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纤维复材仿生设计及曲面多点成形柔性制造研究进展

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塑性工程学报 2024年第4期31卷 143-154页

作者：韩奇钢姜嘉鑫陈水斌李虹濛石绍迁吉林大学材料科学与工程学院吉林长春130025 吉林大学威海仿生研究院山东威海264402 辽宁材料科学研究院结构化材料技术研究所辽宁沈阳110167 吉林大学汽车底盘集成与仿生全国重点实验室吉林长春130025

纤维复合材料凭借其比强度高、比模量大、可设计性强等特点,在航空航天、轨道交通等领域应用越来越广泛。随着对纤维复材构件性能需求的提高,通过调控材料成分实现纤维复合材料性能的提升已到瓶颈,且传统纤维复材构件的制造技术也难以... 详细信息

纤维复合材料凭借其比强度高、比模量大、可设计性强等特点,在航空航天、轨道交通等领域应用越来越广泛。随着对纤维复材构件性能需求的提高,通过调控材料成分实现纤维复合材料性能的提升已到瓶颈,且传统纤维复材构件的制造技术也难以满足“多品种、小批量”的纤维复材曲面构件精准成形的制造需求。针对这些问题,吉林大学“多点成形柔性智造”团队基于仿生设计理念,将自然界的生物结构特征应用于纤维复材构件的优化设计中,研发了仿螳螂虾螺旋纤维正弦结构层合板、仿螳螂虾玄武岩纤维增强夹层结构复合材料、仿生层压玄武岩纤维增强复合材料、双螺旋玄武岩纤维增强复合材料)、仿生双螺旋纤维金属层压板和仿生正弦波纹螺旋夹层结构蜂窝板,实现了材料性能的提高,并通过多点柔性成形技术成功制造了碳纤维复合材料机翼蒙皮,开发了复材曲面构件多点柔性精准成形新装备和新技术。

关键词：纤维复合材料仿生设计柔性制造航空航天轨道交通

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板材冲压翻边的解析理论模型

力学学报 2001年第6期33卷 803-811页

作者：胡平李运兴李大永吉林大学汽车覆盖件成形技术研究所长春130025

基于全量塑性理论及膜应变假设，给出两种新的冲压板材内曲拉伸／外曲收缩翻边坯料尺寸预示解析数学模型．引入板材冲压成形性分析软件ＫＭＡＳ系统中，对铁路客车牵引架实际冲压件的翻边成形坯料尺寸进行了预示，并与其它解析模型的预... 详细信息

基于全量塑性理论及膜应变假设，给出两种新的冲压板材内曲拉伸／外曲收缩翻边坯料尺寸预示解析数学模型．引入板材冲压成形性分析软件ＫＭＡＳ系统中，对铁路客车牵引架实际冲压件的翻边成形坯料尺寸进行了预示，并与其它解析模型的预示结果以及实验及实测数据进行了对比．讨论了板材的面内各向异性对翻边高度的影响．

关键词：内曲拉伸外曲收缩翻边坯料尺寸预示汽车板材冲压翻边覆盖件 KMAS软件系统车身

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拉伸/收缩翻边过程的修边线预示

工程力学 2001年第2期18卷 35-40页

作者：曹颖李峰李大永胡平吉林工业大学理学院吉林长春130025 吉林工业大学汽车覆盖件成形技术研究所吉林长春130025

本文基于全量塑性理论及膜应变假设，导出了一种新的拉伸／收缩翻过数学模型。该模型考虑厚向（平均）各向异性系数■对翻过高度的影响。通过与过去的理论研究和实验结果相比较，证实本文所提出的方法能较精确地预示出修边线位置．

关键词：翻边数学模型修边模轮廓修边线拉伸收缩冲压

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两种强化模型在拉伸筋阻力计算中的比较

中国机械工程 2000年第8期11卷 936-939页

作者：曹颖胡平李大永吉林大学汽车覆盖件成形技术研究所

将等向强化模型与运动强化模型分别引入逐级更新 Lagrange有限元列式 ,采用八节点平面应变单元 ,对拉伸筋阻力进行了数值计算 ,并将两种模型的计算结果进行了比较与讨论。运动强化模型更好地反映了板料在拉伸筋处的弯曲反弯过程 ,可以... 详细信息

将等向强化模型与运动强化模型分别引入逐级更新 Lagrange有限元列式 ,采用八节点平面应变单元 ,对拉伸筋阻力进行了数值计算 ,并将两种模型的计算结果进行了比较与讨论。运动强化模型更好地反映了板料在拉伸筋处的弯曲反弯过程 ,可以更准确地预测拉伸筋阻力。

关键词：等向强化模型运动强化模型拉伸筋阻力计算

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板料成形数值模拟中的2维截面分析技术

中国机械工程 2001年第7期12卷 808-811页

作者：李大永胡平曹颖吉林大学长春市130025 吉林大学汽车覆盖件成形技术研究所

采用具有弯曲效应的 Mindlin曲线单元 ,以逐级更新 Langrange描述的有限变形虚速度原理为理论基础 ,开发了用于板料冲压成形过程 2维截面分析的有限元程序 ,对几种典型件成形进行了计算与讨论。该程序可用于模具设计 CAE的初期计算。

关键词： Mindlin曲线单元截面分析有限元板料成形数值模拟冲压

熔盐及金属氧化物对Al-Si涂层热成形钢激光焊接接头组织和性能的影响

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熔盐及金属氧化物对Al-Si涂层热成形钢激光焊接接头组织和性能的...

作者：佟鑫吉林大学

学位级别：硕士

热成形钢具有成形性好、强度高、安全性能高和生产成本低等优点,是保证车身安全性的前提下进行轻量化设计和制造首选材料之一。热成形钢与激光焊接相结合,使材料、零部件结构设计与成形技术相结合的更加紧密,使热成形钢适用于汽车车身... 详细信息

热成形钢具有成形性好、强度高、安全性能高和生产成本低等优点,是保证车身安全性的前提下进行轻量化设计和制造首选材料之一。热成形钢与激光焊接相结合,使材料、零部件结构设计与成形技术相结合的更加紧密,使热成形钢适用于汽车车身中复杂工况条件,提高汽车安全结构件的强度等碰撞安全性指标。为保护在热成形过程中热成形钢表面产生的氧化和脱碳问题,在热成形钢表面涂覆Al-Si涂层作为保护层,Al-Si涂层会对激光束发生反射,提高能量消耗,同时Al-Si涂层熔化进入焊缝中,在焊缝中析出δ铁素体,降低焊接接头强度,影响Al-Si涂层热成形钢的应用。本文针对Al-Si涂层对焊接接头的不利影响,开展了通过机械去除焊缝表面Al-Si涂层,研究焊接参数对有Al-Si涂层和机械去除Al-Si涂层接头成形、组织和力学性能的影响,通过添加熔盐及金属氧化物提高接头对激光的吸收率,改善焊接接头的组织和性能。试验研究激光功率、焊接速度和离焦量对有Al-Si涂层和机械去除Al-Si涂层接头截面形貌、组织和力学性能的影响。有Al-Si涂层的接头焊缝区析出蠕虫状δ铁素体,机械去除Al-Si涂层的接头焊缝区由马氏体和少量贝氏体组织组成。在激光焊接过程中Al-Si涂层熔化,Al元素熔解渗入焊缝,影响焊接接头冷却结晶过程,Al元素使得液相转变时高温铁素体含量增多,在后续包晶转变中,形成奥氏体和δ铁素体固相,保留至室温,使有Al-Si涂层焊缝组织析出δ铁素体。随着激光功率的增大,或焊接速度和离焦量的降低,接头抗拉强度、延伸率和杯突值均呈现先增大后减小的趋势,当激光功率1200W,焊接速度8mm/s,离焦量0mm时,有Al-Si涂层接头抗拉强度为1314MPa,延伸率为2.79%,杯突值为7.42mm;机械去除Al-Si涂层接头抗拉强度为1417MPa,延伸率为3.80%,杯突值为11.69mm。焊缝中的长条带状δ铁素体产生应力集中,促进裂纹萌生,因此有Al-Si涂层接头力学性能较差。试验研究熔盐和金属氧化物的成分对热成形钢激光焊接的截面形貌的影响,选择Fe O:Mn O:K3Al F6=1:1:0.5熔盐和金属氧化物的混合物对未去除Al-Si涂层热成形钢进行激光焊接。添加Fe O/Mn O/K3Al F6后,在激光功率800W,焊接速度8mm/s,离焦量0mm时,使焊接接头由未焊透转变为全焊透,接头对激光吸收率提高。添加Fe O/Mn O/K3Al F6后,焊接结束后焊缝表面形成熔渣,焊缝中Al元素含量由有Al-Si涂层时的2.64wt.%降低到0.12wt.%。焊缝区为马氏体和少量贝氏体组织,未观察到δ铁素体。焊接接头抗拉强度为1532MPa,是母材（抗拉强度1661MPa）的94.86%,延伸率为6.17%,达到母材（延伸率6.83%）的90.61%,与有Al-Si涂层时相比,接头抗拉强度提高到17.85%,接头断裂方式为韧性断裂,接头杯突性值提高到13.18mm。通过响应面分析法,对添加Fe O/Mn O/K3Al F6后,建立激光焊接参数与抗拉强度、延伸率和杯突值的数学模型,并进行优化计算,得到最佳焊接参数为激光功率1000W,焊接速度8mm/s,离焦量0mm。

关键词：熔盐热成形钢 Al-Si涂层激光焊接组织力学性能

考虑剪切损伤和各向异性的GTN模型修正及应用研究

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考虑剪切损伤和各向异性的GTN模型修正及应用研究

作者：龚颖颖吉林大学

学位级别：硕士

为加快推动新能源汽车产业实现低碳化、电动化、智能化发展,深化新能源布局,汽车铝加工需求迎来井喷式增长。铝合金是目前汽车轻量化技术的首选材料。但由于铝合金成形性能较差,因此在冲压成形过程中极易发生拉裂、起皱、回弹等加工缺... 详细信息

为加快推动新能源汽车产业实现低碳化、电动化、智能化发展,深化新能源布局,汽车铝加工需求迎来井喷式增长。铝合金是目前汽车轻量化技术的首选材料。但由于铝合金成形性能较差,因此在冲压成形过程中极易发生拉裂、起皱、回弹等加工缺陷。通过有限元数值模拟方法预测冲压过程中可能出现的缺陷,优化调整工艺参数,是解决上述问题的有效方法。建立准确的材料损伤模型来反映材料的塑性变形和损伤过程是保证有限元仿真结果真实可靠的关键。GTN(Gurson-Tvergaard-Needleman)细观损伤模型考虑微孔洞的形核、长大和聚合对材料屈服行为的影响,从细观角度揭示了材料损伤的演化过程,在研究金属板材的延性损伤方面有着独特的优势。但传统GTN模型的应用范围存在一定的局限性,且损伤参数不易确定,限制了模型的应用。本文综合考虑剪切损伤和板材各向异性的影响,在GTN损伤模型的基础上,引入剪切损伤演化规律和各向异性屈服准则,构造了更为完备的材料本构模型,并应用于AA6061-T6铝合金冲压成形的数值模拟中。具体研究内容如下:首先,根据研究需要,设计了不同轧制方向和具有不同应力状态的拉伸试样。基于准静态拉伸试验获取了AA6061-T6铝合金板材的力学性能参数和各向异性参数。研究塑性各向异性和应力状态对AA6061-T6铝合金断裂行为的影响,并通过扫描电镜分析不同应力状态下铝合金试样的断口形貌和损伤机理。其次,考虑孔洞剪切损伤和材料各向异性,建立了Barlat89-ZGTN细观损伤模型。对原始GTN模型进行两方面的改进,引入Barlat89各向异性屈服准则和Zhou提出的剪切损伤理论。基于单轴拉伸试验,采用中心复合设计-响应面法-多目标遗传算法相结合的有限元反向标定法确定GTN模型损伤参数,并研究了各个损伤参数对材料拉伸曲线的影响。详细描述了修正后的Barlat89-ZGTN损伤模型本构方程及数值算法表达式,通过编辑用户自定义材料子程序VUMAT在有限元软件ABAQUS中实现数值模拟运算。随后,通过Nakazima实验法获取AA6061-T6铝合金的成形极限曲线,与Barlat89-ZGTN损伤模型数值模拟的结果进行比较。结果表明,考虑剪切损伤机制和材料各向异性是有必要的。与原始GTN损伤模型相比,Barlat89-ZGTN模型对于成形极限曲线的各个应变状态区域都有较好的预测精度,尤其是改善了原始GTN模型在平面应变状态和双拉应变状态区域预测不准的情况。最后,以S形轨道件为分析对象,依据建立的Barlat89-ZGTN损伤模型,数值模拟S形轨道件冲压成形过程。分析计算板材成形的最大减薄率,通过控制变量法,研究冲压速度、压边力、摩擦系数对零件成形性能的影响。采用响应面法获取最优工艺参数组合,仿真分析S形轨道件的冲压成形过程,结合AA6061-T6铝合金的成形极限曲线验证了优化参数方案可行性。本文建立了考虑孔洞剪切损伤和材料各向异性的Barlat89-ZGTN损伤模型。通过有限元仿真技术准确预测铝合金板材成形缺陷,进而提高零件成形质量,降低废品率。为汽车行业铝合金板材成形及冲压工艺设计提供必要的理论支持。

关键词： GTN细观损伤模型剪切损伤各向异性冲压成形铝合金

6082-T6/THAS-1异种铝合金搅拌摩擦焊接头组织和性能研究

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6082-T6/THAS-1异种铝合金搅拌摩擦焊接头组织和性能研究

作者：孟顺吉林大学

学位级别：硕士

汽车轻量化能够降低能耗,减少排放,是应对日益严重的能源消耗和环境保护问题的主要途径。一体化压铸是目前实现汽车轻量化和降低成本的主要手段,一体化压铸成形的铝合金结构件将涉及到与周边多种材料结构件的连接,包括变形铝/压铸铝、铝... 详细信息

汽车轻量化能够降低能耗,减少排放,是应对日益严重的能源消耗和环境保护问题的主要途径。一体化压铸是目前实现汽车轻量化和降低成本的主要手段,一体化压铸成形的铝合金结构件将涉及到与周边多种材料结构件的连接,包括变形铝/压铸铝、铝/钢等组合。此外,副车架、电池壳箱体等汽车部件也都涉及变形铝合金和压铸铝合金的连接。因此,变形铝合金和压铸铝合金的优质连接具有很大的研究价值和应用前景。搅拌摩擦焊(FSW)作为一种固相连接技术,能有效抑制焊接变形、降低残余应力、减少焊接缺陷,被公认为铝合金最佳焊接方式。本文以4 mm厚6082-T6和压铸THAS-1两种铝合金为研究对象,探究不同FSW工艺参数对接头组织及力学性能的影响规律,优化焊接工艺参数,并分别进行了焊接过程冷却和焊后喷丸强化处理研究。具体研究成果如下:(1)研究结果表明,FSW参数选择对6082-T6/THAS-1两种铝合金FSW接头的质量起着关键作用。不同工艺参数对两种铝合金接头飞边、沟槽、隧道孔洞等宏观和微观缺陷的形成影响不同。分析了FSW接头不同区域,母材(BM)、热影响区(HAZ)、热机械影响区(TMAZ)和搅拌区(SZ)组织形态分布情况。对于HAZ,6082 HAZ亚结构晶粒占比较BM有所增加,THAS-1晶粒结构无明显变化;TMAZ内,前进侧(AS)比后退侧(RS)经历更剧烈的变形和更高的焊接热输入,致使6082-T6(AS)的变形晶粒比例高于THAS-1(RS)。焊缝周围测温点的峰值温度均表现为前进侧高于后退侧,距离焊缝中心越近,两侧的温度差异越显著,距离焊缝中心8mm处,前进侧的峰值温度高于后退侧70℃。(2)试验确定了6082-T6/THAS-1两种铝合金FSW接头的最佳焊接工艺参数:轴肩下压量0.18 mm(轴向下压力大于5.7KN)、硬质材料(6082-T6)放置在前进侧、旋转速度1600 r/min、焊接速度250 mm/min。此时,抗拉强度为235.6 MPa达到压铸母材的93.2%。旋转速度和焊接速度改变均使接头搅拌区(SZ)晶粒组织得到了细化,二者的影响机制不同。旋转速度增加(1200-2000r/min)带来剧烈的塑性变形使SZ中两种材料的晶粒组织得到了细化;焊接速度增加(50-250 mm/min)使接头的峰值温度降低明显,SZ中晶粒在低热输入下没有完全长大,晶粒得到细化。旋转速度和焊接速度的改变未影响接头显微硬度分布形式,均呈现非对称的W型,硬度最低点位于6082侧HAZ处,当接头中未出现明显的焊接缺陷时,断裂位置均在6082 HAZ的最低硬度区域。(3)研究发现,与自然冷却相比,采用压缩空气和水冷使接头的延伸率得到提升,但抗拉强度出现了弱化现象,并且在SZ底部发现孔洞缺陷。其主要原因是冷却介质的引入影响了焊接过程的热输入。喷丸处理使接头表层位错密度增加,产生了细小的晶粒组织和较深的压缩残余应力场,提升了接头表层的显微硬度,降低了裂纹扩展速率并提升了接头拉伸性能。喷丸处理15min时,SZ最大显微硬度和试样极限抗拉强度分别为135 HV和239 MPa,较未喷丸处理(82.7 HV,235.6 MPa)分别提升了63.2%和5.6%,抗拉强度达到压铸母材的98.8%。喷丸处理后接头的断裂位置发生了改变,由6082 HAZ处转移至压铸合金TMAZ附近,延伸率有所降低。

关键词：异种铝合金搅拌摩擦焊焊缝强化微观组织力学性能

自动驾驶感知系统预期功能安全指标分解与验证研究

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自动驾驶感知系统预期功能安全指标分解与验证研究

作者：俞瑞林吉林大学

学位级别：硕士

随着自动驾驶汽车技术的迅猛进步,确保其驾驶安全性已成为一个亟待解决的重大课题。传统的功能安全研究,其范畴往往局限于既定功能下的安全评估,而无法全面覆盖自动驾驶车辆在复杂多变环境中因功能不足而引发的潜在风险。鉴于此,国际标... 详细信息

随着自动驾驶汽车技术的迅猛进步,确保其驾驶安全性已成为一个亟待解决的重大课题。传统的功能安全研究,其范畴往往局限于既定功能下的安全评估,而无法全面覆盖自动驾驶车辆在复杂多变环境中因功能不足而引发的潜在风险。鉴于此,国际标准化组织在2019年适时提出了预期功能安全(Safety Of The Intended Functionality,SOTIF)的概念,旨在深入剖析由预期功能缺陷或人为错误使用可能导致的安全风险。当前的研究多从宏观层面探讨SOTIF的实施过程,并提倡通过测试验证来评估预期功能的SOTIF水平。然而,这种过度依赖测试结果的方法不仅成本高昂,而且效率低下,难以适应自动驾驶技术快速发展的需求。更为关键的是,目前尚缺乏一套能够在系统设计阶段就通过理论分析直接识别并应对功能不足风险的成熟量化实践方法。这一不足在自动驾驶车辆感知功能的评估中尤为凸显。由于感知功能高度依赖于可能存在固有缺陷的传感器和算法,SOTIF问题在自动驾驶领域显得尤为突出。尽管已有一些研究试图通过优化算法和增强传感器性能来减少感知能力的限制,但这些研究往往缺乏对SOTIF水平与传感器感知能力之间明确量化关系的深入探讨。缺乏能够快速识别功能不足的理论分析方法,使得在自动驾驶车辆感知方案的早期设计阶段难以有效区分不同方案的优劣。因此,本文旨在填补自动驾驶车辆感知功能SOTIF评估研究的空白,提出一种以SOTIF为核心的感知功能评估方法。通过深入剖析感知功能的内在机制,建立SOTIF水平与传感器感知能力之间的量化模型,以期在自动驾驶车辆的早期设计阶段就能有效识别并应对潜在的安全风险,为自动驾驶技术的安全、可靠发展提供有力支撑。本文的主要研究内容如下:(1)详细探讨全球主流的安全风险接受准则,并依托公开数据进行计算分析,以明确不同接受准则下自动驾驶系统的整车级安全指标。阐述如何计算满足这些安全指标所需的实车测试里程,并介绍了其他自动驾驶系统测试验证方法。鉴于实车验证的难度,进一步论证安全指标分解的必要性。针对系统级安全指标的分解构建分解模型,研究感知系统内在的存在不确定性以及状态不确定性安全指标。(2)通过具体示例展示了如何根据设定的接受标准导出感知系统级的定量SOTIF安全指标。对于状态不确定性,构建碰撞严重度模型,计算在不使潜在事故严重度上升的条件下允许出现的最大状态量误差。对于存在不确定性,将不同场景下的漏检、误检建模为独立事件,利用贝叶斯模型并结合感知系统的特性,以目标到本车距离为划分依据,将整车级安全指标分解至系统级。期间选择合适的预期行为模型进而为场景仿真过程中各车辆提供机动行为,利用航测交通流数据集对不同预期行为模型进行了深入分析和比较。最后根据操作设计域中的不同性能局限,在航测数据集上采用贝叶斯模型和碰撞严重性模型推导出自动驾驶车辆感知系统的安全指标。(3)组件级安全指标分解是实现自动驾驶安全的关键环节。本研究将组件级安全指标分解问题建模为确定各组件对系统性能影响程度的问题,并引入合作博弈论中的Shapley值法予以求解。具体而言,以多目标跟踪算法为例将算法组件封装为量化指标函数,在调整后的KITTI数据集样本上运行该函数,获得相应的输出指标。随后构建加权线性模型在样本数据上拟合指标函数,其中加权项的设置使得拟合参数即为各输入对应的Shapley值,反映了其对输出的贡献程度即特征重要性。实验在KITTI数据集上对Eager MOT算法的组件进行了Shapley值分析。最后根据得到的特征重要性,将组件级安全指标分配建模为优化问题,以系统误检率安全指标为例,成功将系统级安全指标分解为组件级。综上,本研究成功地将整车级安全指标分解到系统级和组件级,并考虑了计算效率和感知系统性能下降特征等实际因素,具有较高实用价值,并以多目标追踪算法为例,进行了数值实验。本文还探讨了将SOTIF安全指标分解方法推广至其它系统的未来发展方向,为相关领域的研究提供了新的思路和方法。

关键词：自动驾驶 SOTIF 风险分解量化需求安全设计