新材料与工艺手册

[轻量化客车] 货箱顶板轻量化解决方案

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发表于 2021-1-15 16:38:56 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化在线】货箱顶板轻量化解决方案
摘要:参照商用车和典型车企的相关标准,通过结构优化提升顶板结构的抗凹性、耐雪压性。研究表明,在货厢顶板处在顶板上添加3 根横向加强梁和4 根小纵向加强梁,加强梁采用截面尺寸高为10 mm、宽为50 mm、厚度为0.8 mm 的槽钢,与顶板形成封闭的曲面。优化后顶板的耐指压抗凹性和耐雪压性均能满足货箱的使用要求。
关键词:货箱顶板 轻量化 耐压性

1 前言

在汽车制造领域,汽车覆盖件承受外部载荷作用时抵抗凹陷弯曲及局部凹痕变形、保持形状的能力称为抗凹性,它是评价和反映覆盖件表面质量和使用性能的一项重要指标和特性[1]。在追求汽车轻量化的巨大压力下,商用车进入了轻量化的进程。瓦楞板作为货厢中质量最大的零件,成为了减重的重点。将瓦楞板由原始的普碳钢替换为高强钢进行轻量化后,塑性变形内的抗压、抗变形能力均可解决,顶板减薄会对货箱整体性能,如模态稍有降低,但仍能满足要求,而由材料弹性变形引起的刚度下降等问题,如人为按压、雪压以及行进过程中的振动等问题,是顶板采用较薄的高强钢后遗留下的问题。因此在瓦楞板减重后提高顶板刚度是亟待解决的问题。


2 影响顶板瓦楞板刚度的因素

抗凹性主要与材料的弹性模型、厚度和结构有关,而与材料的强度无关。因此,提高材料的抗凹性,一般采用提高顶板瓦楞板的断面高度、改变顶板瓦楞板加强梁的布置等方式。
a.顶板瓦楞板的断面高度,一般而言,顶板瓦楞板的断面高度越高,顶板的刚度越大,抗凹性能也就越好[2]。但随着瓦楞板断面高度的增加,顶板的质量也会增大,给顶板轻量化带来一定负面影响。同时顶板为了达到好的防水效果,一般采用冲压成形,提高瓦楞板的断面尺寸后,需要更换模具,进而带来成品的升高[3]。因此,一般顶板瓦楞板很少采用增加断面高度来提高顶板刚度。
b.加强梁的布置方式,瓦楞板减薄后,在顶板上布置加强梁以提高顶板刚度是目前最行之有效的方式。加强梁的布置以及加强梁与瓦楞板的连接方式对顶板的刚度起着决定性的作用。一般将加强梁与瓦楞板构建成封闭的环形结构,最有助于提高抗凹性。


3 指压工况仿真

将顶板材料由Q235-1.2 mm 换成HC420LA-0.7 mm 的高强钢,按照最优抗指压方案进行抗雪压性能仿真分析。仿真结果如图7、图8 和图9 所示,原始顶板的最大位移为8.06 mm,轻量化后顶板的最大位移为13.47 mm,最大位移增加了67.12%,而增加加强梁的最大位移为9.30 mm,因此,当顶板仅厚度减薄后,必须在顶板上布置加强梁以提高顶板的抗雪压性能。
仿真的边界条件为用一个半径为12.7 mm的刚性半球模拟人的手指,在球中心点施加200 N(只加载不卸载)的载荷模拟人手指的按压载荷力,加载方向垂直于加载平面,刚性球约束除垂直方向外的其他5个自由度。完全约束货厢顶板的4个边。通过最大变形位移来判断材料的抗凹性能。
对比图1 和图2 可以看出,原始1.2 mm 顶板的最大位移为5.07 mm,轻量化后0.7 mm 顶板的最大位移为11.40 mm,最大位移增加了124.85%。因此,顶板仅厚度减薄后必须在顶板上布置加强梁以提高顶板刚度。

图1 原始1.2 mm顶板的抗凹性

图2 轻量化后0.7 mm顶板的抗凹性

在顶板上布置3 根纵向横梁和2 根短横梁,横梁和纵梁均匀布置,将顶板分成6 块,布置方式如图3 所示,横向加强梁、纵向加强梁均采用截面尺寸高为10 mm、宽为50 mm、厚度为0.8 mm 的槽钢,加强梁的材质为Q235,槽钢开口方向朝向顶板,采用点焊连接,焊点间距为40 mm,与顶板形成封闭的曲面。

图3 顶板加强梁的布置方式

如图4和图5所示,加载位置1和加载位置2抗凹性仿真分析结果表明,加载位置1 处的最大位移为11.40 mm,加载位置2 处的最大位移为4.48 mm,与原始1.2 mm顶板的最大位移相比减小了,将瓦楞板分成如加载位置2 的网格大小,可以保证顶板减薄至0.7 mm 时,顶板的抗凹性能不下降。因此,顶板加强梁的布置方式为3根纵向加强梁和4根短的横向加强梁,横向加强梁和纵向加强梁都均布在顶板上,如图6所示。

图4 加载位置1的抗凹性

图5 加载位置2的抗凹性


4 抗雪压工况仿真

货箱顶板除了满足抗凹性要求外,还需要满足抗雪压的能力,尤其在冬季降雪较大的区域。货箱顶板在雪压的作用下会产生弯曲变形,随着积雪厚度的增大,弯曲下压量呈增大趋势。当积雪达到一定极限时,顶板所受的应力超过材料的屈服强度,会由弹性变形转变为塑性变形,从而导致顶板的塌陷不能恢复[4]。因此,必须验证顶板的抗雪压性能。

图6 顶板加强梁的最优布置方式

目前,国内对雪压工况没有统一的要求和标准,参照某企业乘用车的顶盖雪压CAE 仿真分析规范,建立仿真的边界条件和评价标准[5],积雪厚度达到400 mm 时,顶盖挠曲位移不大于10 mm,且没有塑性变形为合格。
在汽车制造领域,汽车覆盖件承受外部载荷作用时抵抗凹陷弯曲及局部凹痕变形、保持形状的能力称为抗凹性,它是评价和反映覆盖件表面质量和使用性能的一项重要指标和特性[1]。在追求汽车轻量化的巨大压力下,商用车进入了轻量化的进程。瓦楞板作为货厢中质量最大的零件,成为了减重的重点。将瓦楞板由原始的普碳钢替换为高强钢进行轻量化后,塑性变形内的抗压、抗变形能力均可解决,顶板减薄会对货箱整体性能,如模态稍有降低,但仍能满足要求,而由材料弹性变形引起的刚度下降等问题,如人为按压、雪压以及行进过程中的振动等问题,是顶板采用较薄的高强钢后遗留下的问题。因此在瓦楞板减重后提高顶板刚度是亟待解决的问题。
将顶板材料由Q235-1.2 mm 换成HC420LA-0.7 mm 的高强钢,按照最优抗指压方案进行抗雪压性能仿真分析。仿真结果如图7、图8 和图9 所示,原始顶板的最大位移为8.06 mm,轻量化后顶板的最大位移为13.47 mm,最大位移增加了67.12%,而增加加强梁的最大位移为9.30 mm,因此,当顶板仅厚度减薄后,必须在顶板上布置加强梁以提高顶板的抗雪压性能。

图7 原始顶板的抗雪压性

图8 轻量化后顶板的抗雪压性

图9 布置加强梁后的顶板抗雪压性

上述3 种横向截面走势进行对比,如图10 所示,与Q235-1.2 mm 顶板相比较,HC420LA-0.7 mm顶板的最大下沉位移为13.47 mm,且最大下沉位移所占的面积为总面积的77%。增加加强梁后的HC420LA-0.7 mm顶板的最大下沉位移为9.30 mm,较仅减薄后的顶板的最大下沉位移有所减小,但仍高于Q235-1.2 mm 的最大下沉位移,最大下沉位移面积有所降低,占总面积的42%,满足标准要求。

图10 抗雪压仿真的截面


5 轻量化效果成本核算

货箱顶板采用高强钢进行轻量化后,对其质量和成本进行核算,成本包括原材料、模具摊销和冲压成本,顶板为冲压成形,一般材料费用与冲压费用之和为原材料费的1.33%,模具分摊为10 元/件,如表1所示。
表1 优化前后的质量与成本核算


6 结束语

a.货厢顶板由Q235-1.2 mm 换成HC420LA-0.7 mm 的高强钢后,出现抗凹性和耐雪压性等由于减薄引起的刚度降低问题。
b.参照轿车和典型车企的相关标准,在顶板上添加三根横向加强梁和四根小纵向加强梁,加强梁采用截面尺寸高为10 mm、宽为50 mm、厚度为0.8 mm 的槽钢,槽钢开口方向朝向顶板,采用点焊连接,与顶板形成封闭的曲面。此时,顶板耐指压抗凹性与Q235-2.0 mm 顶板相当,而顶板的耐雪压性较原始顶板有所降低,但能满足最大下沉位移10 mm 的要求。
c.采用减薄加加强梁的方案后,货箱减重36.7 kg,成本降低94.5 元。

来源:期刊-《汽车工艺与材料》;作者:王秋雨 夏明生 孟根巴根 李立铭 张赛娟 吕浩
(河钢股份有限公司唐山分公司)


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