世界钢协未来钢制汽车项目（Future Steel Vehicle）简介

未来钢制汽车计划（FSV）的目标是为紧凑型的电动汽车（BEV）提出一个能制造出完全不同的钢制车身结构的详细设计构思，也确认了为适应大的插电式混合动力车（PHEV）或燃料电池车（FCEV）车身结构的改变。这篇文章将说明七个经过优化的车身的子部件是如何达到减重35%，同时满足安全要求和整个寿命周期内碳排放目标要求。该文章也将对先进的设计优化过程和相应先进的钢材和制造技术概念进行解释。

“未来钢制汽车计划（FSV）”是世界汽车钢（WorldAutoSteel）项目，该组织为世界钢铁联盟下属的汽车钢组，共包含全球范围内17家大型钢铁生产企业。“FSV计划”是一个涉及几百万欧元资金，为期三年的计划，旨在发展出安全、重量轻及采用先进高强钢制造的车身结构，该新型车身结构能够满足电动汽车的不同要求和减少汽车在整个寿命周期内的温室气体（GHG）排放。GHG气体指的是大气中能够加剧地球温室效应的气体，这些气体能够吸收地球表面的热量，使热量在地球表面和大气层之间进行循环，导致地球表面的平均温度升高。“FSV计划”将会阐明用先进高强钢来制造车身结构，减轻汽车重量和减少GHG气体排放。本文说明了“FSV计划”中的相关的钢铁技术和设计构思，及第二阶段现已所获得的结果。

“FSV计划”中工程技术人员关注的焦点是提出一种新的全局性的开发设计方法，目标是开发出具有创新性的整车布置和优化的车身结构的先进汽车，该车将会使用一系列在2015年至2020年之间比较成熟的先进钢铁材料和制造技术。

“FSV计划”主要分为三个阶段：

阶段1：工程研究（已完成）

阶段2：构思与设计（至2010年）

阶段3：展示和具体实施（至2011年）

第一阶段主要是对将来适用于2015年至2020年之间的，先进汽车动力系统和适合批量生产的未来汽车技术进行综合性评价和验证，该阶段所获得的结果在另外一篇报告中有阐述。

图1-1 “FSV计划”的整个设计优化过程

“FSV计划”已进行到第二阶段的中间阶段，优化设计采用先进高强钢制造的车身结构，主要涉及到4种不同的汽车，电动汽车（BEV）和插电式混合动力汽车（PHEV-20），属于A级/B级汽车；插电式混合动力汽车（PHEV-40）和燃料电池汽车（FCEV），属于C级/D级汽车。本文主要说明了第二阶段中从T1到T4的工作内容，包含对门槛（the rocker）、B柱、顶盖、前纵梁和后纵梁、前上承载梁（front upper load path）和电池中通道梁（battery tunnel load path members）七个部件的结构优化。整个设计过程示意图如附录中图1-1所示。

第一阶段主要完成了汽车的技术规格说明和确定了汽车的总体布置，汽车的总体布置展示了先进动力系统模型的主要构件及相应的工程内容，这些动力系统已经被证实将会在2015-2020年间在汽车市场上广泛运用。表1.1是第二阶段要开发的汽车上备选的动力系统性能参数。

表1-1 备选的动力系统及性能参数

“FSV计划”的工程技术人员推荐将续航里程范围为250Km的电动汽车（BEV）作为第二阶段详细设计的重点关注内容。BEV的动力系统是备选动力系统中最重的，用先进钢来制造汽车车身并且要求降重，这会很具有挑战性。因而，对BEV汽车的车身进行结构优化则很有必要。BEV汽车的车身详细设计优化，完全可以扩展运用到PHEV和FCEV汽车。

A级/B级的BEV汽车车身重量目标是190Kg，并且要满足2020年的安全规定要求和整个寿命期间的排放要求。车身重量190Kg这一目标，要比基准车身重量轻35%，这要比ULSAB-AVC计划的减重25%要高出很多。

为了达到这一具有挑战性的减重目标，BEV汽车车身设计方法包括了使用一系列先进高强度钢材、采用先进的钢材加工技术、对多个车身部件、形状、使用材料及规格进行优化。传统汽车车身的设计目标主要关注碰撞安全性、车身的总体刚性、震动噪声、耐用性和可加工性。“FSV计划”的车身设计目标在传统汽车车身设计目标的基础上（涉及汽车重量及成本），运用了一种评价汽车在整个寿命周期中碳排放量的方法，以此来促使减少汽车碳排放。该碳排放量评价方法，协同汽车设计优化技术、材料、设计目标和解决方案选择标准，希望能够在可接受的制造成本的基础上，共同促使汽车进一步的减重和减少碳排放。本文对该方法进行了说明，并且希望能够提出一个可供其它汽车计划参考的路线图。

“FSV计划”中值得称赞的车身开发设计优化过程（见图1-1）希望能像大自然那样，具有很高的能量和资源使用效率，创造出与以前完全不同的、非直观的车身外形和优化了的车身结构。因此，这就进一步的推动了要采用可减轻车身重量的钢材。

“FSV计划”中借助整车分析，对所用钢种类的选择、材料规格和厚度进行了优化。

“FSV计划”在设计开发过程中使用了汽车在整个寿命周期内的CO₂排放量（LCA）评价方法作为技术方案选择的标准。LCA评价方法考虑了汽车的整个寿命周期内产生的CO₂排放量，包括了制造汽车所用的材料、汽车制造过程、使用过程和最后的回收过程，以及汽车整个寿命周期内的燃料消耗。

因此，基于UCSB的GHG材料对比模型，汽车的各子系统的减重对车的全部气体排放影响的LCA结果，进一步说明了使用先进高强度钢制造汽车，减轻汽车的重量具有重要的意义。注意：这里提到的CO₂只是多种加剧全球温室效应气体中的一个代表，也包括其它可产生温室效应的气体。

“FSV计划”的整个设计过程如图1-1所示，第二阶段的工作主要是从T1到T6的一系列任务。正如前文所提到的，本文主要涉及目前已完成的从T1到T4的内容。

在第一阶段技术评价之后，对动力系统布置、车内部空间大小、乘员的出入要求、驾驶员的视野情况、行李箱容积大小要求、人体工程学和车身内部件（如转向柱）的研究，确定了各部件和车内乘员空间的要求。汽车外部总体布置示意图，如图2-2所示，该外形样式为确定汽车外型框架提供了必要的数据。

接着借助计算机流体动态模拟技术（CFD）改进汽车外形的气动阻力，使空气动力学参数Cd达到0.25这一目标，完成了汽车的外形设计，也满足之前相关研究的要求。

“FSV计划”中原始设计外形与最新设计外形的空气动力学性能对比如表2-1所示。从表2-1中可以看出，原始设计外形的Cd值0.354要比0.25这一目标值高42%，经过对设计进行一系列的修改，最终设计外形的Cd已降低到了0.237，而A级/B级车外形的Cd一般为0.31。最终设计外形的效果图，见图2-3C，这是未加后轮罩的效果图，加上后轮罩后汽车的空气动力学参数Cd将会增大到0.252，但是加上后轮罩更符合买家的意愿。

表2-1 空气动力学性能结果

图2-2汽车外部总体布置示意图

结构优化的任务就是根据第一原则，应用如图2-4所示的结构空间提出初始的汽车结构。该汽车结构布置考虑了汽车外形样式（图2-3C），以及后面要考虑的零件和乘员布置（图2-3A）。“FSV计划”设计出这种结构模型也考虑了以下几种可能承受的载荷：三种径向载荷（IIHS 40% ODB偏置前撞、NCAP前撞、FMVSS 301-70%OBD后撞），两种横向载荷（IIHS侧撞、FMVSS 214柱撞），一种垂直载荷（FMVSS 216顶盖撞击， IIHS 4倍强度重量比），以及弯曲和扭转静态刚度。结构优化是一种线性的静态分析，用等效静态载荷模拟那些动态的非线性的碰撞过程，其反作用于汽车质量惯性负荷，如图2-4A所示。图2-4A中所示的对冲击载荷的线性近似，反作用惯性释放约束，表示了汽车部件的质量。

这种静态分析的方法不管施加的碰撞负荷和零件质量的作用负荷，允许负荷路径在可用的结构空间内。“FSV计划”中先进的动力系统导致独特的质量分布问题，是该计划考虑的重要方面。

图2-3  FSV空气动力学性能及外观样式研究

图2-4 结构优化结果

有限元分析网格表示可用的结构设计空间，将不必要的结构去掉，在剩余的空间内结构存在（图2-4A），结构优化找出最佳的承载路径。通过测量应变能确定结构件的作用，依据其作用大小来决定是否将该结构件去掉，当剩余结构最有效，不需要再去除结构。

汽车减重也是进行优化的目标。基于以上分析，结构优化的目标为减重30%，20%和10%。

基于结构优化的结果（见图2-4B和C），形成了如图2-4D所示的CAD几何模型。这个几何模型显示了“FSV计划”汽车设计的最初几何框架，并且为下一步的优化过程打下了基础。通过更好的理解承载结构，其常导致非直观方案，不同的减重目标支持工程决断确定整车不同的结构。这一方法将更深入的理解转为结构制造的最佳负载路径。

虽然结构优化可以为“FSV计划”中的汽车设计提供最初几何形状框架，但是它也具有一定的限制，比如对动态的撞击载荷只能进行近似的静态估算，并未考虑结构部件的材质的差异。一般来说，最初汽车构件的材料选择是基于工程判断和相关人员的经验。在T2阶段静态负载路径优化的基础上，T3阶段将承载路径的优化移到了动态设计领域（LS Dyna动态有限元程序）和运用多准则设计优化程序（HEEDS® Multidisciplinary Design Optimization Program）。T3阶段也将对主要承载部件的几何横截面，材料及其规格进行低保真度优化，即LF3G设计优化。

LF3G设计优化的结果展示了在动态分析领域的结构件及其大概的材料种类及规格，横截面的几何形状，为进一步的确定制造工艺、不同部件的连接设计和局部的尺寸优化打下基础。LF3G设计优化的效果如图2-5B所示。图2-5A是T2阶段进行优化后的效果图，将图2-5A和B进行对比可以看出由静态设计到动态设计的效果差异。

从图2-5B可以看出，LF3G设计优化的几何形状仍然没有明确的表现出不同结构部件便于进行加工或装配的几何形状。为了对LF3G设计优化的效果进行的补充，需要一个具有代表性车身结构作为参考。

图2-5 车身结构对比

为了给LF3G优化设计对结构、材料种类及规格、几何尺寸优化提供一个符合要求的车身结构，采用了当前基本车身结构（图2-5）。该基准车身结构包括了当前常见的制造工艺，连接设计，广泛采用了先进高强度钢，并且提供了车身结构重量、各子系统重量、零件数、制造成本预算和其它可供对比的设计过程。

通过对比图2-5B和C可以看出，LF3G优化设计的车身结构和参考车身有重复的地方，图2-5C显示用钢来制造的基准车身结构，经过计算重量应该为218Kg。

经过LF3G设计优化的车身结构是对其进行子系统优化的基础，是边界条件的来源。对车身结构模型载荷分布图的分析可以得出车身结构中最重要的承载子系统，载荷分布图考虑了图2-6中的所有载荷情况。基于载荷分布图，运用多种制造技术，对车身结构中的七种子系统进（如图2-7）行了优化。

图2-6 T4各子系统承载分布图

图2-7进行优化的七种子系统示意图

优化的目标就是将各子系统的质量最小化，同时保持各子系统在LF3G模型受到各种冲击载荷时的总应变能不变。

通过对各子系统的3G优化，已经确定了各部件的材料强度及规格，给出了减重方案，并且满足结构性能要求的目标。优化过程中考虑了相应的加工制造技术，以确保各子系统的可加工性，但是细节性的制造问题还没有完全确定。

以门槛为例，可使用先进高强度钢运用冲压，辊压和液压成型三种不同技术进行加工制造（见图2-8）。值得注意的是，门槛也可使用铝合金来制造，是表征钢制构件是否有竞争性的一个参照。“EDAG工程”提出并发展了通过铝合金挤压成型来制造门槛，他们专业生产铝合金汽车结构件，同样进行设计优化，使用先进的技术方法，是钢制结构件的一个重要竞争对手。

图2-8 先进高强度钢的门槛制造方案选择

选择哪种方法来制造门槛，还要进一步考虑材料采用哪一种基板（见图2-9），从图2-9中可以看出，现在或到未来的2015-2020年间，钢材的加工制造技术是很多样的。这12种加工门槛的方法中任意一种，汽车性能是一样的。

图2-9门槛的多种制造技术

对各子系统的加工技术的进一步说明，为确定毛坯的尺寸和重量、零件的重量和其它制造相关的参数打下了基础。这些参数的确定可作为进行技术成本和制造成本估算的基本参数，但该阶段的任务不包含装配成本估算。

在七个优化子系统结构中，与常规方案相比，以更低成本或相当成本明显的降低车身质量、减少温室气体排放的方案是最佳方案。下一步就是要从多种加工制造方法中选出最合适的方法。工程技术人员进行选择的重要依据就是重量、成本和整个寿命周期内的温室气体排放量。除此之外，也要考虑2020年的技术水平和不同技术间的兼容性。选择准则的具体形式如图3-1，成本-减重图和成本-温室气体排放图所示。

图3-1 不同方案间进行选择的示例

在设计先进动力系统汽车（如BEV）时质量与成本图是新概念。与设计常规汽车时不同的是，先进动力系统汽车通常优先选择质量轻的方案，这是因为高成本的电池更倾向要求减重。例如，“FSV计划”第一阶段的研究结果表明，到2015-2020年间，汽车每减重1Kg能够减小电池的容量0.021KWh（续航里程达到250Km的电池），即大概能节约电池成本9.39美元。因此，汽车制造商将更倾向于制造重量轻的汽车方案，相应的制造成本要比常规的汽车高，但是总的制造成本能平衡下来。汽车重量减轻也有利于提高汽车在使用阶段的燃油使用效率，这是一个额外的好处。因此，重量轻成本高些的方案比较有吸引力，主要是昂贵电池或动力系统的减小可以弥补制造成本的升高。

可通过图3-1A进行说明，该图中有一系列的等价值平行线，可对比评价不同方案的总制造成本。落在同一组平行线内的两个方案具有相同的制造成本，主要是由于动力系统成本降低，补偿了减重的成本。例如，图3-1A中的红点和蓝点显示了两种不同的方案，红点减重要比蓝点高30%，但是成本却要高上三倍，由于红点和蓝点在同一组平行线之内，这两种方案有同样的总制造成本。

碳排放量-成本图（图3-1B）也可用与减重-成本图同样的方法进行分析。传统基金会组织研究表明，未来每排放1吨的温室气体，成本大约为100美元。运用该数据可以在碳排放量-成本图中划出一系列的平行线，通过减重减少的碳排放量，与相应的排放成本进行对比。图3-1A中的蓝点未能减轻足够的重量，但是能够减少足够的温室气体排放量（见图3-1B），因此，从环境的角度来看，该蓝点代表的方案则是最佳的。因此，如果接受了碳成本，人们在图3-1B中，应用等价值线评价替代方案。

经过一番比较，根据汽车的设计目标，一个最佳方案便可以确定下来。对于“FSV计划”一个很关键的目标就是在可接受的成本范围内减少碳排放量，所以这个蓝点代表的方案是比较合适的，选择的准则就要是考虑低成本方案，减重方案和低的温室气体排放方案。

3.1和3.2中所讨论的比较方法，已经被运用到“FSV计划”中设计的BEV汽车车身结构的各个子系统的加工制造方法选择上，重点考虑重量、成本和整个寿命周期内的碳排放。图3-2A和B是两个比较图，展示了“FSV计划”中车身门槛子系统的12种制造方案的数据，重点考虑比较重量、成本和温室气体排放这三个指标。

图3-2A 门槛制造技术的成本-重量图

图3-2B门槛制造技术的成本-碳排放量图

这样就提出了一个工程评判的基准。前文提到的用铝合金挤压的方法来制造门槛，与钢材相比在重量、成本和碳排放量上都不具有竞争力。图3-2A和B给出的另一个信息就是不同制造技术实施难易程度的比较。绿色的方块代表现在比较成熟的技术；蓝色的方块代表是正在发展的技术，并且在2015到2020年间有可能熟练实施的技术；粉色的则代表2020年以后才有可能实现的技术。

通过运用这种数据，设计工程人员可以针对不同的设计要求，找到合理的解决方案，比如：

1.要求成本最低（辊压成型，如图3-2A中的红星）

2.重量最轻，最高的燃油经济性（激光焊管的液压成型，图3-2A中的灰星）

3.最低的制造成本和最高的燃油经济性（不等厚轧管的液压成型，图中的黄星）

4.展示现有的基础制造方法（激光拼焊板的冲压成型，图中的橙色星）

5.碳排放量最少（不等厚轧管的液压成型，图3-2B中的绿星）

“FSV计划”中门槛有好多种辊压成型工艺都可选择，具有较低的制造成本和碳排放量，同样多种液压成型工艺也可以满足设计的要求。这个数据图是一种对不同制造方法进行比较的有效工具，可确定出最佳的制造工艺。

全部七个子系统的制造方法比较图在第二阶段的“FSV计划”钢材制造技术评价与设计优化报告的附录中有详细说明。

随着电动汽车动力系统的发展，减轻汽车重量也变得越来越重要，因为汽车减重意味着可以减小电池动力系统的容量。汽车重量减轻，但大量使用高碳排放量的材料制造，这将导致汽车在整个寿命周期内的碳排放量增加。基于这个原因，在汽车的设计阶段就非常有必要将碳排放量分析作为考虑的因素，以确保在汽车减重的情况下，不影响汽车的碳排放性能。“FSV计划”展示了通过运用先进的钢材和制造技术可以减轻汽车重量，减小电池的尺寸，并能够降低温室气体的排放。

同时也展示了未来模仿大自然本身的设计效率的设计优化过程，创造出全新的非直观的结构部件。材料和结构性能要求确定的条件下，可得出车身最轻的设计方案。运用这种优化过程可以对车身进行设计和结构优化，对车身上的七种子系统进行了进一步的优化，主要是由于其是承载的关键部件。

对车身结构和关键的车身结构子系统进行电脑设计和优化，有助于工程设计人员发现有助于进一步减轻车身重量的部件。“FSV计划”中通过运用新出现的先进高强度钢和先进的制造技术，可以实现汽车的轻量化。对各子系统进行优化的过程中，各子系统都有多种优化方案可以选择，运用了UCSB的碳排放对比模型对成本和重量进行综合考虑，最终可以设计出一种高效、重量轻、碳排放量低的汽车结构。

除了本文中展示的已完成的任务，工程技术人员接下来的任务就是将子系统进行进一步的优化，并将整个车身模型进行整合。第二阶段紧接着是T5和T6，即详细设计和设计确认阶段。FSV计划”其它任务及结果将会包含在2011年的最终工程报告中。