新材料与工艺手册

[车身轻量化] 某车型车身轻量化设计

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发表于 2015-9-15 23:50:39 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本文通过对车身目标质量制定理论方法研究,确定轻量化车型车身质量目标,根据标杆车型或竞品车型结构、尺寸、材料、工艺手段的分析,初步制定车身轻量化方案,在方案实施后应用CAE手段分析该车身的性能,在达到车身性能的情况下,实现车身轻量化目标的实现。
        目前节能环保是汽车工业的发展大势,而控制车身重量是最直接的提高汽车燃油经济性和减少排放的手段之一,与此同时也有利于整个白车身的成本控制。目前我公司一代车型白车身的重量一般偏重,直接影响其在燃油经济性方面的竞争力,因此,有必要在本公司某车型概念设计阶段通过分析确定车体质量目标,在BIDDING(招标)、SE(同步工程工艺分析)数据各阶段监控重量情况,在NC(数控加工)数据发布之前满足车体性能目标的情况下,制定合适的减重方案并实施,从而达到车身质量目标。
        某车型车身目标质量设定方法
        车身质量是车型开发中一项重要的控制参数,必须在概念阶段做充分分析和研讨,并作为设计输入约束后期的具体设计。在车型概念设计阶段,希望通过整车尺寸参数,结合标杆和竞品车型分析以确定该车型车身目标质量。车身质量目标的分析计算目前还没有官方理论依据,根据与国外专家和设计公司讨论交流,结合本公司的实际情况,我们采用几种计算方法分析车身目标质量,最后根据各计算结果制定最终的目标值。在制定目标值时参考一些标杆车或竞品车型得结构形式、尺寸、材料及工艺等,且结构性能应该相同(C-NCAP或E-NCAP),工艺水平相差不多(主要指高强钢板比例以及先进成型工艺应用情况)。表1是总布置下的车型尺寸参数。
       

某车型车身轻量化设计

某车型车身轻量化设计

        1.设计构想书计算法
        设计构想书的定义是:在车身概念设计阶段,根据效果图和整车参数,根据标杆车和竞品车型,对车身所有部件的结构形状、材料、料厚和重量等信息以图示加表格的形式展示出来,作为后期断面、3D数据设计的依据,并在设计过程中达成构想书计划的方案、重量和成本等。表2为该轻量化车型设计构想书得到的车身目标质量,其数值为362kg。
        2.体积比较法
        体积比较法是国内外较为常用的计算方法,在计算时需要关注两车型类型相同,譬如普通三厢与三厢对比,两厢与两厢对比,SUV与SUV相比,另外,在对比时,两车型性能应有相同安全等级(指C-NCAP或U-NCAP)。计算公式如下:
        轻量化车型体积(L×W×H)/标杆车型体积(L×W×H)=轻量化车型车身质量/标杆车型车身质量
        式中L为车身长度,W为宽度,H为高度,单位都为mm。该车型选定标杆车型尺寸L、W和H分别为4430mm、1840mm和1663mm,白车身质量为408kg。根据以上公式计算,该车型目标质量为:
        轻量化车型质量=轻量化车型体积×标杆车型质量/标杆车型体积=4325×1730×1605×408/4430×1840×1663=361.5kg
       

某车型车身轻量化设计

某车型车身轻量化设计

        3.投影面积比较法
        投影面积比较法是目前日韩在计算车身质量常用方法。该方法和体积比较法一样,两比较车型需要安全等级相同。计算方法为两车身三视图投影面积相加之比等于车身质量之比。
        轻量化车型投影面积(L×W+W×H+H×L)/标杆车型投影面积(L×W+W×H+H×L)=轻量化车型车身质量/标杆车型车身质量
        同样该车型选定标杆车型尺寸L、W和H分别为4430mm、1840mm和1663mm,白车身质量为408kg。根据以上公式计算,该车型目标质量为:
        轻量化车型质量=轻量化车型投影面积×标杆车型投影面积/标杆车型投影面积=(4325×1730+1730×1605+1605×4325)×408(4430×1840+1840×1663+1663×4430)= 377.7kg
        通过以上几种质量目标推算方法的结果来看,该车型目标质量在362~378kg之间,确定车身目标质量为360kg。
       

某车型车身轻量化设计

某车型车身轻量化设计

        该车型白车身质量情况
        在BIDDING数模发布阶段,由于数模不完整,根据片体数模初步算出白车身质量374.1kg只能作为参考。该阶段车身质量计算不准确,也不考虑减重方案,因为该阶段主要是满足白车身功能和性能为主要工作方向。到SE阶段发布数据时,车身结构方案基本完全确定,经过两轮CAE分析验证,车身结构性能也能满足目标要求,此时开始车身减重方案的实施。表3为车身轻量化前质量统计情况。
        SE阶段车身质量离前期制定的目标值360kg相差5.4kg。该指标作为车身减重设计目标。
       

某车型车身轻量化设计

某车型车身轻量化设计

        轻量化设计方案提出
        车身在SE到NC阶段是减重的主要阶段,但是也有一些问题,该阶段结构基本不能大幅度修改,只能依靠减少料厚来实现。减少料厚直接影响到车身的扭转刚度和弯曲刚度,因此,减重的同时必须考虑满足车身刚度要求。表4的方案是根据市场其他标杆车和竞品车型部件结构位置提出的优化方案。
        轻量化设计方案的验证
        对于以上减重方案,提交CAE分析扭转刚度和弯曲刚度。CAE根据部件灵敏度分析,其中表4中标记“×”的是扭转刚度值下降比较明显,建议不采用,对于标记“√”的表明可以采用。通过CAE模拟分析,车身刚度能达到先前制定的性能目标值,前后对比如表5。车身质量最终为:365.4(SE数据质量)-5.3(减重方案)=360.1kg。经过NC数模实施后,通过对数模测量计算,车身质量达到最初制定目标值,具体如表6。
        减重后,满足车身质量360kg的目标值,减重5.3kg。就原材料成本来看,按照钢材价格6000元/t计算,假设材料利用率为0.555,废料成本2.5元/kg,则平均每台车减少的成本是:5.3/0.555×6.000-5.3/0.555×0.445×2.5=46.673元。按照策划文件,按每年生产8万台车计算,每年将节省的材料成本为:46.673×8万=373.4万元。
        总结
        本文通过对车身轻量化目标值计算方法的研究,推算出轻量化车型车身质量的目标值,再通过与市场标杆或竞品车型结构尺寸、材料和工艺的分析对比,提出初步车身轻量化方案,最后通过CAE验证方案的满足原先的性能需求,使车身轻量化目标最终实现,且能满足性能目标。
        该车型车身轻量化实现后,对我公司来说,减少了制造成本,提高了产品竞争力,对于客户来说减少了使用成本,对于社会和国家来说,节能环保。
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