刚度和强度在生活中的应用,强度和刚度的关系论文

首页 > 实用技巧 > 作者:YD1662023-11-17 11:09:49

另一边,真正影响碰撞安全的,是车身结构的强度——请把重音落在“结构”二字。

结构强度是不容易被量化的,能被量化的是材料强度(多少多少兆帕)。结构的强度,要和“材料的强度”分开看。车企都很喜欢强调自己使用的钢材,是“高强度钢”、还是“超高强度钢”、强度达到了多少多少兆帕(MPa)等等。这些都是在描述材料强度,但你最好心里明白:材料强度≠结构强度。

道理也很简单,人体头发的抗拉强度能达到260MPa,已经达到了车用高强钢的屈服强度,但你不会真觉得自己头发比车用钢坚固。材料强度仅仅是一个基础变量,除此之外,部件的结构设计、物理尺寸、(上升到整车层面后)部件与部件的连接,共同决定着部件/整车的结构强度。

好比用砖砌墙,用上了最好的砖,不代表最后砌出最结实的墙;把墙码得更厚、用粘性更强的水泥、上钢筋加固,都可以让更差的砖砌出更好的墙。而真正决定房屋质量和人命安全的,是墙整体的强度,而不是单块砖的强度。

刚度和强度在生活中的应用,强度和刚度的关系论文(5)

红色铸铝,紫色超高强度钢

刚度和强度不仅不能划等号,在某些时候,二者间还需要权衡。

比如我们耳朵听出茧子的“超高强度钢”,对于车身强度基本百利无一害,但对于刚度却未必。因为碰撞法规既定,车企对于整车碰撞时的车身强度是有一定标准的。那么如果使用更高强度的钢材,比如从高强度到超高强度,在整车强度标准不变的情况下,在减重的大趋势下,几乎必定会使用厚度更薄的超高强度钢。

但决定刚度的变量只有两个:材料的弹性模量、厚度与横截面积。其中,弹性模量几乎只取决于材料的材质。强度高低的不同钢材,弹性模量的差别却很小,只要同为钢材,刚度就只与厚度/截面积有关。这样一来,就可能出现超高强度钢材用得更多,车身刚度反而下降的现象,进而引发为了安全和减重,而影响到整车NVH表现的尴尬。

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特斯拉Model Y铸铝后车身的加强结构

所以千万不要听到大比例的高强度、超高强度钢,就觉得“高高宜善”、尽是好处没坏处,车身材质的复合化才是大势所趋。高端车、高性能车大量使用铝材和碳纤维,奥妙也在于此。铝材的弹性模量只有钢的1/3,然而因为铝比钢轻得多,并且铸铝可以自由设置加强结构,于是当使用了铝材,可以灵活地在关键部位增加厚度,最终在减重的同时还能够保证/提高刚度。

这么说来,解决问题的办法倒也简单。要么动用钞能力,在不同的位置用适当的(昂贵)材料,超高强度钢、铝尤其是铸铝、碳纤维都往上招呼,同时还要为不同材料之间的连接(钢铝不能焊接),做工艺与流程上的(昂贵)准备,最后产线一响、黄金万两。

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要么把车做小把空间做小,更小的车身意味着重量更低、减重压力更小,更小的空间需求允许使用更厚的材料来增加截面积提高刚度,以空间为代价在有限成本下换取性能。

只不过,在同等价位下把车做小、把空间做小,本质上也可以看作是另一种表现形式的,钞能力。



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