郝 健

（扬州杰特沈飞车辆装饰件有限公司，江苏 扬州 225815）

0 引言

随着人类社会与交通运输行业的不断发展，越来越多的相关人员开始重视车辆制造工艺水平和车辆设计技术方面的研究。相关资料显示，在其他因素相同的情况下，重量越轻的车辆，其能量消耗越少，行驶的路程越长[1]，而车辆的结构与材质的使用量和分配密切相关。近年来，科学技术不断进步，蜂窝夹层结构材料在很多领域中有了良好的发展。然而，夹层结构产品种类很多，由于所采用的材料不同、夹层内部的结构不同，导致夹层结构产品的几何参数也存在差异。对于具体蜂窝结构需要进行具体分析。根据车辆制造与设计要求，改善零部件的质量。交通车辆的结构设计比较重要，与材质的使用量和分配关联密切。对车辆蜂窝铝合金技术及其数值分析的研究，有助于我们通过合理的视角看待这种新兴的产品，这对将来车辆蜂窝铝合金产品制造工艺的改进、大批量生产起到理论支撑的作用。

1 车辆蜂窝铝合金

人们通过利用仿生学中的生物功能与结构原理，来研制新技术并解决机械技术问题。蜂窝铝及其铝合金结构技术借鉴了蜜蜂的“蜂窝”。这类“蜂窝”结构，是在相似的平面上排列的多边形构成的两维结构，具有规律的棱角与比较清楚的壁、孔，平整的表层可以较好地与面板材质组成成品[2]。规则排列的“蜂窝”与面板构成类似“工”字的形状，当面板受力或载荷时，这类“蜂窝”结构可有效分散压力[2-3]。面板受力比较均匀，面板的区域面积较大时，“蜂窝”板具有较好的平整度[2]。蜂窝铝合金早期被应用在航空航天行业。人们逐渐发现这类材质的特点，并制造出了各式各样的产品。一些“蜂窝”铝合金结构具有较好的韧性，可以应用在交通运载工具上面，可以很好的保护乘客的安全。

2 传统内装产品与内装蜂窝铝合金产品对比

采用内部厚实板料制成的传统内装产品，相比于蜂窝铝合金板料制成的内装产品来说，在外表长、宽、高规格相同的条件下，其分量较重。而且其在加工制造时对设备的承重要求较高，切削加工截面时产生的切屑粉尘比较多，容易造成安全隐患，而粉尘防护也会增加一些成本[4-5]。传统内装厚实板料产品在大面积的装配过程中，需要有配套的安装工具。采用内部厚实板料制成的传统内装产品，因其内部厚实，传递声音能力较强。

蜂窝铝合金板料制成的内装产品相对密度较低，在同等体积下，比传统厚实板料制成的产品分量要轻。蜂窝铝合金其内部结构中有多个折射和反射面，声波传到其中时，会被反射和折射，阻碍声波的传播，基于这种性能，可以将其应用于隔音装置或产品中，可以有效隔离部分声音。蜂窝铝合金在交通行业也有所应用，其可应用在一些轨道交通工具的卫生间中。卫生间开启阀门时，飞溅出的水落在地板上，相比于厚实的木地板，蜂窝铝合金更防潮。此外，蜂窝铝合金不可燃，比厚实木地板更防火。2 种产品皆便于回收再利用。

3 车辆蜂窝铝合金建模及其数值分析

有限元法是进行数值分析的一种常用方法，在许多学科中都可以利用有限元方法来解决一些问题。随着计算机技术的发展，数值分析与计算机技术的结合，使得传统的机械工业焕发新的活力。有限元不是唯一的数值分析方法，但是有限元工具占据了绝大部分的工程数值分析市场。有限元分析过程采用离散化的方法，将对象几何体划分为比较小且简单实体，并将这些简单的实体单元称为有限元。而运用有限元工具时，其求解器将这些单元解综合成分析对象近似解。该文研究了9 种试样规格，构建数值模型，分析它们在承受试验载荷下的应力情况。

3.1 车辆蜂窝铝合金几何参数

项目一试样规格，如图1 所示。单个蜂窝铝合金胞元壁的厚度为0.25 mm，蜂窝铝合金的胞元粘结壁厚为0.50 mm，单个蜂窝铝合金胞元横壁的长度为5.00 mm，单个蜂窝铝合金胞元斜壁的长度为5.00 mm，蜂窝铝合金上面板的厚度为1.00 mm，蜂窝铝合金下面板的厚度为1.00 mm。蜂窝铝合金试样的高度为17.50 mm，整体长度为45.00 mm，整体宽度为43.30 mm。

项目二试样规格：单个蜂窝铝合金胞元壁的厚度为0.30 mm，蜂窝铝合金的胞元粘结壁厚为0.60 mm，其余参数与项目一试样规格相同。

项目三试样规格：单个蜂窝铝合金胞元壁的厚度为0.35 mm，蜂窝铝合金的胞元粘结壁厚为0.70 mm，其余参数与项目一试样规格相同。

项目四试样规格：单个蜂窝铝合金胞元壁的厚度为0.40 mm，蜂窝铝合金的胞元粘结壁厚为0.80 mm，其余参数与项目一试样规格相同。

项目五试样规格：单个蜂窝铝合金胞元壁的厚度为0.45 mm，蜂窝铝合金的胞元粘结壁厚为0.90 mm，其余参数与项目一试样规格相同。

项目六试样规格：单个蜂窝铝合金胞元壁的厚度为0.50 mm，蜂窝铝合金的胞元粘结壁厚为1.00 mm，单个蜂窝铝合金胞元横壁的长度为5.00 mm，单个蜂窝铝合金胞元斜壁的长度为5.00 mm，蜂窝铝合金上面板的厚度为0.50 mm，蜂窝铝合金下面板的厚度为0.50 mm。蜂窝铝合金试样的高度为17.50 mm，整体长度为45.00 mm，整体宽度为43.30 mm。

项目七试样规格：单个蜂窝铝合金胞元壁的厚度为0.55 mm，蜂窝铝合金的胞元粘结壁厚为1.10 mm，其余参数与项目一试样规格相同。

项目八试样规格：单个蜂窝铝合金胞元壁的厚度为0.60 mm，蜂窝铝合金的胞元粘结壁厚为1.20 mm，其余参数与项目一试样规格相同。

项目九试样规格：单个蜂窝铝合金胞元壁的厚度为0.60 mm，蜂窝铝合金的胞元粘结壁厚为1.20 mm，其余参数与项目六试样规格相同。

3.2 车辆蜂窝铝合金数值分析

项目一模型构建：进入三维设计界面，点击进入草图绘制窗口，选择多边形并输入六边形设置参数，生成单个六边形“蜂窝”，添加约束尺寸，约束外棱边长为5.00 mm，以外六边形中心为中心向内偏移0.25 mm，构建单个蜂窝胞元内六边形，退出草图窗口并拉伸15.50 mm，然后通过阵列生成试样规格蜂窝夹芯层。上下面板的构建方法相同，分别以蜂窝夹芯层上下表面为基准绘制草图，拉伸1.00 mm的厚度板[1，5]。项目二模型构建：以外六边形中心为中心向内偏移0.30 mm，构建单个蜂窝胞元内六边形，其余构建方法与项目一模型构建方法相同。项目三模型构建：以外六边形中心为中心向内偏移0.35 mm，构建单个蜂窝胞元内六边形，其余构建方法与项目一模型构建方法相同。项目四模型构建：以外六边形中心为中心向内偏移0.40 mm，构建单个蜂窝胞元内六边形，其余构建方法与项目一模型构建方法相同。项目五模型构建：以外六边形中心为中心向内偏移0.45 mm，构建单个蜂窝胞元内六边形，其余构建方法与项目一模型构建方法相同。项目六模型构建：进入三维设计界面，点击进入草图绘制窗口，选择多边形并输入六边形设置参数，生成单个六边形“蜂窝”，添加约束尺寸，约束外棱边长为5.00 mm，以外六边形中心为中心向内偏移0.50 mm，构建单个蜂窝胞元内六边形，退出草图窗口并拉伸16.50 mm，然后通过阵列生成试样规格蜂窝夹芯层。上下面板的构建方法相同，分别以蜂窝夹芯层上下表面为基准绘制草图，拉伸0.50 mm 的厚度板[1，5]。项目七模型构建：以外六边形中心为中心向内偏移0.55 mm，构建单个蜂窝胞元内六边形，其余构建方法与项目一模型构建方法相同。项目八模型构建：以外六边形中心为中心向内偏移0.60 mm，构建单个蜂窝胞元内六边形，其余构建方法与项目一模型构建方法相同。项目九模型构建：以外六边形中心为中心向内偏移0.60 mm，构建单个蜂窝胞元内六边形，其余构建方法与项目六模型构建方法相同。

图1 车辆蜂窝铝合金数值分析云图

这里铝合金材质采用3003 铝合金，在上面板上表面施加试验载荷，约束下面板的下表面[6]。该文所述的应力指的是Von Mises 等效应力。在试验载荷作用时，通过数值分析工具进行模拟，该文中项目一试样所受的最大应力＞项目二试样所受的最大应力＞项目三试样所受的最大应力＞项目四试样所受的最大应力＞项目五试样所受的最大应力＞项目七试样所受的最大应力＞项目八试样所受的最大应力。项目六试样所受的最大应力＞项目九试样所受的最大应力。

4 结语

蜜蜂是“自然界中最杰出的建筑师”，蜂窝的结构很奇妙，模仿蜂窝结构制造成的产品也有不少妙用。车辆中的蜂窝铝合金产品重量轻，具有传统内装产品没有的优点，受到业内人士的关注。该文在之前科学工程技术人员研究的基础上，对车辆蜂窝铝合金技术及其数值分析进行了研究。简单介绍了车辆蜂窝铝合金产品，并简述了该产品的结构原理，对比传统内装产品与内装蜂窝铝合金产品的特点，在机械三维设计工具中，构建车辆蜂窝铝合金试样几何模型，研究多个项目规格的蜂窝铝合金，简述其模型构建方法，对比多个规格构建三维模型和数值模型，运用数值分析工具对车辆蜂窝铝合金试样进行应力分析。