新材料与工艺手册

[车身轻量化] 基于关键热成型件的某型平台下车体轻量化研究及运用

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发表于 2020-2-24 11:12:56 | 显示全部楼层 |阅读模式

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基于关键热成型件的某型平台下车体轻量化研究及运用
黄金荣
(东风柳州汽车有限公司乘用车技术中心,柳州 545005)
摘 要:轻量化是汽车技术发展的一个重要趋势,随着人们对车辆排放以及油耗的要求日益提高,新能源汽车推广势在必行,而轻量化技术正是提升车辆性能和竞争力的主要措施。以某型平台下车体为例,介绍如何通过关键热成型零部件,满足平台性能指标要求,并且实现车身轻量化设计。
关键词:车体轻量化 热成型 结构设计
1 车身轻量化基础1.1 车身结构安全

[size=1em]汽车安全性、刚度、强度、操纵稳定性以及振动舒适性都是车身轻量化设计的前提。车身结构安全的目的在于保护车内成员安全。目前我国除了强制性汽车被动安全标准之外,还有一个被大众熟悉和公认的保准,那就是中国新车评价规程(China-New Car Assessment Program),简称“C-NCAP”。2018版C-NCAP被汽车行业认定为有史以来最为严格的碰撞标准。

1.2 车身整体刚度

[size=1em]车身整体刚度指的是车身收到外界施加载荷后产生的变形量。车身刚度反映出车身结构在满足车身装配和使用要求前提下各个部位的变形情况。如果车身刚度设计不合理,就会造成车身振动频率降低,从而影响整车乘坐舒适性、使用寿命、碰撞安全性以及NVH性能。所以,现代车身设计过程中,一般都在降低车身重量的前提下提高汽车车身刚度。

1.3 车身整体强度

[size=1em]车身整体强度指的车身收到外界施加载荷后的受力情况,通过Abaqus非线性分析可以判断车身材料是否超过屈服值,如果车身整体强度不满足要求,那么车辆在行驶一定里程后就会出现开裂失效情况。

2 车身轻量化评价指标

[size=1em]在车身设计方面,研究人员已经逐渐开始对轻量化指标的探索。车身轻量化技术指标能给予车身开发工作一个方向性指导。目前应用较为普遍的是车身轻量化系数。

[size=1em]车身轻量化系数如式(1)所示。


[size=1em]式中,L为轻量化系数;M为车身骨架质量,kg;Cr为静态扭转刚度,N·m/°;A为车身的投影面积,m2。

[size=1em]车身轻量化系数具体范围目前汽车行业界还没有定论,各车家都在向着提升车身扭转刚度和减轻车身重量而努力。

3 热成型技术

[size=1em]热成型技术是指将一种将特殊高强度钢板加热到奥氏体温度范围,然后在压机保压状态下通过模具对零件进行淬火冷却,最后获得超高强度冲压件的新型成型工艺。热成型技术在汽车应用过程中,主要具备以下几个优点:

[size=1em]第一,利于车身轻量化。由于热成型钢板强度很高,可以有效减少相应区域加强板数量与钢板厚度,可以更好地实现车身轻量化。

[size=1em]第二,提高碰撞安全。利用热成型技术可以得到超高强度的车身零件,提高车身局部区域耐撞性能。

[size=1em]第三,利于零件成型。热成型零件强度一般在1500MPa左右,且没有回弹,成型性相对较好,尺寸精度高。

[size=1em]随着热成型技术不断发展,我国安全法规也日益严格起来,笔者相信热成型零部件应用范围将会越来越广泛。

4 关键热成形零件在车体轻量化中的研究实例4.1 热成型技术实施策略

[size=1em]在某型平台车体设计中,为了满足车体性能,并做到最大化的轻量化设计,在安全碰撞关键位置优先考虑热成型零件,主要应用部位是前防撞梁、前围加强梁,A柱、中央通道、中地板后横梁以及车体总成,具体分布情况如图1所示。

[size=0.8em]图1 热成型件的分布图

4.2 热成型高强度钢板的运用

[size=1em]除了上述热成型零件外,在轻量化设计中也采用大比例的高强钢板,其使用比例相对量产平台车型有了明显提升,具体应用情况如2所示。

[size=0.8em]图2 热成型高强度钢板应用分布图

4.3 轻量化设计的具体实施策略

[size=1em]基于上述热成型和高强度钢板技术运用,某型平台下,车体经过两轮轻量化优化,共提出了35项减重方案,其中可实施18项,为绿色;不可实施共17项;为红色,如图3所示。


[size=0.8em]图3 车体轻量化减重方案

4.4 轻量化后的车体性能预览

[size=1em]4.4.1 碰撞性能

[size=1em]通过热成型件的运用,优化了正面碰撞的传力路径。另外,还综合考虑了前纵梁和副车架的匹配关系,改善了底盘副车架对偏置碰车身的能量传递方法,保证其碰撞性能满足2018版C-NCAP要求,具体达成结果如图4、图5所示;侧面碰撞侵入量分析如表1所示。

[size=0.8em]图4 50km/h侧面碰撞示意

[size=0.8em]图5 50km/h正面碰撞加速度分析达成

[size=0.8em]表1 50km/h侧面碰撞侵入量分析表

[size=1em]4.4.2 刚度性能的达成

[size=1em]轻量化后的车辆整体扭转刚度为22621N·m/°、弯曲刚度为25157N·m/°,优于某竞品车1(19679N·m/°)和量产车1(17567N·m/°)。同时,与主流合资车型性能水平同步,已达到或超过竞品车水平。

[size=1em]4.4.3 强度性能的达成

[size=1em]通过Abaqus非线性分析,轻量化后的车体在11种工况下强度均低于材料屈服值,满足使用要求。具体荷载加载情况如图6所示。

[size=0.8em]图6 载荷加载示意图

[size=1em]4.4.4 轻量化系数达成

[size=1em]本文轻量化设计中,轻量化系数为3.60,综合水平在同类对标车中具备优势;其中下部车身重量占比59.04%,领先对标车,具体对比情况如图7所示。

5 结语
[size=0.8em]图7 轻量化结果对比图

[size=1em]轻量化与智能化是未来汽车设计的主要发展趋势,轻量化技术对汽车工业可持续发展具有重要意义;热成型技术以其独特的优势在汽车轻量化中得到了广泛应用,会为汽车、钢铁以及国民经济行业带来巨大的发展机遇。



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