轻量化还是防碰撞——对汽车制造商来说，这总是一种取舍吗?答案是否定的。通过一种新的轻型建筑技术，研究人员正在使两者成为可能。其结果是更少的燃料消耗和更低的制造成本。
这个碰撞测试的目的是确定样品组件在一定弯曲应力下的变形程度。©弗劳恩霍夫技术手册
汽车行业需要重新思考:在一年比一年生产出更重的汽车之后，未来的汽车将不得不更轻、油耗更低、CO含量更低2排放。如果汽车制造商不大幅降低平均CO2他们将面临巨额罚款。这是由欧盟委员会在一项新立法中决定的。实现燃料消耗大幅降低的一种方法是通过轻量化结构——换句话说，汽车必须瘦身。但这绝不能危及车内人员的安全——这对汽车设计师来说是一个巨大的挑战，他们面临着满足这些截然不同的要求的任务。到目前为止，汽车车身主要由均匀的钢板结构组成，钢板厚度恒定。受特别强的局部应力影响的构件往往过大，因为墙的强度必须设计为承受最高的局部应力点。这意味着，在应力较小的区域，薄板的厚度大于需要的厚度，使得组件不必要地重。此外，汽车制造商使用大量昂贵的高强度钢板。目前，在组件重量、组件成本和碰撞安全之间不断做出妥协。
现在，位于德累斯顿的夫琅和费材料与梁技术研究所(IWS)的研究人员开发了一种轻型建筑技术，可以在确保足够的碰撞安全性的同时降低车辆重量。IWS的科学家Markus Wagner说:“安全性和轻量化结构并不矛盾。”为了使人体部件的特性与作用于它们的应力更精确地匹配，工程师和他的同事们正在寻求一种令人兴奋的新方法，称为“局部激光强化”。这种方法包括使用低成本、低强度的钢板，使壁厚最小化，只在那些承受强应力的区域进行局部加固。为了做到这一点，专家们引导聚焦的激光束在未加工的薄片表面上。用这种方法处理过的区域在再次凝固之前会升温甚至开始融化。热量迅速消散到邻近的冷材料，导致轨道迅速冷却。这就产生了硬相，材料得到了显著的强化。“我们获得了高达1500 MPa(兆帕)的强度。这大约是未加固基础材料强度的两倍，”瓦格纳说。 “This enables us to optimize the weights and stresses above all in the design of the front and rear bumper beams, the B-pillar, and various stiffeners.”
弯曲度只有原来一半的组件
碰撞应力会在部件中造成复杂的高速变形。通过局部激光强化，科学家们正在努力获得更大的抗变形能力。车身部分弯曲越少，驾驶员得到的保护就越大。同时，通过预先确定第一次塑性变形的位置，可以对破坏行为产生影响。为了实现这一目标，研究人员必须确定加固轨道的最佳位置和几何形状。轨迹应该指向哪里?倾斜的?它们应该纵向运行吗?材料的成分应该是什么才能优化钢筋变形的难度?研究人员可以通过计算机模拟测试找到所有这些问题的答案。 “With our simulations, we are able to model field tests. The results obtained from trials and simulations deviate just a few millimeters from each other,” says Wagner.
在数值模拟的帮助下，这位科学家和他的团队开发了一种碰撞优化轨道设计，以应对当汽车与一棵树正面相撞或被另一辆汽车从侧面撞击时可能产生的弯曲应力。利用激光将轨道设计转移到真实的部件上。“与参考部件相比，我们设法将局部激光增强管的挠度减半，尽管我们只局部增强了部件体积的3%。换句话说，我们将其崩溃性能提高了一倍。”
IWS的研究人员已经代表客户将该方法应用于各种碰撞轮廓和座椅部件。由于采用了新的应力特定设计，他们能够显著降低墙壁强度，从而使组件轻达20%，所有这些都不会忽视碰撞安全。下一阶段，Wagner和他的同事们希望通过自动优化轨道几何来完善他们的技术。
来源:http://www.fraunhofer.de/