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最后一部分内容呢

就是我从我们过去十年里

找了几个经典的例子

来看一看

我们把材料的仿真

材料的力学性能的表征和仿真

做得这么精细

我最后达到的目的是什么

我最后达到了什么目的

我举这么几个例子

一个是我刚才说的塑料材料

塑料材料比高强钢

比钢复杂很多

塑料材料的失效的表征

像仪表板上失效的

那我们用各种各样的材料试件

你看它这种

这是剪切

这有动画在这

是拉伸

然后这个地方是穿孔

那这个都是我的材料实验

每一个材料实验

代表在那个实验点上

他不同的应力应变状态

具体说来

就是三轴的应力状态

和我的真实的断裂应变

那沿着这条曲线上

有的地方是对应纯剪切

有的地方是对应纯拉伸

所以整个断裂的材料的断裂性能

我就把它做出来了

这里边我还没有放它的

跟应变率相关的东西

那其中这里边呢

我给大家看了一个十字拉伸

就是做一个十字拉伸的试件

两个方向去拉它

然后中间的这个点呢

承受的是双向拉伸

双向拉伸在我们的那个

汽车的碰撞和人体保护里边

有很多结构都是承受双向拉伸

我举例子

这是一个十字拉伸的试件

我当然我去做仿真

你就发现

这么一个实验想要做成功

要经过无数次的尝试

很难做成功 为什么

首先你把一个塑料板

把它裁成十字的试件

你就得考虑

我用什么样的加工方式去裁它

因为你要某种切割 线切割了

激光切割各种各样东西

你不能改变材料的性质

在切割的过程中

你还得把它切割的足够的精确

然后别忘了我们材料试件

还是可能是从仪表板上裁下来的

那个仪表板本身还很复杂

你在哪儿裁

然后你设计这么一个十字拉伸试件

这个地方的曲率是什么

曲率半径是

为什么呢

你是希望断裂发生在终点

那凡是有拐弯的地

凡是有拐弯的地方

都是应力集中的地方

你如果在那设计一个尖角

那地方应力集中

最先断在那儿

但是我这个实验的设计的初衷

目的是想让实验

让断裂在中间

因为断裂在这角上的话

就不是我要测的数据

那我就得不断去尝试试件的尺寸

曲率半径 要结合我的机器

我当然结合仿真

使得让那个断裂 先发生在这儿

好 这就是很复杂了 对吧

然后我就建立一个失效模型来去做

这是在我们的一篇硕士论文里

最后的结果是什么

很遗憾

我从那个硕士论文里

只裁了一张图出来

没有裁这个结果曲线

放不下了

这个图是什么呢

就是美国的法规

乘员的头模块

撞到仪表板上

那我们做了很精细的

材料的实验

我们当然还要做它的失效模型

做它的材料模型

最后做出一个材料模型

一线的工程师

去用我们的材料模型

和这个材料数据

来预测仪表板上

这个头撞在这

头检测到的加速度

和HIC的计算 这是终级目的

然后我们这学生做硕士论文

做到结尾的时候说

我们这硕士论文的主体是

很辛辛苦苦的帮助你们

把这个塑料材料的

力学性能表征给它做好了

给了你一个很好的

材料模型和材料数据

但是这个呢

有点过于材料和力学了

我们作为汽车领域的这个硕士呢

我希望展示给我的答辩委员会说

我做了这么好效果在哪

他说这东西保密的

我给你一张图吧

所以这张个图是他们直接截过来的

还有一张曲线图

我说你这个图

以及最后的仿真结果

他这个头撞上去

头的那个响应

我们也叫波形

就是减速度对时间的响应

这个仿真预测跟实验的

几乎是重合的很好

我跟他开玩笑

我说这个图是假的吧

要是老板看到这么好的Correlation

会不相信你

他说就是这么好

就是我在今天的讲座

一开始说的

他说我们为什么不好呢

我几何做的非常非常精确

所有的细节

这是我们供应商做的

然后材料模型

周教授咱们做了两三年

把这材料模型

数据做的这么好

这么大量的实验

几百个实验 做的这么好

我这么简单的一个冲击

一个输入能量

几何做准确了

材料做准确了

我的输出能不准确嘛

我想这样有道理

输出能不准确嘛 对吧

所以就是回到大家去记一下

我刚开始的那个

把边界条件做准确

几何做准确

要准确到你的某一个铆钉

你的某一个橡胶垫

然后所有的材料做准确

最后就能做到

你的那个加速度的输出

跟实验和仿真

非常令人满意

如果我做到这一点

我几乎就可以用仿真来设计车了

假如说我做一个企业老总

我的资源投在什么地方

我的资源是投在建大量的实验设备

然后花很多的实验费用

还是我的资源投在

把我的仿真做好

这是一个铆接的例子

车上很多有些材料是用铆接起来的

铆接就是我刚才讲的就是说

铆接的这个问题是说

他叫做无铆钉连接

比如说两个钢板或者铝板

这么一个自冲铆钉下来

这个铆接的过程

材料局部有这么大的变形

残余应力 残余应变

然后我形成了这么一个铆钉

形成了这一个铆钉呢

这是车上的某一个结构

在碰撞载荷下

铆钉失效不失效

是铆钉本身失效

还是铆钉周围的材料失效

我如果不能预测

铆钉或者及周围的失效

整个薄壁管件

在碰撞过程中

我怎么预测它的变形和失效 对吧

那这件事的麻烦就在于

你必须得把周边的材料的属性

以及在 材料加工硬化

铆钉过程中的硬化

你得把整个信息

就像我刚才说的

成型过程中的材料应力应变

残余应力一直代入仿真模型

这样才能做得准确

你如果说周围的材料是原始的

宝钢给你的原始的材料模型数据

这还是原始材料吗

这不是原始材料了

所以这个例子我就想说明的这个问题

还有一个 如果这不是铆钉

如果这是焊接

焊接我们又做了很多

焊接有热影响区的影响

就是说它这一个焊点

最中间和中间热影响区

边上焊点周围

我说的是大概五到十毫米的

这么一个范围里边

它的材料属性全都不一样

我们就把那个热影响区焊好了

然后裁出来很精细的试件

非常非常小

来做拉伸实验

来看热影响区的材料属性

这是一个比较笨的办法就是

焊点中间的材料属性

热影响区的材料属性

以及母材的材料属性

我分别做出来

然后做材料模型

我把这一个焊点的断裂

失效搞明白

这是最笨的办法

比较好的办法呢

就是我把整个的焊接的热过程

或者铆接的

因为铆接不带热

过程全部把它仿真出来

这样的话

一直把材料行为一带到底

这是比较好的办法

那接下来还有一个问题

这是我最后一行

就说的很简单的

无论是铆钉 还是焊点

别忘了我车上有

三千个 四千个 五千个这样的焊点

你如果都用这么精细的模型来做

那这车上得上亿个单元了 对吧

我这现在的计算能力

是处理不了的

所以我就要做这种所谓的

要多尺度表征

就是我在很精细的模型下

我单个的焊点

或者三个焊点的这么一个结构

我能保证材料收入

整个的仿真和实验很准确

这件事我对我自己放心了

同时我还得给一线的工程师

做成一个英文叫Super Element

就是说一个尺度稍微大一点的

超级单元

使得就用这么一个单元

能够代替一个焊点

这样我车上五千个焊点就五千个单元

否则的话我一个焊点就是二百个单元

那你五千个焊点

二百乘五千

光是焊点就那么多单元

所以这叫多尺度的仿真

粘接 连接

这个粘接呢

有很多优点

就是说现在在很多豪华车上

已经开始用了

德国的车 美国的车

那我们研究了十年

这个粘接呢

是它有几个优点

我没在这说

这一个是

它对结构是个连续连接

这样呢就比点焊和铆接呢

是那种非连续连接

它天然的加强了结构的刚度和强度

对振动噪声

碰撞仿真和轻量化有很多好处

这是粘接的第一个优点

粘接的第二个优点呢

是它可以把不同种的材料粘起来

如果我把钢和铝连在一起

用铆接或者是用点焊的办法来做

要引起一个腐蚀的问题

就是你两层金属

他的什么电位向不一样

你打一个铆钉或者打一个焊点在那

它就破坏了金属的表面

这两个不同的金属长期挨在一起

车开三年五年

它就腐蚀就从那开始

所以如果我把不同的金属连接在一起

粘接是一个比较好的办法

因为粘接呢

是把这两层金属

中间加了一层有机隔膜

这个粘接剂是有机物

有机物天然隔开两个金属

它会阻断它的电化学反应

对老化什么有好处

那如果我的一个结构

比如说我一个B柱 一个门槛梁

你允许我用两种以上的材料来做

那你就大大的给了我优化的空间

就像我举个混合动力

你要给我既能电驱动

又能内燃机驱动

我优化的范围就宽了

所以当你让我设计B柱或者门槛梁

或者是前纵梁的时候

现在都是一个材料

我们正在研究

如果你允许我用两个材料钢和铝

钢和塑料 镁合金和塑料

那我肯定能减重啊

因为我多了资源了 对吧

但多了这个资源怎么来

问题就来了

怎么把它连接上

那我的答案是

粘接是一个很好的办法

你看粘接的有多结实

这是一个金属结构 薄壁管件

我们把它粘起来

我们实验室有所有的工艺的设备

粘起来了

粘起来以后做这么大的变形

当然我们粘的比较仔细了

实际你车里做的

没有任何开胶的地方

这么大的变形

所以你看它吸能的话

它粘接本身并不吸能

但是它能够粘的很结实

让结构的变形来吸能

那我们面临的挑战

就像点焊式和粘接式的

首先呢 你这么一沿着一个薄壁管件

我把它沿着这个凸沿给它粘起来

我能预测粘接的失效

或者在实验表征这些

我们做了十年

那我不可能在粘接的界面上

一个焊点都没有

因为如果一个焊点都没有的话

我设计厂商也不放心啊 对吧

你一个前纵梁就粘起来的

所以总要打几个焊点

我的最终目标是

减少焊点的数量

因为粘接还有一个生产效率高的优点

那焊点跟粘接的交互作用

这是我们十年前第一个研究的位置

就他互相是

互相补强 还是互相弱化

它补强是一个串联进行

还是个并联进行

是我们十年前研究的事情

所以我把所有的论文

发表列在这了

把粘接的界面的材料的模型

失效模型 失效机理

然后最后你能仿真出来

这就是我们大概已经做了

三个博士论文在这

下边两三个博士论文

是做人体的碰撞损伤

这就是超出了大家的考卷之外了

考卷说是用假人结构

用假人上取下来的这个模块

头模块 下肢模块来设计车

但是 这个假人

必定不能代表真人

即使这么一个真人的有限元模型

他离真人也差的很远

但他毕竟比我们的假人稍微近了一点

至少他几何 有心脏有骨头了

有膝关节的韧带

这都有了

材料不一定很准确

但是至少这些几何都有了

所以我用这么一个人体模型

来做车的碰撞或者什么东西

它就比那个真实的设计

要更贴近一点

我可以研究韧带拉伤的机理了

或者是载荷的传递路径了

我们可能就发现

如果讲行人碰撞的时候

我可能就发现说

有可能高速下产生的是骨折

低速下产生的是韧带拉伤

而韧带拉伤是比骨折更严重的损伤

这就麻烦啦

就是说高速是轻伤

低速是重伤

当然了 汽车设计没那么简单了

高速会造成很严重的头部损伤

但是对膝关节来讲

实际上是速度越高越好

因为速度高了以后

早早的把它撞断早完事 对吧

因为一旦撞断了以后

对膝关节韧带就卸载了

因为韧带是很难复合的

骨折是能够天然复合的

所以这就是为什么骨折是轻伤

韧带拉伤是重伤

当然了这么一个仿真模型里

那我们就要用很复杂的

我不能做材料实验

我也可以参与材料实验

把材料实验给他表征准确

行人头模块罩盖的实验

我们当时面临的挑战就是

这么一款非常小的车

非常便宜的车

那不许用任何主动安全的装置

我就跟我的学生说

车越便宜

需要大家投入的技术力量越高

因为车如果要贵了的话

工程师也没事干了

我们研究生也没事干了

因为什么呢

如果车贵

震动 噪声要达标

最好的材料扔进去

碰撞安全要达标

那么大的空间 又不计成本

很容易达标

如果这车很便宜

这也不让用 那也不让用

你还要达标就很难了

我们这款车呢

我的目标就是

发动机罩盖下的空间有限

你怎么设计一种罩盖的形式

使得他在头碰撞情况下

这是我的实验

在我们实验室做的实验

能够最小化罩盖下的空间

同时我的HIC值

还能满足欧洲的标准

这是我们的任务

我们做了四年

这是为什么

你知道人家的车做的比我们的好

原因就在这了 是吧

我们看我们的起始

我们的起始就是说

有限的空间 碰撞

欧洲的法规

头部的加速度

对时间的函数

最后有一个很高的峰值

这个很高的峰值

产生了一个很高的HIC值

那我们就设计了一个波浪板的

这是沿着外方向看

外罩板 内罩板

中间的夹层

波浪板的夹层罩板

放在这个里边

头模块

这么一个罩板呢

比传统的发动机罩盖更加均匀

而且 我有两个功能

功能一 在初始的碰撞下

他的结构比较强

使得我能把峰值提前

最近有一个工程师

给我讨论碰撞波形

碰撞波形要提前

我把它提前

尽可能的消耗能量

第二 这是它的开始

我要加强的强度

一旦它撞到发动机上 空间用完了

他自身能够变形吸能

使得最后第二个波形不要太高

所以就是这么一个简单的发明

或者什么

我们从原始的概念设计

做到有限元分析

做到原理样机

做到实验验证

最后若干个

我这专利号还会很长

若干个国外的专利

那这里边呢

就要我的仿真很准确

那当然了

我们的合作伙伴

提供了很精细的仿真模型

然后包括他的材料模型

我们把它的头模块什么

做得很准确

这就是我说的用仿真碰撞

来做这个研究来提高生产效率

最后总结

就是我今天说的

试验方法一定要合适

加载的范围 对吧

而不是那种什么军工的 高速的

然后你的各种模具的 卡具的设计

能不能反应真实的车里的碰撞载荷

材料的力学行为的表征

你怎么来测量你的冲击力

怎么来测量你的变形

怎么把它测准确

然后你的仿真方法里

怎么来预测断裂

任何一个焊点 一个铆钉

精细化的模型

跟整车的模型之间的关系是什么

最后你要花很大的成本来建数据库

车上这么多材料

甚至同一个钢板

不同的碾压方向

不同的厚度

他的材料属性全都不一样

你就要花很大的精力

一点一点建材料数据库

加上塑料 加上镁合金

加上各种东西

然后不光是材料数据库

还有假人呢

你做任何仿真的时候

你总不能从头建假人模型啊

你希望下拉菜单

50百分位 5百分位

假人模型 你信任的假人模型都在那

这个Honeycomb

就这个壁障的材料

尤其在ODB碰撞下

它的大变形失效

我们实验室花了三年的时间

给欧洲的一个厂商

做很精细的实验

那个实验到现在还没做完

最后呢目的就是说

要把我20年前

做的那个比较糙的实验数据

比较糙的模型

转化成一个非常精细的

你能够预测它 开胶 撕裂

最后你的壁障的变形

跟整车的实验

看上去非常的相近 相像

Correlation很好

计算能力

计算机发展很快

但是我们就发现计算机发展的再快

永远追不上模型越变越大

所以我们的仿真时间

甭管你买多快的计算机

永远是几十个小时

甚至如果做这种人体模型的话

上百个小时在那

因为它比较精细

好 这一讲结束