：以外六邊形中心為中心向內偏移0.60 mm，構建單個蜂窩胞元內六邊形，其余構建方法與項目一模型構建方法相同。項目九模型構建：以外六邊形中心為中心向內偏移0.60 mm，構建單個蜂窩胞元內六邊形，其余構建方法與項目六模型構建方法相同。

圖1 車輛蜂窩鋁合金數值分析云圖

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

4 結語

蜜蜂是“自然界中最杰出的建筑師”，蜂窩的結構很奇妙，模仿蜂窩結構制造成的產品也有不少妙用。車輛中的蜂窩鋁合金產品重量輕，具有傳統內裝產品沒有的優點，受到業內人士的關注。該文在之前科學工程技術人員研究的基礎上，對車輛蜂窩鋁合金技術及其數值分析進行了研究。簡單介紹了車輛蜂窩鋁合金產品，并簡述了該產品的結構原理，對比傳統內裝產品與內裝蜂窩鋁合金產品的特點，在機械三維設計工具中，構建車輛蜂窩鋁合金試樣幾何模型，研究多個項目規格的蜂窩鋁合金，簡述其模型構建方法，對比多個規格構建三維模型和數值模型，運用數值分析工具對車輛蜂窩鋁合金試樣進行應力分析。