汽車輕量化可以有效的實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。實現(xiàn)汽車輕量化主要從材料、結(jié)構(gòu)、工藝三個方面入手，而采用新型材料是汽車輕量化最直接也最有效的方法，因此很有必要對各種輕量化材料的力學性能進行深入研究。

　　由于節(jié)能環(huán)保的需要，汽車輕量化已成為必然趨勢。2013年中國汽車的平均油耗為7.5L/100km；國家規(guī)劃的節(jié)能減排目標為：2015年新車的油耗要下降到6.9L/100km，2020年達到5.0L/100km，因此汽車輕量化迫在眉睫。實現(xiàn)汽車輕量化的手段也有很多，包括材料、結(jié)構(gòu)和工藝三個方面。輕量化材料的應(yīng)用是汽車輕量化中最基礎(chǔ)，也是最核心的手段，受到汽車業(yè)界的廣泛關(guān)注。

　　常見的輕量化材料分為金屬和非金屬兩大陣營。金屬材料主要包括高強鋼、鋁合金、鎂合金等；非金屬材料包括工程塑料和復(fù)合材料等。這些新材料在實際應(yīng)用時會遇到多種多樣的問題，比如替換材料后汽車的安全性、舒適性、動力性、操控性、經(jīng)濟性往往都會有所改變，需要重新審視。其中安全性涉及到駕車和乘車人的生命安全，所以尤為重要，而汽車碰撞安全要求也在逐年提高，有限元仿真的方法是碰撞安全設(shè)計的重要手段，但如何才能準確的利用有限元仿真預(yù)測碰撞過程中的力學性能呢？答案是準確的材料力學性能表征。鋁合金材料優(yōu)點很多，它的密度是鋼的1/3，比吸能是鋼的2倍，延伸性好、耐腐蝕易回收，且其鑄造性能良好，可加工成不同形狀，是目前最為熱門的輕量化材料之一。目前很多車型如奧迪A8、捷豹XFL等均已采用全鋁車身，因此本文以鋁合金為主要對象，對其獨特的力學特性進行簡單的介紹。

　　鋁合金在車身上的應(yīng)用

　　鋁合金材料種類很多，汽車中應(yīng)用的主要包括2系、5系、6系和7系鋁，其形式包括板材、型材、管材及高性能鑄鋁。不同牌號鋁合金的力學性能也會存在較大的差異。傳統(tǒng)金屬材料力學性能參數(shù)主要包括材料靜態(tài)下的彈性模量、泊松比、屈服強度、抗拉強度、延伸率等，但汽車在汽車碰撞過程中所經(jīng)歷的高應(yīng)變率范圍往往在0-1000/s的量級范圍，且材料的變形/斷裂模式也不僅僅是單軸拉伸工況。這些加載條件的變化對鋁合金材料的力學響應(yīng)有很大影響。

　　那么如何較全面的表征鋁合金材料力學性能，獲得整車有限元仿真中所需要的數(shù)據(jù)呢？我們需要進行鋁合金材料不同應(yīng)變率的拉伸試驗，獲取材料的彈塑性數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，再進行不同應(yīng)力狀態(tài)的試驗，如剪切、拉剪、缺口拉伸、穿孔等，同時結(jié)合仿真，獲取試驗過程中無法獲取的信息，最終得到鋁合金材料的彈塑性和斷裂相關(guān)的數(shù)據(jù)。相應(yīng)的試驗所需要的設(shè)備有萬能試驗機、高速拉伸試驗機、落錘沖擊試驗臺、低高速相機、非接觸測量分析系統(tǒng)等。由于動態(tài)沖擊試驗實施和結(jié)果處理比較復(fù)雜，試驗成本遠比傳統(tǒng)的準靜態(tài)試驗要高。

　　測試系統(tǒng)：1-高速攝像機；2-工業(yè)CCD（靜態(tài)）；3-非接觸測量分析系統(tǒng)；4-萬能試驗機；5-高速拉伸試驗機；6-落錘沖擊試驗臺

　　首先我們來看某鋁合金材料的應(yīng)變率效應(yīng)，下面展示了準靜態(tài)拉伸和高速拉伸的試驗設(shè)置以及不同應(yīng)變率下某鋁合金材料的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線。在100/s單向拉伸時，為了防止發(fā)生“ringingeffect”現(xiàn)象，我們在試件上粘貼了應(yīng)變片進行測力。從試驗結(jié)果可以看出這種鋁合金材料的應(yīng)變率效應(yīng)較明顯；不同應(yīng)變率下的延伸率基本一致。

　　準靜態(tài)拉伸試驗

　　高速拉伸試驗

　　某鋁材料的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線（曲線標示結(jié)尾的數(shù)字代表重復(fù)試驗）

　　在汽車碰撞過程中，有部件會出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，而很多企業(yè)在前期開發(fā)CAE模擬的過程中并未考慮或者僅僅采用一個等效斷裂應(yīng)變值來表征材料的斷裂特性，但鋁合金材料在不同的受力狀態(tài)下的斷裂應(yīng)變差異很大，這對斷裂的預(yù)測非常不利，因此需要通過多種應(yīng)力狀態(tài)的材料試驗來獲取更加全面的斷裂信息，從而提高仿真預(yù)測精度。下面以某鋁合金材料為例，測試內(nèi)容包括了剪切、拉剪、R5缺口拉伸、R20缺口拉伸以及穿孔試驗，所有試驗均需要配合相應(yīng)的夾具在萬能試驗機上完成，采用工業(yè)CCD拍攝整個試驗過程，再通過非接觸軟件進行分析，獲取變形信息。

　　由于鋁合金材料形式種類較多，不同形式種類材料性能也不一致，如某些鋁合金的應(yīng)變率效應(yīng)不明顯就不需要進行多個應(yīng)變率拉伸試驗；某些鋁合金材料各向異性明顯就需要進行不同方向的拉伸試驗；鑄鋁材料斷裂表征時需要進行多種類型試驗（如下圖所展示），所以不同類型鋁合金的材料表征的試驗矩陣還不盡一致，需要具體材料具體分析。