汽車(chē)輕量化可以有效的實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化主要從材料、結(jié)構(gòu)、工藝三個(gè)方面入手，而采用新型材料是汽車(chē)輕量化最直接也最有效的方法，因此很有必要對(duì)各種輕量化材料的力學(xué)性能進(jìn)行深入研究。

　　由于節(jié)能環(huán)保的需要，汽車(chē)輕量化已成為必然趨勢(shì)。2013年中國(guó)汽車(chē)的平均油耗為7.5L/100km；國(guó)家規(guī)劃的節(jié)能減排目標(biāo)為：2015年新車(chē)的油耗要下降到6.9L/100km，2020年達(dá)到5.0L/100km，因此汽車(chē)輕量化迫在眉睫。實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化的手段也有很多，包括材料、結(jié)構(gòu)和工藝三個(gè)方面。輕量化材料的應(yīng)用是汽車(chē)輕量化中最基礎(chǔ)，也是最核心的手段，受到汽車(chē)業(yè)界的廣泛關(guān)注。

　　常見(jiàn)的輕量化材料分為金屬和非金屬兩大陣營(yíng)。金屬材料主要包括高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金等；非金屬材料包括工程塑料和復(fù)合材料等。這些新材料在實(shí)際應(yīng)用時(shí)會(huì)遇到多種多樣的問(wèn)題，比如替換材料后汽車(chē)的安全性、舒適性、動(dòng)力性、操控性、經(jīng)濟(jì)性往往都會(huì)有所改變，需要重新審視。其中安全性涉及到駕車(chē)和乘車(chē)人的生命安全，所以尤為重要，而汽車(chē)碰撞安全要求也在逐年提高，有限元仿真的方法是碰撞安全設(shè)計(jì)的重要手段，但如何才能準(zhǔn)確的利用有限元仿真預(yù)測(cè)碰撞過(guò)程中的力學(xué)性能呢？答案是準(zhǔn)確的材料力學(xué)性能表征。鋁合金材料優(yōu)點(diǎn)很多，它的密度是鋼的1/3，比吸能是鋼的2倍，延伸性好、耐腐蝕易回收，且其鑄造性能良好，可加工成不同形狀，是目前最為熱門(mén)的輕量化材料之一。目前很多車(chē)型如奧迪A8、捷豹XFL等均已采用全鋁車(chē)身，因此本文以鋁合金為主要對(duì)象，對(duì)其獨(dú)特的力學(xué)特性進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。

鋁合金在車(chē)身上的應(yīng)用

　　鋁合金材料種類(lèi)很多，汽車(chē)中應(yīng)用的主要包括2系、5系、6系和7系鋁，其形式包括板材、型材、管材及高性能鑄鋁。不同牌號(hào)鋁合金的力學(xué)性能也會(huì)存在較大的差異。傳統(tǒng)金屬材料力學(xué)性能參數(shù)主要包括材料靜態(tài)下的彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率等，但汽車(chē)在汽車(chē)碰撞過(guò)程中所經(jīng)歷的高應(yīng)變率范圍往往在0-1000/s的量級(jí)范圍，且材料的變形/斷裂模式也不僅僅是單軸拉伸工況。這些加載條件的變化對(duì)鋁合金材料的力學(xué)響應(yīng)有很大影響。

　　那么如何較全面的表征鋁合金材料力學(xué)性能，獲得整車(chē)有限元仿真中所需要的數(shù)據(jù)呢？我們需要進(jìn)行鋁合金材料不同應(yīng)變率的拉伸試驗(yàn)，獲取材料的彈塑性數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，再進(jìn)行不同應(yīng)力狀態(tài)的試驗(yàn)，如剪切、拉剪、缺口拉伸、穿孔等，同時(shí)結(jié)合仿真，獲取試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)法獲取的信息，最終得到鋁合金材料的彈塑性和斷裂相關(guān)的數(shù)據(jù)。相應(yīng)的試驗(yàn)所需要的設(shè)備有萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、高速拉伸試驗(yàn)機(jī)、落錘沖擊試驗(yàn)臺(tái)、低高速相機(jī)、非接觸測(cè)量分析系統(tǒng)等。由于動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)實(shí)施和結(jié)果處理比較復(fù)雜，試驗(yàn)成本遠(yuǎn)比傳統(tǒng)的準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)要高。

　　測(cè)試系統(tǒng)：1-高速攝像機(jī)；2-工業(yè)CCD（靜態(tài)）；3-非接觸測(cè)量分析系統(tǒng)；4-萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)；5-高速拉伸試驗(yàn)機(jī)；6-落錘沖擊試驗(yàn)臺(tái)

　　首先我們來(lái)看某鋁合金材料的應(yīng)變率效應(yīng)，下面展示了準(zhǔn)靜態(tài)拉伸和高速拉伸的試驗(yàn)設(shè)置以及不同應(yīng)變率下某鋁合金材料的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線。在100/s單向拉伸時(shí)，為了防止發(fā)生“ringingeffect”現(xiàn)象，我們?cè)谠嚰险迟N了應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)力。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出這種鋁合金材料的應(yīng)變率效應(yīng)較明顯；不同應(yīng)變率下的延伸率基本一致。

　　準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)

　　高速拉伸試驗(yàn)

　　某鋁材料的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線（曲線標(biāo)示結(jié)尾的數(shù)字代表重復(fù)試驗(yàn)）

　　在汽車(chē)碰撞過(guò)程中，有部件會(huì)出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，而很多企業(yè)在前期開(kāi)發(fā)CAE模擬的過(guò)程中并未考慮或者僅僅采用一個(gè)等效斷裂應(yīng)變值來(lái)表征材料的斷裂特性，但鋁合金材料在不同的受力狀態(tài)下的斷裂應(yīng)變差異很大，這對(duì)斷裂的預(yù)測(cè)非常不利，因此需要通過(guò)多種應(yīng)力狀態(tài)的材料試驗(yàn)來(lái)獲取更加全面的斷裂信息，從而提高仿真預(yù)測(cè)精度。下面以某鋁合金材料為例，測(cè)試內(nèi)容包括了剪切、拉剪、R5缺口拉伸、R20缺口拉伸以及穿孔試驗(yàn)，所有試驗(yàn)均需要配合相應(yīng)的夾具在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上完成，采用工業(yè)CCD拍攝整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程，再通過(guò)非接觸軟件進(jìn)行分析，獲取變形信息。

　　由于鋁合金材料形式種類(lèi)較多，不同形式種類(lèi)材料性能也不一致，如某些鋁合金的應(yīng)變率效應(yīng)不明顯就不需要進(jìn)行多個(gè)應(yīng)變率拉伸試驗(yàn)；某些鋁合金材料各向異性明顯就需要進(jìn)行不同方向的拉伸試驗(yàn)；鑄鋁材料斷裂表征時(shí)需要進(jìn)行多種類(lèi)型試驗(yàn)（如下圖所展示），所以不同類(lèi)型鋁合金的材料表征的試驗(yàn)矩陣還不盡一致，需要具體材料具體分析。

　　希望本文內(nèi)容能對(duì)大家有所幫助，也希望能夠與感興趣的朋友或者正在進(jìn)行輕量化材料研究的同行有更多的交流。清華大學(xué)蘇州汽車(chē)研究院輕量化研究所在材料動(dòng)態(tài)試驗(yàn)研究方面已經(jīng)有多年的積累，并擁有各種材料沖擊力學(xué)性能試驗(yàn)所需的加載和測(cè)量設(shè)備，和國(guó)內(nèi)外各大主機(jī)廠、零部件供應(yīng)商、材料供應(yīng)商、咨詢公司、高校等進(jìn)行了多年的合作，為他們提供了各種材料的沖擊力學(xué)性能數(shù)據(jù)。