新材料与工艺手册

[轻量化设计] 汽车零部件结构性能分析及关键部件轻量化设计

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发表于 2020-7-22 11:02:14 | 显示全部楼层 |阅读模式

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 【汽车轻量化在线】汽车零部件结构性能分析及关键部件轻量化设计
  
  文/惠锦阳·江铃汽车股份有限公司
  
  汽车的发明让人类工业文明发展取得了有效进步,对人们生活也提供了极大的便利,但同时带来了巨大的隐患,如交通事故、环境污染、能源危机等。现今,汽车在全球的使用量逐年上升,对石油的消耗占据全球石油消耗总量的46%。在全球各类资源人均消耗量持续降低的情况下,汽车在保证其结构与性能的同时,还需符合环保、节能等要求。汽车开发过程中,零部件结构性能的好坏对汽车最终的质量有着直接关系,而零部件轻量化设计可为企业带来更大的竞争力。所以,对汽车关键部件性能及其轻量化设计进行分析,对汽车企业具有帮助,可提升企业市场竞争力。
  
  汽车零部件结构性能分析
  
  汽车开闭件在汽车整体系统中极为重要,其主要是指汽车上能够开闭的零部件,包括前后车门、前舱盖、后背门、顶棚总成等,多采取铰接方式连接。开闭件对尺寸、公差要求较高,其制作工艺也极为复杂,安装时所需附件较多,且具有灵活、坚固、密封等多种安装要求,这些要求若无法得到保证,汽车的品质与性能都将受到严重影响。
  
  前门作为汽车开闭件之一,其使用率极高,结构模态是影响车辆频率的重要因素,车门结构模态必须错开路面载荷激振频率与车辆频率,防止因车轮的不平衡导致激振频率的紊乱。对于车门模态频率而言,需要避开一些特定的频率区间,满足前门模态性能要求。
  
  前门的扭转刚度主要是前门抵抗扭转力而导致变形的能力,对于前门抗扭转能力而言极为重要。前门处于关闭状态时因受到上下铰链与车门锁处的约束,一旦车门扭转刚度不足,不仅影响汽车外观,车门密封性也将受到影响,严重时甚至导致振动、异响、零件开裂等问题,造成车辆无法正常使用,所以在生产时需对前门扭转刚度严格把控。
  
  车门门框刚度主要用于对车门抵抗车辆横向载荷而导致的变形评价。车门上部基本由玻璃组成,较为薄弱,而钣金件是汽车结构支撑的主要材料,它在车门门框的上部分较少,且门框相较车门其他部分更为薄弱,该处易导致门框外侧变形,引发车门密封性变差,使车门无法抵御风雨穿透,严重时易出现门框剧烈振动,导致玻璃无法正常升降。
  
  窗沿处的前门内板腰线刚度在车门中的作用也是极为重要的,如若该处刚度不足,对于玻璃升降的平顺性可造成影响,易引发不必要的事故。
  
  轻量化研究途径
  
  近年来,全球汽车企业都在追求汽车轻量化,轻量化技术也在不断的发展与完善,目前对汽车轻量化主要采取结构优化、使用新型材料、先进制造工艺三种方式。
  
  结构优化设计
  
  ⑴使用传统的设计方案,这主要是在计算机技术不发达时期使用的方法,但该方式因设计者需依赖多年经验,随后进行结构设计,设计者利用经验对各类假设进行判断的方法,工作量极大,提出的改进方案是否能够使用也并不明确,所以目前该方法使用相对较少。
  
  ⑵利用交互设计方法,设计者使用自身理论知识进行方案的优化,随后进行有限元分析。该方法主要采用计算机进行预先设计,对设计者要求并不高,企业投入亦较小,较为方便与快捷,同时,还可提升设计效率,满足设计要求。
  
  ⑶直接使用计算机软件进行分析,将需要进行优化的函数导入后,使用软件进行分析并得出结果。该方式能够最大限度地满足设计要求,但软件分析往往存在一定差异。当存在差异时需要进行人工介入分析,这对设计者能力的要求较高。
  
  新型材料进行轻量化
  
  近年来,各家汽车制造商都将原先使用的钢材替换为高强度钢,以达到将材料厚度减少、降低整车质量的目的,但是高强度钢板在加工时工艺复杂,多数小型企业没有能力搭建其必备工序。
  
  使用新型材料进行轻量化需用到交互式设计方法,在零件各数据设置完成后,将其纳入至有限元分析软件中,对使用新型材料的零件进行分析校核,当部分结构存在差异时需进行优化,随后根据优化后的数据对零件进行整改,让其更好地达到轻量化的效果。
  
  利用先进工艺进行轻量化
  
  有限元方法于1943 年被提出,但因当时科技水平限制,没有求解方法,但随着计算机的发明,该方法得到了快速发展。其主要是结构分析的产物,事项可以简单概括为化整为零后再化零为整。该方法主要分前处理、求解、后处理三个阶段,前处理主要对模型进行创建分析,把求解域离散成有限单元,准确建立单元类型,定义材料属性,建立并完善边界条件;求解主要是对得到的模型文件进行计算;后处理主要是确认仿真结果,得到分析报告。
  
  汽车关键部件轻量化设计
  
  汽车制造工业不断发展进步,消费者对于汽车的了解也越来越深,随之而来的是汽车功能也逐渐多样化,该情况的出现也导致了汽车中安装的设备及零件越来越多,汽车质量也因此不断增加,自汽车轻量化理念被提出,除了传统车身轻量化设置外,汽车零件也被纳入考虑范围。
  
  汽车重要承力部件B 柱(图1)位于前门与后门之间,如若前门受到冲击,B 柱将吸收大部分的冲击力,可保证车门的正常开启,此外,汽车中多种安全部件安装在B 柱处,因此足够的强度与刚度是B 柱必须具备的性能要求。因汽车造型的缘故,B 柱一般为曲面状且成形深度通常较大,截面变形也较为复杂,成形后零件底部与高度均存在较大起伏。B 柱处安装的零件其结构不仅复杂,工艺要求也很高,将B 柱的厚度提升后能够加强汽车的耐撞性,但汽车质量也因此加大,对汽车的轻量化不利。一旦追求轻量化B 柱的质量就要下降,导致汽车耐撞性受影响,这是一个相互矛盾的研究点,因此在B 柱设计时,不仅要考虑轻量化问题,车辆的耐撞性研究也需考虑在内。
      
  图1 B 柱
  
  在侧面碰撞分析中,B 柱结构设计不合理会导致变形模式不理想。B 柱的加强对于侧面耐撞性有着重要的影响,B 柱设计涉及三个方面:⑴将板材厚度增加,提升部件刚度并能改善侧面的耐撞性,但该方法通常会让车身质量增加,导致制造成本增加。⑵对于薄弱处进行加强,将B 柱的强度提升,减少变形的发生,但是该方法同样会导致车辆质量增加,同时也提高了车身设计难度与整车装配难度。⑶使用吸能性强的材料,但是该方法具有较高的成本。
  
  随着高强钢材料在汽车零部件中的使用,热成形技术也得到了广泛应用,为汽车制造开辟出了一条新道路。热成形技术与传统的冷成形技术存在较大区别,其成形温度可对板料形状与组织性能产生影响,在温度变化作用下,板料的温度场和应力场发生反作用关系,即存在耦合效应,一旦发生偏差,板料的性能就会产生变化。与冷成形技术相比,热成形技术可保证车体性能,实现车身轻量化
  
  结束语
  
  汽车由众多零部件及系统组成,零部件及系统性能决定车辆整体结构的优劣,进而影响汽车成品质量。汽车部件轻量化需要结合多种方法进行验证,并依据相关规程进行试验分析,证明在轻量化前提下,汽车耐撞性依旧得到保证。

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