鋁合金在汽車輕量化中的應用：仿真引領汽車設計

近年來，隨著汽車制造商和消費者環(huán)保意識的提升，汽車正向著輕量化的方向發(fā)展。當車身重量減少 10%，汽車的燃油效率可以提高約 8％。為了實現輕量化設計目標，制造商需要將傳統(tǒng)的車體結構材料和車身材料（例如結構鋼）與更輕質的材料結合在一起。鋁（圖 1）的密度只有鋼的三分之一，具有耐候性強、回收利用率高、易于加工成型、防撞性強等優(yōu)點，因此成為了極具潛力的汽車輕量化材料。

圖 1. 高壓壓鑄（high-pressure die casting）的鋁合金。

然而，開發(fā)混合使用鋼與鋁合金材料的汽車困難重重，其中包括：如何開發(fā)低成本的量產技術；如何在部分零件中用鋁質材料替代原有材料，實現多材料裝配；如何降低因電解質（如灑在道路上的除冰鹽）導致的相互接觸的異種金屬間產生電偶腐蝕的風險（圖 2）。

圖 2.上：經過一年在役暴露實驗后，由碳纖維增強聚合物（carbon-fiber-reinforcedpolymer，簡稱 CFRP）和6000系列鋁合金制成的多材料疊加式裝配制成的車身上的電偶腐蝕情況。下：用于車輛運行測試的汽車樣件常見安裝方式。

Danick Gallant 是加拿大國家研究院（NRC）汽車和地面運輸研究中心（Automotive and Surface Transportation Research Center）的技術主管，負責腐蝕控制技術以及耐腐蝕部件和裝配的研發(fā)工作。在工業(yè)領域的應用中，單焊縫連接會涉及多種腐蝕問題，例如縫隙腐蝕和電偶腐蝕（圖 3），這就給汽車行業(yè)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。NRC 及其合作伙伴 ALTec 多客戶鋁技術研發(fā)合作集團（圖 4），共同致力于推動鋁合金在輕量化設計中的應用，并為運輸行業(yè)提供針對上述問題的技術支持和解決方案。

圖 3.車輛經過 10 萬公里的公路行駛后，車輪和擋泥板之間經攪拌摩擦焊接（friction-stir welded，簡稱 FSW）而成的多材料裝配剖視圖。上：在 AA7000 系列與 AA6000 系列的 FSW 裝配中，縫隙腐蝕為主要的腐蝕方式。下：在 AA5000 系列與不銹鋼 300 系列的 FSW 裝配中，電偶腐蝕為主要的腐蝕方式。

圖 4. ALTec 多客戶鋁技術研發(fā)合作集團的成員公司（左）和合作伙伴（右）（截止日期 2018 年 3 月 19 日）。

雖然 ALTec 成員公司擁有各自不同的核心業(yè)務，但每個公司都高度重視腐蝕控制的相關項目。裝配腐蝕問題的預測能力對于鋁板產品制造商而言是至關重要的，只有充分了解腐蝕情況，才能確保產品以正確的方式進行使用，保證可靠性等指標達到預期要求。這對于汽車制造商而言也同樣重要，它關乎著汽車能否性能出色，經受住時間的考驗。

消除電偶腐蝕

汽車設計工程師可以利用一些通用方法來延緩電偶腐蝕的發(fā)生，其中包括：

（1）避免出現大陰極小陽極；（2）遵守電偶腐蝕兼容性圖表；（3）避免異種金屬之間的任何直接接觸；（4）對兩種不同的接觸材料進行噴涂，或只噴涂陰極。然而上述方法對于實際應用卻并沒有太大的意義，因為在真實條件下應用這些方法幾乎是不可能的。舉例來說，如果安裝了機械緊固件，那么金屬與金屬之間必定存在接觸，而機械緊固件在異種材料裝配中有著極其廣泛的應用。

物理測試可以揭示復雜系統(tǒng)的行為特性，因此仍然是必不可少的環(huán)節(jié)，它包括路面測試、循環(huán)腐蝕和電化學測試。檢查車載部件的測試既耗時又昂貴，而標準的循環(huán)腐蝕測試常常容易高估電偶腐蝕的風險。此外，如果材料還具有復雜的幾何結構，電化學測試便更加難以提供準確的結果。

研究人員發(fā)現，將物理測試和多物理場仿真分析結合使用，可以在制造物理樣機之前解決設計難題，加速耐腐蝕設計的開發(fā)進程。

多材料裝配的腐蝕建模

根據由 COMSOL Multiphysics® 軟件得到的在役、循環(huán)腐蝕和電化學測試信息，Gallant 及其團隊創(chuàng)建了靈活、易用的數學模型，可對腐蝕行為進行預測。Gallant 解釋說：“為了創(chuàng)建能反映真實動態(tài)過程的虛擬樣機，我們利用一組安裝在汽車上的傳感器對模型進行了校準。”團隊借助模型獲取了高質量的數據，并采用先進的數據分析程序和機器學習模型從數據中提取了所需的信息和知識。模型中包含車底的表面溫度、潤濕時間、成分、汽車表面沉積的除冰鹽的電導率、車輛速度和 GPS 定位在內的每一組數據。

在項目啟動初期，Gallant 考慮過好幾款不同的腐蝕仿真軟件。他在嘗試過程中發(fā)現，許多常見的軟件雖然允許用戶控制輸入，但是隱藏了內部的計算過程，就像是不支持修改的“黑匣子”，而 COMSOL® 軟件則支持用戶指定和控制模型的所有屬性。“COMSOL 軟件具有強大的腐蝕建模功能，同時支持從其他軟件中導入幾何模型，這給予了我們有力的支持。通過對不同的電偶組合進行測試，我們可以在制作物理樣機之前，充分了解需要調整的幾何參數。”Gallant 解釋說。

Gallant 與團隊成員構建了由十多種材料和涂層構成的復雜裝配（圖 5），并將其作為面向NRC潛在客戶的研究案例和實驗室演示材料。由為期四天的實驗室腐蝕試驗得到的腐蝕破壞測試結果與仿真結果高度吻合，充分說明了使用 COMSOL Multiphysics 軟件建立的NRC腐蝕模型可以準確預測復雜多材料裝配的腐蝕情況。

圖 5. 多材料裝配展示了利用腐蝕仿真發(fā)現不合理設計的重要性。圖注： Painted and scribed material - 涂刻材料

團隊通過 COMSOL Multiphysics 軟件研究了實驗室腐蝕暴露試驗中犧牲陽極的厚度損失隨時間的變化（圖 6）。實驗結果和仿真結果高度吻合。從實驗數據和仿真結果均可看出，因左側為尺寸較大且更為活躍的鋁部件，鋁鉚釘左側的溶解過程受到了抑制（圖 7）。右側為惰性碳纖維增強復合材料，致使鉚釘右側受到了腐蝕。團隊據此再次證實了仿真準確反映實驗結果的能力。

圖 6. 利用瞬態(tài)分析（下）計算犧牲部件在實驗室腐蝕暴露試驗（上）期間的厚度損失。 圖注：0.5 毫米厚犧牲陽極

圖 7. 利用瞬態(tài)分析（右）研究鋁鉚釘的溶解過程（左）。

仿真 App 助力前沿設計

在創(chuàng)建數值模型后，Gallant 又使用 COMSOL Multiphysics 軟件中的“App 開發(fā)器”工具開發(fā)了一個可與同事們共享的仿真App。利用公司內安裝的 COMSOL Server™ 產品（圖 8），他可以通過網頁瀏覽器快速部署仿真 App、管理用戶、應用定制品牌，并根據需要分享更新。同事和客戶可隨時隨地通過網頁瀏覽器登錄，訪問這些仿真 App。

圖 8. 通過網頁瀏覽器訪問顯示 NRC 商標的 COMSOL Server™ 視圖。

圖 9 顯示了專門計算多材料復雜裝配的電偶腐蝕現象的仿真 App，使用者可以選擇裝配組件，并定義電解質厚度、對流和溫度。在仿真 App 運行期間，用戶可以生成電解質電位、電流密度和電極厚度變化的可視化繪圖。利用由 NRC 編寫的 MATLAB® 或 RStudio® 腳本，用戶還可以導出定制的結果報告，以便進一步分析數據，并按照客戶提出的規(guī)格進行調整。

圖 9. 用于分析復雜多材料裝配電偶腐蝕行為的仿真 App。上：整個裝配中的電解質電位。下：整個裝配中的電流密度。

不僅如此，仿真 App 還加強了負責整車性能開發(fā)的工程師與腐蝕工程師之間的溝通協作。使用仿真 App 之前，如果改變幾何結構或更換材料的做法不是常規(guī)操作，或者造價更高，開發(fā)整車性能的工程師往往會選擇避免這些改變，因為他們無法清晰預見這些變化帶來的好處。全面部署仿真 App 后，腐蝕工程師可以為設計人員提供更詳實的理論依據，并明確指出腐蝕產生的位置和原因。

“我們的下一階段目標是讓 ALTec 成員能夠在仿真 App 中選擇汽車的裝配位置，這款專業(yè)的預測工具可以幫助他們更加準確地表征模型中的電解質。COMSOL Server 開啟了近乎無限的可能性，卓越的靈活性使其能夠輕松適應客戶的具體需求。”Gallant 評論道。

在輕量化設計中獨占鰲頭

多物理場仿真和仿真 App 降低了在設計進程中選擇合適材料和幾何結構的難度，為推動鋁材料在新型輕量化設計中的應用提供了有力的支持。加拿大國家研究院的研究團隊及其行業(yè)合作伙伴將不懈地致力于鋁合金制造業(yè)的技術革新，推進鋁合金在汽車輕量化設計中的應用，進而為整個汽車行業(yè)的發(fā)展做出貢獻。