鋁合金在汽車輕量化中的應(yīng)用：仿真引領(lǐng)汽車設(shè)計(jì)

近年來，隨著汽車制造商和消費(fèi)者環(huán)保意識的提升，汽車正向著輕量化的方向發(fā)展。當(dāng)車身重量減少 10%，汽車的燃油效率可以提高約 8％。為了實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)，制造商需要將傳統(tǒng)的車體結(jié)構(gòu)材料和車身材料（例如結(jié)構(gòu)鋼）與更輕質(zhì)的材料結(jié)合在一起。鋁（圖 1）的密度只有鋼的三分之一，具有耐候性強(qiáng)、回收利用率高、易于加工成型、防撞性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，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?yán)щy重重，其中包括：如何開發(fā)低成本的量產(chǎn)技術(shù)；如何在部分零件中用鋁質(zhì)材料替代原有材料，實(shí)現(xiàn)多材料裝配；如何降低因電解質(zhì)（如灑在道路上的除冰鹽）導(dǎo)致的相互接觸的異種金屬間產(chǎn)生電偶腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)（圖 2）。

圖 2.上：經(jīng)過一年在役暴露實(shí)驗(yàn)后，由碳纖維增強(qiáng)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(yùn)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(yùn)輸研究中心（Automotive and Surface Transportation Research Center）的技術(shù)主管，負(fù)責(zé)腐蝕控制技術(shù)以及耐腐蝕部件和裝配的研發(fā)工作。在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用中，單焊縫連接會(huì)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(shù)研發(fā)合作集團(tuán)（圖 4），共同致力于推動(dòng)鋁合金在輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，并為運(yùn)輸行業(yè)提供針對上述問題的技術(shù)支持和解決方案。

圖 3.車輛經(jīng)過 10 萬公里的公路行駛后，車輪和擋泥板之間經(jīng)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(shù)研發(fā)合作集團(tuán)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(wù)，但每個(gè)公司都高度重視腐蝕控制的相關(guān)項(xiàng)目。裝配腐蝕問題的預(yù)測能力對于鋁板產(chǎn)品制造商而言是至關(guān)重要的，只有充分了解腐蝕情況，才能確保產(chǎn)品以正確的方式進(jìn)行使用，保證可靠性等指標(biāo)達(dá)到預(yù)期要求。這對于汽車制造商而言也同樣重要，它關(guān)乎著汽車能否性能出色，經(jīng)受住時(shí)間的考驗(yàn)。

消除電偶腐蝕

汽車設(shè)計(jì)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(xiàn)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(jìn)行噴涂，或只噴涂陰極。然而上述方法對于實(shí)際應(yīng)用卻并沒有太大的意義，因?yàn)樵谡鎸?shí)條件下應(yīng)用這些方法幾乎是不可能的。舉例來說，如果安裝了機(jī)械緊固件，那么金屬與金屬之間必定存在接觸，而機(jī)械緊固件在異種材料裝配中有著極其廣泛的應(yīng)用。

物理測試可以揭示復(fù)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(xué)測試。檢查車載部件的測試既耗時(shí)又昂貴，而標(biāo)準(zhǔn)的循環(huán)腐蝕測試常常容易高估電偶腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。此外，如果材料還具有復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，電化學(xué)測試便更加難以提供準(zhǔn)確的結(jié)果。

研究人員發(fā)現(xiàn)，將物理測試和多物理場仿真分析結(jié)合使用，可以在制造物理樣機(jī)之前解決設(shè)計(jì)難題，加速耐腐蝕設(shè)計(jì)的開發(fā)進(jìn)程。

多材料裝配的腐蝕建模

根據(jù)由 COMSOL Multiphysics® 軟件得到的在役、循環(huán)腐蝕和電化學(xué)測試信息，Gallant 及其團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了靈活、易用的數(shù)學(xué)模型，可對腐蝕行為進(jìn)行預(yù)測。Gallant 解釋說：“為了創(chuàng)建能反映真實(shí)動(dòng)態(tài)過程的虛擬樣機(jī)，我們利用一組安裝在汽車上的傳感器對模型進(jìn)行了校準(zhǔn)。”團(tuán)隊(duì)借助模型獲取了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，并采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析程序和機(jī)器學(xué)習(xí)模型從數(shù)據(jù)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(shí)間、成分、汽車表面沉積的除冰鹽的電導(dǎo)率、車輛速度和 GPS 定位在內(nèi)的每一組數(shù)據(jù)。

在項(xiàng)目啟動(dòng)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(xiàn)，許多常見的軟件雖然允許用戶控制輸入，但是隱藏了內(nèi)部的計(jì)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(qiáng)大的腐蝕建模功能，同時(shí)支持從其他軟件中導(dǎo)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(jìn)行測試，我們可以在制作物理樣機(jī)之前，充分了解需要調(diào)整的幾何參數(shù)。”Gallant 解釋說。

Gallant 與團(tuán)隊(duì)成員構(gòu)建了由十多種材料和涂層構(gòu)成的復(fù)雜裝配（圖 5），并將其作為面向NRC潛在客戶的研究案例和實(shí)驗(yàn)室演示材料。由為期四天的實(shí)驗(yàn)室腐蝕試驗(yàn)得到的腐蝕破壞測試結(jié)果與仿真結(jié)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(zhǔn)確預(yù)測復(fù)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(xiàn)不合理設(shè)計(jì)的重要性。圖注： Painted and scribed material - 涂刻材料

團(tuán)隊(duì)通過 COMSOL Multiphysics 軟件研究了實(shí)驗(yàn)室腐蝕暴露試驗(yàn)中犧牲陽極的厚度損失隨時(shí)間的變化（圖 6）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果高度吻合。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果均可看出，因左側(cè)為尺寸較大且更為活躍的鋁部件，鋁鉚釘左側(cè)的溶解過程受到了抑制（圖 7）。右側(cè)為惰性碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，致使鉚釘右側(cè)受到了腐蝕。團(tuán)隊(duì)據(jù)此再次證實(shí)了仿真準(zhǔn)確反映實(shí)驗(yàn)結(jié)果的能力。

圖 6. 利用瞬態(tài)分析（下）計(jì)算犧牲部件在實(shí)驗(yàn)室腐蝕暴露試驗(yàn)（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?shù)娜芙膺^程（左）。

仿真 App 助力前沿設(shè)計(jì)

在創(chuàng)建數(shù)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(gè)可與同事們共享的仿真App。利用公司內(nèi)安裝的 COMSOL Server™ 產(chǎn)品（圖 8），他可以通過網(wǎng)頁瀏覽器快速部署仿真 App、管理用戶、應(yīng)用定制品牌，并根據(jù)需要分享更新。同事和客戶可隨時(shí)隨地通過網(wǎng)頁瀏覽器登錄，訪問這些仿真 App。

圖 8. 通過網(wǎng)頁瀏覽器訪問顯示 NRC 商標(biāo)的 COMSOL Server™ 視圖。

圖 9 顯示了專門計(jì)算多材料復(fù)雜裝配的電偶腐蝕現(xiàn)象的仿真 App，使用者可以選擇裝配組件，并定義電解質(zhì)厚度、對流和溫度。在仿真 App 運(yùn)行期間，用戶可以生成電解質(zhì)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(dǎo)出定制的結(jié)果報(bào)告，以便進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)，并按照客戶提出的規(guī)格進(jìn)行調(diào)整。

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

不僅如此，仿真 App 還加強(qiáng)了負(fù)責(zé)整車性能開發(fā)的工程師與腐蝕工程師之間的溝通協(xié)作。使用仿真 App 之前，如果改變幾何結(jié)構(gòu)或更換材料的做法不是常規(guī)操作，或者造價(jià)更高，開發(fā)整車性能的工程師往往會(huì)選擇避免這些改變，因?yàn)樗麄儫o法清晰預(yù)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(shè)計(jì)人員提供更詳實(shí)的理論依據(jù)，并明確指出腐蝕產(chǎn)生的位置和原因。

“我們的下一階段目標(biāo)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(yù)測工具可以幫助他們更加準(zhǔn)確地表征模型中的電解質(zhì)。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(yīng)客戶的具體需求。”Gallant 評論道。

在輕量化設(shè)計(jì)中獨(dú)占鰲頭

多物理場仿真和仿真 App 降低了在設(shè)計(jì)進(jìn)程中選擇合適材料和幾何結(jié)構(gòu)的難度，為推動(dòng)鋁材料在新型輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用提供了有力的支持。加拿大國家研究院的研究團(tuán)隊(duì)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(shù)革新，推進(jìn)鋁合金在汽車輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，進(jìn)而為整個(gè)汽車行業(yè)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。