Hi 大家好！我是朦。每期視頻里，我會與大家一起領(lǐng)略生活中工業(yè)產(chǎn)品的豐富多彩，嘗試著分析技術(shù)和原理，并用計算機來復(fù)現(xiàn)經(jīng)典的過程。

今天我們聊一聊汽車的材料。一輛普通的小轎車一般約由 1 萬個不可拆解的獨立零部件組裝而成。主要分動力、底盤、車身、內(nèi)飾四大部分。

每一個零件，都有適合自己的材料，即使我們?nèi)饪煽匆姷模雌饋硗w一樣的車身外殼，四周不同部分也是由不同的材料組成的。

車身上不是所有材料強度都要越高越好，而是要看用在什么地方。

大家看這個是車體材料的強度示意圖，綠色代表超高強度鋼材，黃色是高強度鋼材，灰色是中強度鋼材，藍色是鋁材。

從這個圖可看出，駕駛室的框架鋼材強度是非常高的，若發(fā)生碰撞情況，盡量確保駕駛室空間不變形。車前和車尾用的材料強度相對較低，比如用中等強度鋼材甚至鋁材，是為了能夠吸收撞擊力。

它還有個名字叫潰縮吸能車身，最早是在1959年奔馳轎車上首次這樣設(shè)計的，在發(fā)生碰撞時用產(chǎn)生變形來吸收碰撞時的沖擊力，自己先潰縮，吸收一部分撞擊能量，減少了駕駛室里的撞擊力。“舍己救人”，以保護車內(nèi)人員的安全。

汽車前輪上方的部分是翼子板，它的強度大小對車內(nèi)人員的安全防護基本沒什么影響，所以一些轎車已開始采用塑料等非金屬材料來制作翼子板了，不僅降低成本，而且由于塑料彈性較好，如與行人發(fā)生碰撞，還能起到保護行人的作用。還有塑料的質(zhì)量也小，減輕了車身整體重量，開起來還省油。

雖然汽車不同地方的強度要求不一樣，但是對每一個零件來說，強度設(shè)計都是必不可少的工作。我們希望零件在滿足強度要求的前提下，盡量越輕越好。怎么算滿足強度要求呢？

以汽車常用的鋼材來說，在外力的作用下會發(fā)生變形，只要這個變形別太大，外力撤掉，材料還能恢復(fù)原樣。

怎么算“別太大”呢？這就用到材料力學(xué)的一個名詞：屈服。這個詞很有意思，是擬人的修辭手法，比如你可以說：在高達2萬牛的拉力下，這跟鋼筋它屈服了。這意味著，即使你把拉力撤掉，鋼筋也回不到原來的形狀了，因為已經(jīng)被拉壞了。

使用過程中的材料不能屈服，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計的底線。具體的流程，就是要先確定這個零件在車上是怎么用的，工作在什么溫度、受什么限制、受到多大的力。確定了這些，再來設(shè)計零件的結(jié)構(gòu)，比如板子設(shè)計多厚，軸承設(shè)計多粗。

在設(shè)計過程中，必不可少的一步就是計算。這個計算，可以手動用公式，但面對復(fù)雜的零件，往往力不從心。現(xiàn)在常用的，是用計算機仿真計算。

下面我們來算一個簡單點的零件，感受一下汽車零件強度設(shè)計的過程。

這個零件就是汽車備胎的“家”，后備箱下面放備胎的一塊金屬板，一般叫“后地板”。它很薄，通過周圍的固定點固定在后備箱，備胎就放在金屬板中間的凹槽里。

我們用工程常用的Q235鋼作為它的材料進行仿真，Q235鋼的屈服應(yīng)力是235兆帕。我們看看這塊板的厚度設(shè)計成多少，在備胎的壓力下，它才不會屈服。

仿真所用的計算機配置是： 處理器：i7-12700 2.10GHz，內(nèi)存：32GB，操作系統(tǒng)：windows 11家庭中文版

仿真所用的軟件工具是智能結(jié)構(gòu)仿真軟件AIFEM。

首先打開軟件，新建工程，導(dǎo)入模型并生成網(wǎng)格

材料庫里選擇鋼材，先設(shè)置一個0.3mm的厚度算算受力情況。

新建靜力學(xué)分析，設(shè)置邊界條件，將后地板周圍固定點位移設(shè)置為0，代表與車體固定在一起。

在板上加上自身重力以及備胎的壓力。

設(shè)置完成，點擊求解，開始計算。

結(jié)構(gòu)力學(xué)計算比流體計算要快很多，大概算了不到1分鐘的時間，結(jié)果已經(jīng)出來了，大家看這是備胎放在上面后，后地板形變的過程，顏色越紅的區(qū)域，代表形變量越大，最大形變量約10毫米。我給大家放大20倍，可以更明顯地看到形變效果。

我們看一下它承受的最大應(yīng)力，是653兆帕，這個應(yīng)力值已經(jīng)遠超過了它的屈服應(yīng)力235兆帕。所以0.3mm這個厚度，是太薄了。

那最直接的改進辦法，就是增加零件厚度。我們增加到0.7mm試試看。

新的結(jié)果出來了，最大形變量由剛剛的10毫米降到了2毫米，最大應(yīng)力是168兆帕，已經(jīng)小于它的屈服應(yīng)力235兆帕了，說明這個厚度，是能滿足強度要求的。那么如果比它再薄一點，到多少既能小于屈服應(yīng)力，又更節(jié)省材料呢，大家感興趣的話，可以自己來算算哦。

今天僅是一個靜力學(xué)仿真。在實際工程中，靜強度必須要算，但是只算靜強度還不夠，要再做動力學(xué)及碰撞等仿真，以后我們再一起學(xué)習(xí)和分享。

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