高强钢在量产车型轻量化中的实际应用

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【汽车轻量化在线】高强钢在量产车型轻量化中的实际应用

□安徽江淮汽车股份有限公司/ 王志娟 戴秀浪 刘秉翼

本文介绍了某车型左右后包角加强板采用0.8mm厚度高强板替换1.0mm普板案例，采用试模验证结合有限元数值分析方法，通过系列高强板与普板成形性能、压溃性能、静力分析、自由模态分析、成本等方面对比分析，得出高强板在量产车型中替换普板使冲压件厚度减薄进行轻量化的方案是可行的。

汽车轻量化研究已经有几十年，随着环保及能源的要求变化，轻量化已经成为一个很重要的话题。据分析，减少汽车自重是降低汽车燃油消耗及减少排放的最有效措施之一，其中，增加钢板强度、减小钢板厚度或者截面尺寸是减轻汽车自重的最有效手段。

目前，高强度钢和超高强度钢在汽车制造中的比例不断增大，被广泛地应用于汽车车身、底盘、悬架及转向等零部件上，因此用高强度钢板代替普通的低碳冷轧钢板是汽车钢铁材料今后的主要发展方向之一。

左右后包角加强板轻量化方案1.左右后包角加强板现方案

左/右后包角加强板零件（一模两件）如图1 所示，共3 道工序，OP10：落料；OP20：拉延；OP30：切边冲孔。

图1 左/右后包角加强板零件

拉延模结构如图2所示。左右后包角在整车中的位置如图3所示，黄色产品件是左右后包角。

图2 拉延模件

图3 整车数模

该冲压件原用材为1.0mm厚度SPCEN材料，详细信息见表1所示。

表1 冲压件板料基本信息

2.左右后包角加强板轻量化方案

针对该零件的轻量化方案，拟采用高强钢进行替代。初步方法将材料厚度降低到0.8mm厚度，材质选用M170P1、M210P1以及H340LA。

试验材料力学性能及其他性能指标如表2和表3所示。

成形性能分析

针对左、右后包角加强板零件减重20%的轻量化要求，采用有限元数值模拟和现场试冲验证的方法，从零件的成形性、刚度模态特性、成本等方面进行综合分析，提供最佳的选材方案，最终达到减小车身质量的目的。

表2 材料力学性能

表3 材料其他性能参数

1.冲压件成形有限元数值分析

图4为右后包角加强板零件数模（左右对称），根据零件数模采用DYNAFORM有限元软件进行工艺补充，设计拉延模模面模型，计算坯料形状，建立拉延成形有限元模型如图5所示。不同牌号成形分析结果如表4所示。从零件成形模拟结果可以看出，出现最大减薄的位置在零件的边缘部分，其中采用H340LA的零件减薄率高达27%（一般认为减薄超过30%时开裂风险高）；而M170P1和M210P1的减薄率与SPCEN的零件减薄率相当，约为15%，成形安全裕度相当。

图4 右后包角加强板零件数模

图5 拉延成形有限元模型

2.试冲验证

取0.8mm 厚度的H340L A、M170P1、M210P1材料各20片，到冲压车间进行试模验证。由于料厚减薄，试冲高强板板料时，模具闭合高度、压力需要重新调试验证。试模结果表5所示，可以看出，H340LA材料冲压零在边部出现了开裂，而M210P1和M170P1材料试模零件均合格，该试模结果与有限元模拟结果一致。冲压件精度均符合要求（内板件精度要求≥95%）。

3.成形性分析小结

采用有限元分析与试模验证的方法，对0.8mm厚度H340LA、M210P1和M170P1材料的成形性进行分析验证，从分析结果来看，M210P1和M170P1材料可以满足该零件的生产。

结构刚度与模态特性分析

为了确定最佳的材料选用，对不同材料生产的零件进行压溃性能、静力分析、自由模态分析等进行分析。

表4 成形性能数值分析结果

表5 不同牌号试冲结果

1.压溃性能分析

通过以上方案分析，得出以下4点结论：

该零件为成形性加强板零件类型，需要较高的压溃性能，压溃强度与压溃吸能公式如式（1）、式（2）所示。

根据以上公式，结合表2材料性能参数，计算的压溃强度与压溃吸能结果如表4所示。

可以看出，采用0.8mm 的M170P1，其压溃强度与压溃吸能较1.0mm的SPCEN有所下降，但差异有限；M210P1与SPCEN性能基本相当。

2.静力分析

为了评价采用不同厚度、不同材料的右后包角加强板零件，在受相同静力加载时零件的变形情况，选择在零件中部施加100N垂直于零件表面的静载荷进行静力分析。图6所示为零件的受力约束，静力分析的结果如表7所示。

可以看出，由于厚度的降低，M170P1材料的最大变形量比原SPCEN材料零件增加，M210P1材料与SPCEN变形量相当。

3.自由模态分析

通过自由模态的分析，对结构本身的尺寸、材料、振动情况进行对比分析，确定结构的动态特性，即振动时结构各部件的状态优差等。表8为采用不同材料零件的一阶自由模态分析结果。

表6 压溃强度和压溃吸能计算

图6 静力分析受力约束图

表7 压溃强度和压溃吸能计算

根据对大量试验结果可以发现，整车模态匹配的主要频率范围是10～80 Hz，此频带基本包括了路面激励频率和发动机怠速频率，在此频带内集中存在了发动机刚体模态、悬架模态、车身总体模态、主要操纵结构的共振和一些平面的局部共振。

从以上分析的结果可以看出：0.8mm厚度的M170P1、M210P1材料的一阶自由模态值比1.0mm厚度的有所降低，但均在整车模态共振频率范围80Hz以上，不容易引起共振。

表8 压溃强度和压溃吸能计算

表9 轻量化方案成本分析

成本与减重分析

左右后包角加强板采用M210P1-0.8替换SPCEN-1.0材质，单台可以降低成本2.12元，单台减重0.28kg，具体信息见表9所示。

结言

式中，Ps为压溃强度；AE为压溃吸能；σb为抗拉强度；n为常数。

1）在零件的轻量化选材方面，材料的成形性起决定性作用。从有限元数值模拟分析和试模验证的结果为，H340LA不满足该零件的成形需要，而M210P1和M170P1材料可以。

2）为考察厚度降低0.2mm厚度后，M210P1和M170P1材料零件的结构刚度等性能的变化是否满足要求，对两种材料及原材料进行压溃性能技术、静力分析和刚度模态分析，结果各项指标M210P1均略好于M170P1，M210P1与SPCEN基本一致。

3）从材料成本分析来看，M210P1比SPCEN单台可以降低成本2.12元。

4）厚度的降低需要强度的补偿。M210P1比SPCEN单台可以减重0.28KG，轻量化率20%。

综合考虑，左右后包角轻量化方案为：0.8mm厚度的M210P1替代1.0mm厚度的SPCEN。