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德国DLR "下一代汽车项目"轻量化思路和策略

2018-8-3 13:40 752 0
简介
德国DLR车辆概念研究所正在研究通过优化策略来减轻汽车重量的措施,这些优化策略包括调整设计和主要部件要求。在选定的优化策略基础上,改进门槛结构,以满足特定的能量吸收和对乘客舱的侵入要求。轻量化一词在当今 ...

德国DLR车辆概念研究所正在研究通过优化策略来减轻汽车重量的措施,这些优化策略包括调整设计和主要部件要求。在选定的优化策略基础上,改进门槛结构,以满足特定的能量吸收和对乘客舱的侵入要求。

轻量化一词在当今的车辆开发中具有非常高的优先级。轻型结构的目标是以最小的重量满足立法者和客户设定的车辆要求(例如车辆安全性,驾驶舒适性,燃料消耗,成本)。降低车辆质量也是帮助降低汽车能耗的重要因素。

德国航空航天中心的下一代汽车(NGC)研究项目正在对未来三种新车进行概念设计。技术发展面向2030年至2040年这段时间。目的是在车辆设计,车辆结构,动力和热力管理,车辆智能和动力传动系统方面联合开发不同的技术,方法和工具,用于未来车辆的整体开发,图1。

Figure 1

Research structure of the Next Generation Car (NGC) project with its six working groups: vehicle design, vehicle structure, energy management, power train, mechatronic chassis, vehicle intelligence (left) and the three vehicle concepts named Urban Modular Vehicle (UMV), Safe Light Regional Vehicle (SLRV) and Interurban Vehicle (IUA) (right), see also [] (© DLR)

为了能够得出具体的研究问题,已经定义和制定了三个基本的车辆概念:城市模块化车辆(UMV)是一种灵活的城市电动车辆,具有模块化和多材料结构。城市间车辆(IUA)具有杰出的长距离舒适性,舒适的内饰和主要由纤维增强塑料材料组成的车身。第三种安全轻型区域车辆(SLRV)是一种轻型且安全等级L7e级燃料电池车辆,采用铝泡沫夹层单壳体结构。

关于车辆结构,所有三种车辆概念的共同目标是实现轻质的同时具有安全的车身结构。

为了实现轻型和防撞的目标,必须系统地将模拟方法和结构优化过程纳入产品开发过程,同时考虑到缩短产品生命周期,例如,大众高尔夫模型(第1代至第7代车辆)已经减少了一半。

优化策略和步骤

为了实现具有最小质量和所需特性的最佳结构设计,需要对材料,制造技术和构造方法进行整体规划。通过应用此方法,可以显着减少产品开发期间的手动迭代次数,并创建满足概念阶段要求的设计。

结构优化任务可以根据其相应的设计参数划分为:

▸选择结构设计方案

▸选择材料属性

▸拓扑优化

▸形状优化

▸确定尺寸。

如果结合轻量化三要素考虑结构优化任务的细分,则可以在产品开发过程中创建可能的变化参数,如图2所示。

Figure 2 

Design parameters in the product development phase divided according to the lightweight trialogue — separate and extended display according to (© DLR)

在开发过程开始时,设计和材料选择主要通过技术可行性研究或成本分析来确定。根据预计的销售额,材料成本和现有制造工厂,以及其他方面,最便宜的变型需要根据每个相应车辆部件的设计和材料来确定。

在进一步开发过程中,拓扑优化尤其在初始阶段和概念阶段起着重要作用。这用于描述结构元件的基本布置和数量。最常见的拓扑优化是线性拓扑优化,但也有一些方法允许非线性拓扑优化。例如,将具有均匀分布的能量密度作为目标函数的"混合元胞自动机"(HCA),或者是专门为挤出轮廓开发的"基于图形和启发式的拓扑优化"(GHT)。

即使在开发的早期阶段,也可以在拓扑优化过程中考虑制造技术。特别是铸造,锻造和挤压制造。如果生产技术不受现有生产设施的限制,则除了连接技术选择之外还会进行生产技术选择。

为了使概念设计与目标保持一致,形状优化需要在概念阶段进行。这可以通过实证研究(轮廓几何的研究)或优化过程来完成。对于系列开发,只执行尺寸优化。尺寸优化一方面在组件本身上进行,另一方面是在相邻组件之间的连接技术、制造对机械性能的影响和生产本身上进行的,图2。

由于各种可能的组合,下面将介绍和分析目前用于轻型结构的优化方法和策略。作为开发新组件的第一步是定义构造方法,通过不同的构造方法(积分,微分,复合和混合设计)进行系统分类。

分析策略

为了进行分析并得出结论,需要将优化策略聚集到不同的组中。 在整个车辆层面,为此目的划分为车身,底盘,动力传动系和内饰等系统,如图3所示。对于燃油车,各系统重量百分比为:车身39%,传动系23%,底盘16%,内部16%和电子6 %)。 这种分布模式表明,轻量化优化的主要对象,将是优先考虑重量占比较高的系统。

Figure 3 

Percentage of optimisation strategies employed divided according to body, chassis, power train and interior as well as the breakdown of the body according to different construction methods (© DLR)

除了替代燃料和新能源技术(例如电池驱动系统)等节能技术之外,减少机动车辆二氧化碳排放的一个核心概念是减轻车重,尤其是在车身。这就需要具有高轻质结构潜力的创新解决方案。

研究中超过50%优化策略涉及创新轻质结构部件的优化方法,如混合结构,复合结构和夹层结构。 最大的份额仍由目前生产车辆中最常用的差别构造方法(36%)持有。 举个差别构造方法的策略的例子,图4。

Figure 4 

Generalised optimisation strategy for components in differential construction (© DLR)

这种方法的难点在于从拓扑优化中实现差异化结构中有意义的结构 。 从实施经验和知识,通过使用构建和规则目录到基于软件的解决方案,它可以实现自动推导。

形状优化和尺寸标注遵循CAD实施,通常考虑制造约束,特别是对于钣金零件。 在该步骤中,重要的是优化连接技术以减少重量和工艺成本。 在相关文献中描述了用金属板部件优化点状接头的示例性方法。

所描述的过程在第一步中以抽象的方式表示,并且必须不可避免地进行调整和详细说明。 这里通过要求或目标函数起到重要作用,根据该要求或目标函数,优化主体部件。 根据这些特定于组件的目标函数,可以选择适当的过程,例如拓扑优化。 在随后的形状优化中选择方法时也是如此(经验,基于几何的形状优化,基于网络的形状优化)。

每个车身由各种具有不同目标功能的部件组成。 这些品种使用NGC UMV的示例显示,图5.代表的是具有固定b柱的设计,其将集成到门中。 此示例的结果是总共七个类别的总和,这七个类别都满足特定功能,因此是目标函数或目标函数可以优化的位置:

▸乘客舱的结构需要高强度以保证乘员的生存空间。

▸刚度结构主要是顶部和后部区域的横梁,其特点是高惯性矩,为车身提供必要的刚性。

▸位于A柱和C柱区域的结构主要节点主要负责连接尽可能多的相邻结构。

▸能量吸收结构主要用于在发生碰撞时减少能量。它们位于底盘的前部和后部,也位于门槛区域。

▸补丁板主要增加结构的抗扭刚度,因此与车辆的行驶动力学相关。

▸外皮结构和安装部件专为特定问题而设计,例如凹痕或A级表面处理。

▸门和盖都符合人体工程学要求,但也是被动安全的相关组件。

Figure 5 

Aspects of lightweight construction and optimisation objectives in the various application areas of a car body, exemplary representation using the NGC UMV concept (© DLR )

NGC UMV侧碰性能开发

对于碰撞相关和能量吸收区域中的结构,以门槛形式的能量吸收结构的结构优化策略,包括下面的碰撞吸收器,作为示例示出。负载路径分析,尺寸确定和形状优化等应用于UMV的侧面碰撞概念,当设计车身地板概念时,在侧面碰撞杆的情况下提高碰撞性能。 该概念包括具有下面的能量吸收铝梯形夹层板的门槛轮廓,图6,其通过屈曲变形将动能转换成变形能量。

Figure 6 

Load path representation during a side impact against a pole (a), Representation of the cross section sill and sandwich crash absorber and the load transfer (b), Example of a sandwich crash absorber with trapezoidal core (c) (© DLR)

为了优化夹层碰撞吸收器,系统地选择了一种策略,采用"变形"方法来适应几何形状,从而确定影响夹芯的屈曲能量吸收的主要因素,并找到所研究参数的最佳组合,图7。

Figure 7 

Systematically selected optimisation strategy for the trapezoidal sandwich energy absorber of the NGC UMV concept (© DLR)

为了说明两种板材对效率水平的影响,输入两个参数的比率(η= tCore / tFacesheet)。 该比率对梯形夹层吸收器的失效行为有重要影响,如图8所示。如果比率较小(η= 0.25),则结果是全局欧拉屈曲。 相反,较大的比率(η= 2.0)导致稳定的屈曲,这对于高能量吸收和高效率是优选的。

Figure 8 

Influence of the sheet thickness ratio of outer layers and core on the absorption efficiency(© DLR)

通过应用优化策略,图7,与碰撞试验的初始设计相比,比能量吸收可以提高24%,侵入可以提高约30%。

结论和展望

能够实现减重的车身创新解决方案在于采用差异化策略的结构优化。这些必须适用于组件的设计和目标功能。针对所研究的门槛结构的策略改善了比能量吸收和进入乘客舱的入侵。

特别是在补丁板区域(例如端壁)中应用优化策略时可以实现更多的可能性。这里发现了更多的潜力,因为例如对于复合夹层结构特定优化可能性还没有被充分利用。

结构优化的挑战在于大量的优化参数,组合的负载类型以及组件在体内的位置。该位置构成了主要挑战,特别是对于碰撞载荷情况的优化,还必须考虑优化期间所需的计算周期等因素。

来源:Springer

作者:Michael Schäffer,Gerhard Kopp,Horst E. Friedrich

汽车轻量化在线翻译整理


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