夏殇25474321
范文一：车身轻量化系数的决定因素及其优化
?设计．计算．研究．
车身轻量化系数的决定因素及其优化
羊
军
叶永亮汪侃磊
（上海汽车集团股份有限公司）
【摘要】介绍了车身设汁评价的关键指标一一车身轻蛩化系数，阐述了车身轻量化系数的优化方法，即减轻车身质量和提高扭转刚度。指出，应主要从钢材选择、结构设计、新技术新材料的选用等角度实现车身质量减轻；主要通过车身加强件增加或板材加厚、车身高强度板用量提高、结构断面优化、车身接头设计优化等方法提高车身扭转刚
度。
主题词：车身轻量化优化设计
中图分类号：Ｕ４６３．８２文献标识码：Ａ文章编号：１０００—３７０３（２０１０）０２—００２８—０５
Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ
ｏｎ
Ｙａｎｇ
ＢｏｄｙＬｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔＤｅｓｉｇｎ
Ｊｕｎ，ＹｅＹｏｎｇｌｉａｎｇ，ＷａｎｇＫａｎｌｅｉ（ＳＡＩＣＭｏｔｏｒＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎＬｔｄ）
Ｍｅｔｈｏｄ
【Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｂｏｄｙｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｉｓｉｎｔｒｏｄｕｅｅｄｉｎｔｈｉｓ
ａｓａ
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ｏｐｔｉｍｉｚｅｄｍｅｔｈｏｄｏｆｂｏｄｙｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ．ｅ．ｇ．ｗｅｉｇｈｔｓａｖｉｎｇ＆ｓｔｉｆｆｎｅｓｓｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｐａｐｅｒｔｈａｔｂｏｄｙ
ｎｅｗ
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ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅａｍｏｕｎｔｏｆｈｉ【ｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｓｔｅｅｌｓｈｅｅｔｕｓｅｄｉｎｂｏｄｙ，ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｅｃｔｉｏｎａｎｄ
ｂｏｄｙｊｏｉｎｔｄｅｓｉｇｎ，ｅｔｃ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｂｏｄｙ，Ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ，Ｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎ
１
车身轻量化系数概念
国际上目前流行的车身设计评价指标——车身
轻量化系数的计算方法如下：
Ｌ２器×１０３
仿真结果分析对比主要零部件的溃缩变形量表明．移动刚性墙模型和移动小车模型的计算结果差别较大：刚性材料移动小车模型和弹性材料移动小车模型的计算结果相差较小。
由此可见．在汽车后碰撞有限元仿真中，移动壁障模型的选择对有限元仿真计算结果有着重要影响．本文的研究可为今后汽车后碰有限元仿真中移动小车有限元模型的建立和移动壁障模型的选择提供参考。
参
ｌ
较大，达到２７．５９，而移动小车模型下的加速度峰值只为２３９，峰值之间相差１６．７％。
时问／ｓ
图９
２种移动擘障模型卜．汽车Ｂ柱加速度曲线考文献
５结束语
以ＧＢ２００７２—２００６所要求的汽车后碰撞试验
中移动小车壁障实物为基础．针对在汽车后碰撞有限元仿真中多采用移动刚性墙模型模拟后碰移动小车模型的问题，建立了移动刚性墙、刚性材料移动小车和弹性材料移动小车３种移动肇障模型．并利用
ＬＳ—ＤＹＮＡ
公安部交通管理局．中华人民共和国道路交通事故统计
资料汇编．北京：公安部交通管理局．２００５．
２王宏雁．范益丞．燃料电池汽车追尾碰撞模拟分析。上海
汽车．２００５．
３
Ｉ．Ｓ—ＤＹＮＡ
ＫＥＹＷＯＲＤＵＳＥＲ’ＳＭＡＮＵＡＬ，ＶＥＲＳＩＯＮ９７０
ＬＳＴＣ，Ａｐｒｉｌ２００３．４
朱平．肖国峰．等．轿车追尾碰撞仿真及结构耐撞性改进研
究．中国机械工程，２００８，１９（６）．
（责任编辑文楫）
修改稿收到日期为２０１０年１月６日。
９７０软件分别对３种移动壁障模型与吸
能钢管及某型轿车的碰撞进行了有限元仿真。通过
一２８一
汽车技术
万方数据
．设计．计算．研究．
式中，Ｌ为轻量化系数，越小越好；ｍ瑚ｗ为白车身（无门盖，无前后风挡玻璃）质量；ＣＴ为车身扭转刚度；Ａ为四轮问的正投影面积（即前、后轮平均轮距乘以轴
距）。
之所以选用轮距和轴距而不选用车辆的长宽是因为轮距和轴距的大小更能反映乘客舱的空间尺寸大小．这和目前国际主流设计趋势追求的可利用乘客舱窄问更大、停车占用面积更小相吻合。
２车身轻量化系数的优化方法
车身轻量化的表现由无门盖白车身总成质量、车身扭转刚度、四轮间正投影面积３项系数决定。显然．车身质量的减轻与车身扭转刚度的提高有助于得到更好的车身轻量化表现。２．１减轻车身质量的３类途径
在车身设计过程中，主要可以从钢材选择、结构设计、新技术新材料的选用等角度实现车身质量的减轻。
２．１．１钢材选择
２．１．１．１
降低大件、特别是外覆盖件的材料厚度
目前的设计趋势是将外覆盖件的厚度降到Ｏ．７ｍｍ．前后盖外板甚至可以降低更低（网Ｉ）。降低材料厚度以后会对外板的成形性、刚度和抗凹性带来不利影响．对不太复杂的外板件．一般可以通过适当提高材料等级来解决（一般屈服强度不超过２２０ＭＰａ）：对受造型制约的复杂外板件．一般可以采用烘烤硬化钢来解决：必要时．可以通过结构设计优化如增加内板的搭接或通过增强非金属结构来对外覆盖件提供足够的支撑。
对于一般的Ｂ级车型．在满足相同性能要求的前提下．和采州传统材料厚度的普通钢材相比。大件和外覆盖件采用降低０．１ｍｍ材料厚度的烘烤硬化钢或稍微提高一下钢材强度等级．单车质量町以减轻１０ｋｇ左右并能实现成本降低百元以上，同时不需要增加模具成本和制造成本．是值得大力推进的方案。但是，该方法一般只能应用在非碰撞传力路径和非关键耐久性的大件和外覆盖件上．数量一般只有十几个。所以总体应用范围有限。
图ｌ
外覆盖件材料厚度降低值
２０１０年第２期
万
方数据２．１．１．２提高高强度钢板的用量
目前．高强度钢和普通钢的价格差距缩小到了合理范嗣内（约１０％～１５％）。选择高强度钢，可以通过减少零件数量、降低材料厚度和缩小结构盒状断
面尺寸来达到减轻质量效果，而总成本变化不大。因此．高强度钢板得到了广泛应用。一些新车型采用抗于帝强度在６００Ｍｐａ以上的超高强度钢板比例会占到３０％甚至更高（图２）。而一些能满足欧洲ＮＣＡＰ五星级碰撞要求的Ａ级车．这一比例达到了５０％（图３）。增加高强度钢板的比例不仅可大幅度减轻质量．同时也有利于提高车身刚度、碰撞和耐久性性能。
图２国际上某车型新、旧款材料选择对比
图３
国际上部分Ａ级新车型大量采用高强度钢板
２．１．１．３热成形超高强度钢板的运用
当板材的抗拉强度提高到１
０００～１２００ＭＰａ
时．冷冲压模具需要使用特殊且昂贵的材料配合极高吨位的中压机才能使零件成形。同时．对于零件反弹、尺寸精度、局部材料严重变薄甚至开裂等方面的控制往往是制约设计的一系列难点。热成形丁艺采用一种比较特殊的钢材．其在加热前其屈服强度和抗拉强度分别在３００ＭＰａ和５００
ＭＰａ
左右．断后延伸率达到３０％以上．机械性能属于普通高强度钢板范畴．但在板材高温加热、冲压再冷却后．该材料会大幅度硬化．零件的屈服强度和抗拉强度能够分别提高到１
１００ＭＰａ和１５００ＭＰａ
以上．远超过冷冲压零件的极限强度。因此，通过
大量热成形零件的采用．可有效减少加强板的数
一２９—
．设汁?计算．研究．量并减薄零件。
如图４所示的某车型．在Ａ柱上侧梁、Ｂ柱上侧梁、Ｂ柱加强板、中央通道、纵梁延伸板、前缓冲梁等多处采用了热成形零件．占车身总质量的１６％，使得车身质避仪为２８９ｋｇ，轻量化系数达到了目前国际领先的２．３６。
图４某车型热成形钢材用量占车身总质孱比例湿示
如图５所示。图５ａ（单层板）和图５ｂ（３层板）两种Ｂ柱内板方案经ＣＡＥ分析显示具备类似的侧碰表现。其中．图５ａ中方案只包含一块１．４ｍｍ的热成形Ｂ柱内板．而图５ｂ中方案包含了２．０ｍｍ的Ｂ柱内板和分别为２．５ｍｍ和２．０ｍｎｍ的２块加强板。图５ａ中方案可以减轻质鼍近９ｋｇ．且单件成本比图５ｂ中方案低约５０元．但模具费高约２６０万元。当车型总销量达到６万辆以上时．图５ａ方案的总成本更低．
（ａ）热成形（ｂ）传统工艺
图５热成形Ｂ柱内板与传统
高强度钢的Ｂ柱内板总成对比
热成形工艺目前也存在一定缺陷：模具费和材料费很高：热成形零件的生产速度远低于冷冲压Ｔ艺，很难满足大批量的供货需求：模具可修改的幅度较小，对于设计的成熟度也是一大挑战。２．１．２结构设计２．１．２．１结构优化
在碰撞关键区域优化断面的形式有几种．可通过增加封闭盒状结构来配合零件尺寸或材料厚度的降低（图６）；可以在零件的关键部位增加加强筋（图７）或适当调高材料强度；可增加减重孔（图８）、切除多余翻边（图９）等。
２．１．２．２激光拼焊技术的运用
采用激光拼焊技术，町以使用部分区域低料厚、部分区域高料厚的拼焊板材来进行冲压．这样除大
一３０一
万
方数据幅减轻质量外还可以减少零件和焊点数鼍．进一步降低模具、夹具及焊接成本。
图６采用封闭结构增加强度并减轻质量
图７降低材料脬度，在父键部位增加加强筋
网８增加减重孔
图９切除多余醐边
如某车型顶盖横梁就采用了激光拼焊的滚压件技术（图１０）．其顶盖与侧嗣接头处材料厚度为１．２ｍｍ，中部厚度为０．７ｍｍ，有效减轻质量０．５ｋｇ。，而其Ｂ柱封板也采用了激光拼焊技术．削弱１ｒ下部强度。既能保证吸收足够的碰撞能量义能减轻质量。
图ｌＯ顶盖横梁采用激光拼焊的滚压件
汽车技术
另一款新车型采用了激光拼焊的超高强度前纵梁内板（图１１）。由于纵梁前端在正面碰撞时需要充分压溃以吸收能量并降低碰撞加速度．而后端必须足够强以支撑住整个车身结构，因此纵梁前、后的强度要求差异较大。该车型采用的激光拼焊板材由两段组成．一段是材料厚度较小的抗拉强度达到５９０ＭＰａ的双相钢．另一段是材料厚度较大的抗拉强度达到７８０
ＭＰａ
的双相钢．最后将拼焊后的板材冲压成单块的前纵梁内板。
以上这几个零件采用激光拼焊后单件成本均需提高２０元左右．但有效提高了零件在质量、安全等方面的性能。
图１１激光拼焊的超商强度纵梁
２．１．３新技术新材料
２．１．３．１
采用金属、非金属轻质材料替代传统钢材
主要有：采片ｊ丁程塑料的前端模块（图１２）、翼子板和举升门；铝合金的前、后缓冲梁和发动机盖；镁合金的车门框、仪表板骨架和座椅骨架等。
相比传统的钢材．采用这些材料每个零件质量可以减轻２～１０ｋｇ，但零件成本也会随之大幅上升，有时会高１倍甚至数倍。对于必须达到较高燃油经济性或必须满足更低排放要求的车型．采用以上技术来减轻质量才在总体上更有成本优势。另外，车身采，Ｉ｛ｌ更多工程塑料对于总销量５００００辆以下的车型更有成本优势。
图１２工程塑料的前端模块
２．１．３．２采用静音钢板
静音钢板是在两层钢板巾问涂一层特殊的吸音隔音材料，形成类似三明治结构的钣金材料，以用于正常的冲压、焊接，这样可以减薄甚至取代阻
２０１０年第２期
万
方数据尼垫、沥青板及隔音垫的使用。以此来减轻车辆质量。
图１３是某车型目前采用的普通钢板与静音钢板之间的对比，这一对比均不包含隔音材料．二者质量也基本相同。图１４是普通钢板＋隔音垫＋发动机侧吸音垫＋沥青板（共２２．４ｋｇ）对比静音钢板＋重新设计的隔音垫（共１２．１ｋｇ）。从图１４中可以看到，静音钢板配合重新设计的隔音垫．取消发动机侧吸音垫和沥青板．车内总体噪声能够降低２。３ｄＢ．而质量减轻了１０ｋｇ。从成本上分析，原普通材料的前围板和所有取消的隔声零件价格之和与静音钢板的价格基本相同。但是，该技术及其最关键的原材料供应都控制在国外一两家供应商手里．在国内基本属
于空白。
频率／Ｈｚ
图１３普通钢板和静音钢板的声音传递预测对比
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｛疋
预翠，Ｈｚ
图１４整体隔音系统的声音传递损失预测对比
２．１．３．３采用非金属结构增强材料替代钣金加强件
如某两家国际企业推出的Ｔｅｒｏｃｏｒｅ材料和ＣＢＳ材料．这类材料多由热激活可膨胀的高强度粘结剂和负荷载体组成．通过填充车内间隙．将各个独立的负荷载体粘结成一个复合结构．以提高车身的强度和刚度。其质量、零件成本和模具支出都较低，既可以作为局部结构优化时的工具．也可以部分替代钣
金加强件来减轻车身质量。
图１５为３个方案的对比．其结构分布是０．８ｍｍ厚的钢板＋ＴｅｒｏＣＯｒｅ、１．５ｌｎｌｎ厚的钢板、０．８ｎｌｌｎ厚的钢板，质量分别是１．２ｋｇ、１．２ｋｇ、０．６ｋｇ。在跌落试验后。同样质量下，方案ｌ比方案２表现更好：同样
一３１—
的钢材对比下．增加了Ｔｅｒｏｃｏｒｅ的方案ｌ比方案３性能更好。再如ＣＢＳ运用于某车型的实例（图１６），通过ＣＢＳ局部加强Ｂ柱上接头．使得该车型的侧碰表现由２星级上升到了４星级．而增加的质量不足
１
ｋｇ，如单纯采用钣金件加强，则质量至少需增加５
ｋｇ以上。
图１５Ｔｅｒｏｅｏｒｅ结构增强材料
图１６
ＣＢＳ结构增强材料在侧碰中的应用
２．２提高扭转刚度的４种主要途径２．２．１车身加强件增加或板材加厚
在关键部位，如左右前减振器支架之问增加横梁（图。１７）或提高零件的材料厚度，或仪表板骨架做成更为粗壮的圆管等，可以明显提高整车扭转刚度，但相应的会使成本和质鼍增加，７因此更适于局部扭转刚度薄弱处做加强处理，，不适合在整个白车身上推广。
图１７左右前减振器支架之Ｉ司增加横粱
２．２．２增加车身高强度刚板的用量
大量采用高强度刚板甚至超高强度钢板对于整体扭转刚度．特别是某些可能存在大变形区域的局部刚度的提升帮助明显．这也是目前车身开发的趋势，当然也需要充分考虑成形、焊接工艺及成本控制上的难度。
一３２一
万
方数据２．２．３结构断面的优化
可通过优化主要断面和辅助断面的设计来提高扭转刚度．此时需要对主要断面截面形状、厚度及结构特征进行分析．评估车身主要承载结构的抗扭模量、截面面积等。通常认为这些封闭式断面的截面面积或主惯性矩越大对白车身刚度越有利。但分析数据表明．刚度值可能随断面力学特性反向变化．即刚度与断面主惯性矩或面积可能成反比．同时由于车身轻量化的要求，也不可能一味加大主断面。
２．２．４车身接头的设计优化
接头设计的质量高低直接影响车身刚度的大小
和ＮＶＨ性能的好坏。一般而言，车身主要框架结构的接头应尽量采用盒状封闭结构．在接头处力求避免焊点间距过疏或不均匀、焊接搭边不齐甚至钣金件错开不连接的现象。同时，断面尺寸、加强筋结构、翻边宽度、局部弯曲半径、内部加强板等也是接头强度的重要保障。
３结束语
车身轻量化系数是一个综合ｒ车身尺寸、质
量和性能３方面的综合系数．采用它来比较各车型车身设计的优劣相比传统的单纯比较车身质量或性能的方法更为科学。当然．车身轻量化系数目前也存在一些不明确内容．如车身扭转刚度试验中常包含的车身油漆、油漆密封阻尼零件、前后挡风玻璃和前后副车架等零件是否应统计
在车身质量中：另外。前悬架长度和车身高度并
没有被考虑到这个参数中．大型车辆的分数会受此影响。
参考文献
１
羊军叶永亮．车身设计关键技术．上海汽车。２００８，５．
２陈鑫．轿车车身静态刚度分析及结构优化研究：【学位论
文】．吉林：吉林大学，２００３．
（责任编辑帘青）
修改稿收到日期为２００９年１０月２０日．
汽车技术
车身轻量化系数的决定因素及其优化
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
羊军， 叶永亮， 汪侃磊， Yang Jun， Ye Yongliang， Wang Kanlei上海汽车集团股份有限公司汽车技术
AUTOMOBILE TECHNOLOGY2010(2)
参考文献(2条)
1. 陈鑫 轿车车身静态刚度分析及结构优化研究 2003
2. 羊军;叶永亮 车身设计关键技术[期刊论文]-上海汽车 2008(05)
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_qcjs201002008.aspx
范文二：【doc】车身轻量化系数的决定因素及其优化
车身轻量化系数的决定因素及其优化
?
设计.计算.研究.
车身轻量化系数的决定因素及其优化
羊军叶永亮汪侃磊
(上海汽车集团股份有限公司)
【摘要】介绍了车身设计评价的关键指标一车身轻量化系数,阐述了车身轻量化
系数的优化方法.即减轻车身
质量和提高扭转刚度.指出,应主要从钢材选择,结构设计,新技术新材料的选用等
角度实现车身质量减轻:主要通
过车身加强件增加或板材加厚,车身高强度板用量提高,结构断面优化,车身接头
设计优化等方法提高车身扭转刚
度.
主题词:车身轻量化优化设计
中图分类号:U463.82文献标识码:A文章编号:1000—3703(2010)02—0028—05
InvestigationonBodyLightweightDesignMethod
YangJun,YeYongliang,WangKanlei
(SAICMotorCorporationLtd)
【Abstract]Bodylightweightcoefficientisintroducedinthisarticleasakeyfactorforbodydesignevaluation.An
optimizedmethodofbodylightweight.e.g.weightsaving&stiffnessimprovementarepresented.Itispointedoutinthe
paperthatbodylightweightshouldberealizedmainlybysteelselection,structuraldesign,selectionofnewtechniquesand
newmaterials;whereasbodytorsionstiffnesscanbeimprovedbyaddingbodyreinforcementsorthickeningsteelsheet,
increasingtheamountofhighstrengthsteelsheetusedinbody,optimizingstructuralsectiona
ndbodyjointdesign,etc. Keywords:Body,Lightweight,Optimaldesign
1车身轻量化系数概念轻量化系数的计算方法如下: 国际上目前流行的车身设计评价指标——车身=×l0 较大.达到27.5g.而移动小车模型下的加速度峰值 只为23g,峰值之间相差16.7%.
时间/s
图92种移动壁障模型下汽车B柱加速度曲线 5结束语
以GB2O072—2O06所要求的汽车后碰撞试验 中移动小车壁障实物为基础.针对在汽车后碰撞有 限元仿真中多采用移动刚性墙模型模拟后碰移动小 车模型的问题,建立了移动刚性墙,刚性材料移动小 车和弹性材料移动小车3种移动壁障模型.并利用 LS—DYNA970软件分别对3种移动壁障模型与吸 能钢管及某型轿车的碰撞进行了有限元仿真通过 一
28一
仿真结果分析对比主要零部件的溃缩变形量表明. 移动刚性墙模型和移动小车模型的计算结果差别较 大:刚性材料移动小车模型和弹性材料移动小车模 型的计算结果相差较小.
由此可见.在汽车后碰撞有限元仿真中,移动壁 障模型的选择对有限元仿真计算结果有着重要影 响.本文的研究可为今后汽车后碰有限元仿真中移 动小车有限元模型的建立和移动壁障模型的选择提 供参考
参考文献
1公安部交通管理局.中华人民共和国道路交通事故统计
资料汇编.北京:公安部交通管理局,2005. 2王宏雁.范益丞.燃料电池汽车追尾碰撞模拟分析.上海 汽车.2005.
3LS—DYNAKEYWORDUSER'SMANUAL,VERSION970
LSTC,April2003.
4朱平.肖国峰.等.轿车追尾碰撞仿真及结构耐撞性改进研 究.中国机械工程.2008,19(6). (责任编辑文楫)
. 修改稿收到日期为2010年1月6日
汽车技术
.
设计.计算.研究?
式中.,J为轻量化系数,越小越好;m为白车身(无 门盖.无前后风挡玻璃)质量;为车身扭转刚度; 为四轮间的正投影面积(即前,后轮平均轮距乘以轴 距).
之所以选用轮距和轴距而不选用车辆的长宽是 因为轮距和轴距的大小更能反映乘客舱的空间尺寸 大小.这和目前国际主流设计趋势追求的可利用乘 客舱空间更大,停车占用面积更小相吻合. 2车身轻量化系数的优化方法
车身轻量化的表现由无门盖白车身总成质量, 车身扭转刚度,四轮问正投影面积3项系数决定. 显然.车身质量的减轻与车身扭转刚度的提高有助 于得到更好的车身轻量化表现.
2.1减轻车身质量的3类途径
在车身设计过程中.主要可以从钢材选择,结构 设计,新技术新材料的选用等角度实现车身质量的 减轻.
2.1.1钢材选择
2.1.1.1降低大件,特别是外覆盖件的材料厚度 目前的设计趋势是将外覆盖件的厚度降到0.7 mm,前后盖外板甚至可以降低更低(图1).降低材 料厚度以后会对外板的成形性,刚度和抗凹性带来 不利影响,对不太复杂的外板件,一般可以通过适当 提高材料等级来解决(一般屈服强度不超过220 MPa):对受造型制约的复杂外板件.一般可以采用 烘烤硬化钢来解决:必要时.可以通过结构设计优化 如增加内板的搭接或通过增强非金属结构来对外覆 盖件提供足够的支撑
对于一般的B级车型.在满足相同性能要求的 前提下,和采用传统材料厚度的普通钢材相比.大件 和外覆盖件采用降低0.1mm材料厚度的烘烤硬化 钢或稍微提高一下钢材强度等级.单车质量可以减 轻10奴左右并能实现成本降低百元以上,同时不 需要增加模具成本和制造成本.是值得大力推进的 方案.但是,该方法一般只能应用在非碰撞传力路 径和非关键耐久性的大件和外覆盖件上.数量一般 只有十几个.所以总体应用范围有限
70mm
75mm
70ram
图1外覆盖件材料厚度降低值
2010年第2期
2.1.1.2提高高强度钢板的用量
目前.高强度钢和普通钢的价格差距缩小到了
15%).选择高强度钢,可以通 合理范围内(约10%,
过减少零件数量,降低材料厚度和缩小结构盒状断
面尺寸来达到减轻质量效果,而总成本变化不大. 因此.高强度钢板得到了广泛应用.一些新车型采 用抗拉强度在600MDa以上的超高强度钢板比例 会占到30%甚至更高(图2),而一些能满足欧洲 NCAP五星级碰撞要求的A级车.这一比例达到了 50%(图3)增加高强度钢板的比例不仅可大幅度 减轻质量.同时也有利于提高车身刚度,碰撞和耐 久性性能
Et款车型新款车型
一图2国际上某车型新,旧款材料选择对比 度/MPa
稀?U【J
图3国际上部分A级新车型大量采用高强度钢板 2.1.1.3热成形超高强度钢板的运用
当板材的抗拉强度提高到l000,1200MPa 时.冷冲压模具需要使用特殊且昂贵的材料配合 极高吨位的中压机才能使零件成形.同时.对于零 件反弹,尺寸精度,局部材料严重变薄甚至开裂等 方面的控制往往是制约设计的一系列难点热成 形工艺采用一种比较特殊的钢材.其在加热前其 屈服强度和抗拉强度分别在300MPa和500MPa 左右,断后延伸率达到30%以上.机械性能属于普 通高强度钢板范畴.但在板材高温加热,冲压再冷 却后,该材料会大幅度硬化.零件的屈服强度和抗 拉强度能够分别提高到l100MPa和1500MPa 以上,远超过冷冲压零件的极限强度.因此.通过 大量热成形零件的采用,可有效减少加强板的数 一
29—
.
设计.计算.研究.
量并减薄零件
如图4所示的某车型.在A柱上侧梁,B柱上 侧梁,B柱加强板,中央通道,纵梁延伸板,前缓冲梁 等多处采用了热成形零件,占车身总质量的16%.使 得车身质量仅为289kg,轻量化系数达到了目前国 际领先的2.36
图4某车型热成形钢材用量占车身总质量比例显示 如图5所示,图5a(单层板)和图5b(3层板)两 种B柱内板方案经CAE分析显示具备类似的侧碰 表现其中.图5a中方案只包含一块1.4mr1]的热成 形B柱内板.而图5b中方案包含了2.0mm的B柱 内板和分别为2.5mm和2.0mnm的2块加强板图 5a中方案可以减轻质量近9kg,且单件成本比 图5b中方案低约50元.但模具费高约260万元当 车型总销量达到6万辆以上时.图5a方案的总成本 更低
(a)热成形(b)传统工艺
图5热成形B柱内板与传统
高强度钢的B柱内板总成对比
热成形工艺目前也存在一定缺陷:模具费和材 料费很高:热成形零件的生产速度远低于冷冲压工 艺.很难满足大批量的供货需求:模具可修改的幅度 较小.对于设计的成熟度也是一大挑战. 2.1.2结构设计
2.1.2.1结构优化
在碰撞关键区域优化断面的形式有几种.可通 过增加封闭盒状结构来配合零件尺寸或材料厚度的 降低(图6);可以在零件的关键部位增加加强筋(图
7)或适当调高材料强度:可增加减重孔(图8),切除 多余翻边(图9)等.
2.1.2.2激光拼焊技术的运用
采用激光拼焊技术,可以使用部分区域低料厚, 部分区域高料厚的拼焊板材来进行冲压.这样除大 一
30一
幅减轻质量外还可以减少零件和焊点数量.进一步 降低模具,夹具及焊接成本.
一
图6采用封闭结构增加强度并减轻质量 图7降低材料厚度.在关键部位增加加强筋 图8增加减重孔
图9切除多余翻边
如某车型顶盖横梁就采用了激光拼焊的滚压件 技术(图1O).其顶盖与侧围接头处材料厚度为1.2 mm,中部厚度为0.7ITff1],有效减轻质量0.5kg.而其 B柱封板也采用了激光拼焊技术,削弱了下部强度, 既能保证吸收足够的碰撞能量又能减轻质量. 罔10顶盖横梁采用激光拼焊的滚压件
汽车技术
.
设计?计算?研究?
另一款新车型采用了激光拼焊的超高强度 前纵梁内板(图11).由于纵梁前端在正面碰撞 时需要充分压溃以吸收能量并降低碰撞加速 度.而后端必须足够强以支撑住整个车身结构, 因此纵梁前,后的强度要求差异较大.该车型采 用的激光拼焊板材由两段组成.一段是材料厚
度较小的抗拉强度达到590MPa的双相钢.另 一
段是材料厚度较大的抗拉强度达到780MPa 的双相钢.最后将拼焊后的板材冲压成单块的 前纵梁内板
以上这几个零件采用激光拼焊后单件成本均需 提高20元左右.但有效提高了零件在质量,安全等 方面的性能
图11激光拼焊的超高强度纵梁
2.1.3新技术新材料
2.1-3.1采用金属,非金属轻质材料替代传统钢材 主要有:采用工程塑料的前端模块(图12),翼 子板和举升门;铝合金的前,后缓冲梁和发动机盖; 镁合金的车门框,仪表板骨架和座椅骨架等. 相比传统的钢材.采用这些材料每个零件质量 可以减轻2,10kg,但零件成本也会随之大幅上升. 有时会高1倍甚至数倍对于必须达到较高燃油经 济性或必须满足更低排放要求的车型.采用以上技 术来减轻质量才在总体上更有成本优势.另外.车 身采用更多工程塑料对于总销量50000辆以下的 车型更有成本优势
图l2工程塑料的前端模块
2.1.3.2采用静音钢板
静音钢板是在两层钢板中间涂一层特殊的吸音 隔音材料,形成类似三明治结构的钣金材料.以用 于正常的冲压,焊接,这样可以减薄甚至取代阻 2010年第2期
尼垫,沥青板及隔音垫的使用,以此来减轻车辆 质量.
图13是某车型目前采用的普通钢板与静音钢 板之间的对比.这一对比均不包含隔音材料.二者质 量也基本相同.图14是普通钢板+隔音垫+发动机 侧吸音垫+沥青板(共22.4)对比静音钢板+重新 设计的隔音垫(共12.1kg).从图14中可以看到,静 音钢板配合重新设计的隔音垫,取消发动机侧吸音 垫和沥青板.车内总体噪声能够降低2,3dB.而质 量减轻了10kg.从成本上分析,原普通材料的前围 板和所有取消的隔声零件价格之和与静音钢板的价 格基本相同但是,该技术及其最关键的原材料供 应都控制在国外一两家供应商手里.在国内基本属 于空白
频率/Hz
图13普通钢板和静音钢板的声音传递预测对比 频翠/Hz
图14整体隔音系统的声音传递损失预测对比 2.1.3.3采用非金属结构增强材料替代钣金加强件 如某两家国际企业推出的Terocore材料和CBS 材料.这类材料多由热激活可膨胀的高强度粘结剂 和负荷载体组成,通过填充车内间隙,将各个独立的 负荷载体粘结成一个复合结构.以提高车身的强度 和刚度.其质量,零件成本和模具支出都较低.既可 以作为局部结构优化时的工具.也可以部分替代钣 金加强件来减轻车身质量
图15为3个方案的对比.其结构分布是0.8 mm厚的钢板+Terocore,1.5mm厚的钢板,0.8mm厚 的钢板,质量分别是1.2,1.2kg,O.6.在跌落试 验后,同样质量下,方案l比方案2表现更好:同样 .
设计.计算.研究.
的钢材对比下,增加了Terocore的方案1比方案3 性能更好.再如CBS运用于某车型的实例(图16). 通过CBS局部加强B柱上接头.使得该车型的侧碰 表现由2星级上升到了4星级.而增加的质量不足 1kg,如单纯采用钣金件加强.则质量至少需增加5 kg以上.
誊
图15Temcore结构增强材料
曩??
没有CBS~
时的状况
结构粘结剂
0.34kg
?,?
使用CBS~
后的状态
一
尼龙
0.60kg
图16CBS结构增强材料在侧碰中的应用 2.2提高扭转刚度的4种主要途径
2.2.1车身加强件增加或板材加厚
在关键部位.如左右前减振器支架之间增 加横梁(图'17)或提高零件的材料厚度.或仪表 板骨架做成更为粗壮的圆管等.可以明显提高 整车扭转刚度.但相应的会使成本和质量增加. 因此更适于局部扭转刚度薄弱处做加强处理. 不适合在整个白车身上推广
图17左右前减振器支架之I司增加横梁 2.2.2增加车身高强度刚板的用量
大量采用高强度刚板甚至超高强度钢板对于整 体扭转刚度.特别是某些可能存在大变形区域的局 部刚度的提升帮助明显.这也是目前车身开发的趋 势.当然也需要充分考虑成形,焊接工艺及成本控制 上的难度
2.2.3结构断面的优化
可通过优化主要断面和辅助断面的设计来提 高扭转刚度,此时需要对主要断面截面形状,厚度 及结构特征进行分析.评估车身主要承载结构的 抗扭模量,截面面积等.通常认为这些封闭式断面 的截面面积或主惯性矩越大对白车身刚度越有 利.但分析数据表明.刚度值可能随断面力学特性 反向变化.即刚度与断面主惯性矩或面积可能成 反比.同时由于车身轻量化的要求.也不可能一味 加大主断面
2.2-4车身接头的设计优化
接头设计的质量高低直接影响车身刚度的大小 和NVH性能的好坏一般而言.车身主要框架结构 的接头应尽量采用盒状封闭结构.在接头处力求避 免焊点间距过疏或不均匀,焊接搭边不齐甚至钣金 件错开不连接的现象同时,断面尺寸,加强筋结构, 翻边宽度,局部弯曲半径,内部加强板等也是接头强 度的重要保障
3结束语
车身轻量化系数是一个综合了车身尺寸,质 量和性能3方面的综合系数.采用它来比较各车 型车身设计的优劣相比传统的单纯比较车身质
量或性能的方法更为科学当然.车身轻量化系 数目前也存在一些不明确内容.如车身扭转刚度 试验中常包含的车身油漆,油漆密封阻尼零件, 前后挡风玻璃和前后副车架等零件是否应统计 在车身质量中:另外,前悬架长度和车身高度并 没有被考虑到这个参数中.大型车辆的分数会受 此影响.
参考文献
1羊军叶永亮.车身设计关键技术.上海汽车.2008.5.
2陈鑫.轿车车身静态刚度分析及结构优化研究:[学位论 文】.吉林:吉林大学,2003.
(责任编辑帘青)
修改稿收到日期为2009年10月20日 汽车技术
范文三：汽车轻量化
? 汽车轻量化的必然趋势
o
o 环境：节能减排、降低尾气排放，是低碳时代汽车技术的发展方向 能源：燃料资源的日益短缺，提高发动机的效率、减少驱动环节中的"摩擦损失"是低碳时代汽车技
术的发展方向。若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%；汽车整备质量每减少100公斤，百公里油耗可降低0.3-0.6升；汽车重量降低1%，油耗可降低0.7%，碳排放可以降低0.3%-0.5% o 市场：企业竞争的加剧以及轻量化大势所趋，主机厂对轻量化重视程度越来越高，福特、丰田、大
众、通用、宝马都明确了其轻量化指标。据悉，福特IV150要减重138公斤，它采用了全铝的骨架，而且在保持成本不变的情况下实现减重300公斤的水平。这对它来讲是一个挑战，但是对全铝的整车车身的产业化来说是一个巨变
o 法规：中国第三阶段油耗标准已发布：2015年达到平均燃油消耗6.9L/百公里的目标，2020年实现
5L/百公里（欧盟2015年目标为5.2L/百公里（对应国标），2020年3.8L/百公里；美国2015年，
6.7L/百公里，2020年6L/百公里；日本2015年5.9L/百公里的，2020年4.9L/百公里）
? 汽车轻量化的三种途径
o
o 汽车结构的轻量化优化设计，如结构拓扑优化、尺寸优化、形貌优化和多目标协同优化设计等 应用高强度和轻质材料，如应用高强度钢、先进高强度钢和超高强度钢，铝镁合金，工程塑料、纤维
增强复合材料等
o 采用先进的轻量化制造工艺技术。如激光拼焊、辊压成形、高强钢热成形、内高压成形等先进制造技
术，结构胶粘接和异种材料铆接等先进连接技术
? 采用轻量化材料是汽车轻量化发展的主要方向
o 高强度钢：应用最为成熟，成本较低，减轻效果较为明显。国际主流车型的高强度钢板占车身质量普
遍达60%以上
o 铝合金：比强度，比刚度好，耐腐蚀性强，但高技术高成本。采用铝合金覆盖件，整车可减重
10%~15%（Audi A8 全铝车身）
o 部件，也可以制成一体式的整体结构，大大降低加工成本。宝马、奥迪、帝人等公司都已试验或运用了此项技术。碳纤维复合材料技术被誉为汽车轻量化的最佳选择。康得复材在这一领域居于领先地位，可为汽车轻量化发展提供最顶尖的碳纤维轻量化整体解决方案。
范文四：汽车轻量化
汽车新技术论文
轻量化车身结构
国外从20世纪80年代初就开始进行汽车轻量化研究, 效果比较明显的是用轻型材料替换车身原有钢材, 目前已制造出部分产品。还有一些学者通过有限元法对车身梁截面尺寸进行优化设计。我国的汽车轻量化技术起步较晚, 主要集中在高强度钢板的推广使用。目前有关车身结构轻量化的理论研究和实践已经取得了大量成果。
工程实践中车身结构轻量化的
措施目前还主要依赖于设计经验和
试验, 故往往趋于保守。国外20 世
纪80年代末期发展起来的结构修改
灵敏度分析方法, 是在有限元法的基
础上分析对各变量响应的变化规律,
进而以灵敏度为基础对车身进行优
化, 从而在车身的设计阶段有效地评
估车身结构特性, 并针对其不足之处
提出改进设计的思路和方案 。面向
设计的车身结构轻量化设计是在设
计阶段应用灵敏度分析方法和基于
梯度法的修正可行方向优化算法, 在
保证车身结构性能要求的前提下, 提
高材料的利用率, 从而达到车身结构
轻量化的目的, 其设计流程如图1所
示。首先, 利用设计阶段的CAD 初
步数据建立有限元模型进行车身结
构刚度、模态分析和碰撞安全性评
估。然后, 以此为基础运用灵敏度分
析技术和基于梯度法的修正可行方
向优化算法, 结合扭转工况分析的应
力结果制定保证扭转刚度、弯曲刚
度、1阶扭转模态频率和1阶弯曲模
态频率等主要性能指标不变或略有提 图1.. 面向设计的车身结构轻量化设计流程 高的轻量化方案, 并提交项目组进行
可制造性评审。评审通过后验算优化的模态和刚度, 并进行轻量化效果评估。最后, 对碰撞安全性影响较大的减薄件作材料替换后的碰撞安全性进行验证。至此, 设计阶段的车身结构轻量化设计即告完成。之后, 在试制试装阶段对样车进行试验, 验证仿真结果并对模型进行修正, 为后续的改进设计提供参考。
提高车身结构轻量化的途径有三种途径，分别为材料、结构和工艺。下面分别介绍这三种方法。
１、高强度钢板
一汽于20 世纪90年代末，在国内率先应用冷轧高强度钢板生产商用车车身零件。大量采用抗拉强度340 MPa级烘烤硬化钢板、含磷钢板代替普通强度钢板生产商用车车身零件，使零件厚度减薄。2000年开始，开发屈服强度500 MPa级高强度大梁板，陆续应用在一汽新开发的中、重型商用车上；与传统材料16MnL相比，屈服强度提高43%，疲劳强度提高44%；冲压工艺条件不变,进行了车架优化设计,使车架减重300 kg左右。BH340烘烤硬化钢板共有23种零件，BIF340钢板共有18种零件，２种钢板每车用量228 kg，单车降重约21 kg。高强度冷轧钢板BIF340、BH340在商用车车身上有41种零件得到应用，使高强度钢板占整车用冷轧钢板的用量由原来的8％提高到当前的57.6％；从2006年开始，研究开发了屈服强度700MPa级超高强度钢板,用辊压成形技术制造商用车纵梁。目前，国内外轿车自重的25%在车身，车身材料的轻量化举足轻重。90%的车身钢板使用现已大量生产的高强度钢板，可以在不增加成本的前提下实现车身降重25%，且静态扭转刚度提高80%，静态弯曲刚度提高52%，第一车身结构模量提高58%，满足全部碰撞法规要求。在普通的IF钢板的基础上相继开发了高强度IF钢板、烘烤硬化IF钢板，在保持高成形性的同时提高了强度和抗凹陷性，为车身钢板的减薄和实现轻量化创造了条件。 加入Ti、Nb和V等元素的析出强化钢板拉伸强度在500~750 MPa，可用于车轮和其他底盘零件。近年来开发的多相钢有相当大的应用潜力，其中铁素体－贝氏体钢强度级别为500 MPa，双相钢（DP）和相变诱发塑性钢（TRIP）强度级别为600~800 MPa，复相钢（CP）强度级别在1 000MPa或更高。这些钢的成形性能也很好。
图2 高强度钢板品种
2、 基于隐式参数化模型的优化循环
(1)隐式参数化模型
参数化设计可以通过改动图形某一部分或某几部分的尺寸自动完成对图形中相关部分的改动, 从而实现尺寸对图形的驱动, 因此深受工程设计人员的欢迎。传统的参数化几何体不是利用诸如多项式等数学描述方式直接进行创建和修改, 而是由一系列抽象的参数形成。几何体之间的关系可通过线性方程组来描述, 这种情况是“显式”参数化。而在SFE CONCEPT 的 隐式!参数化描述中, 单个模型的几何形状只由3 种类型的参数来控制: 控制点位置、线曲率和截面形状。系统级模型可以通过控制上述参数和描述单个模型之间的拓扑关系来自动生成。因为所有复杂的系统级模型都是通过拓扑关系相连接, 一旦修改上面提到的任一参数, 与其相关联的所有几何体都会产生相应变化。比如, 调整一个控制点的位置, 影响的将不仅仅是直接相应的目标体, 而可能是模型中大部分的几何构件。图1是设计参数更改时, 传统
CAD参数化模型和隐式参数化模型相应变化的对比。增大门槛梁的截面宽度, 对于图1( a)的传统CAD 参数化模型, 门槛梁形状发生了相应变化, 但由此破坏了系统级模型的几何连续性, 不同部件间产生了脱离或干涉; 对于图1( b)的隐式参数化模型, 随着门槛梁形状的变化, 与之相连的所有几何部件都发生了相应调整, 整个系统模型仍保持原有的拓扑关系及几何连续性。概念设计工程师通过隐式参数化模型可以轻松创建和修改模型的拓扑与几何关系, 而不需要将复杂的映射规则转化成数学描述形式, 这有利于概念阶段各种设计方案的快速实现。
(2) 有限元模型自动生成技术
可迅速创建和修改的隐式参数化模型是实现概念阶段CAE驱动设计的前提条件。然而, 要最终实现设计模型的快速性能评估及优化, 如何通过预先定义的一系列参数来自动生成完整的分析模型, 也是一个必须要解决的问题。SFE CONCEPT 提供了有限元模型自动生成技术, 可以解决这一问题。在对网格质量标准、连接单元特性参数等进行有效设置后, 可通过内嵌式有限元生成模块, 自动生成满足要求的有限元模型。此过程还结合了必要的网格质 量检查程序, 如保证无初始穿透、无单元最小边长小于标准等。有限元模型不仅需要自动生成, 还要能够随着参数化几何模型的更改而实时更新。Mo rph ing技术可以通过改变有限元的节点坐标来实现模型形状的改变, 这是一项常见的应用于有限元模型变形的技术。但该技术在概念设计阶段存在较大的局限性: 首先, 当几何参数发生大的变动时, 网格质量会迅速 变坏, 从而导致仿真结果因为存在大量不符合单元质量标准的坏网格而变得不准确, 严重时甚至无法进行运算; 另外, 该技术只适合于单个模型部件的形状改变, 而无法应用于系统级模型进行拓扑结构修改的情况。SFE CONCEPT 网格自动划分技术克服了以上缺陷, 当几何模型发生参数改变时, 其有限元生成模块会在后台自动运行, 将变动后的模型重新进行网格划分, 而不是在原有网格基础上进行拉动。同时各种连接关系也会随之更新, 因而保证了分析模型的质量。这种快速实现分析模型几何及拓扑修改的功能, 非常适合概念前期模型改动大、设计方案灵活的特点。
(3)优化循环
以上两种功能特性解决了概念设计阶段车身结构优化存在的技术障碍。再将SFE CONCEPT 与合适的有限元求解器及优化工具相联合, 即可以实现优化运算过程的自动循环。将SFE CONCEPT 设置为批处理模式, 利用优化算法可以在其标准的ASC II 界面下修改车身结构的拓扑和形状。其中, 设计变量的设置可有两种形式: 一种即标准的参数元素, 如控制点、线、梁截面等, 这种参数化结构的应用可以使每一个设计元素都能在优化工具中得到修改; 另一种是变量录制, 此功能可以将不同的设计更改集合成一个变量。使用者只须在GU I图形用户界面中简单修改参数化几何, 即可完成录制过程, 设计变量的边界可以通过对模型几何的综合研究来确定。此功能的好处在于可在很短时间内定义大批变量。具体的优化循环流程在图2 中进行了详细描述。工程师只须预先设定目标与约束以及优化进程的收敛标准。循环过程中, 经求解器和优化工具输出的修改后的设计参数直接导入SFE CONCEPT, 几何模型会随之自动更新, 并为下一轮运算导出更新后的分析模型。整个优化循环的运算过程可以自动运行, 不再需要人工参与。
图3 优化循环流程图
3、激光拼焊板技术
(1)激光拼焊设备的种类
激光技术采用偏光镜反射激光产生的光束使其集中在聚焦装置中产生巨大能量的光束。如果点靠近工件，工件就会在几毫秒内熔化和蒸发，这一效应可用于焊接工艺。激光焊接设备的关键是大功率激光器，主要有两大类：
?固体激光器又称Nd∶YAG激光器 Nd（钕）是一种稀土族元素，YAG代表钇铝柘榴石，体结构与红宝石相似。Nd∶YAG激光器波长为1.06μm，主要优点是产生的光束可以通过光纤传送，因此可以省去复杂的光束传送系统，适用于柔性制造系统或远程加工，通常用于焊接精度要求比较高的工件。
?气体激光器又称CO 2激光器:分子气体作工作介质，产生平均为10.6μm的红外激光，可以连续工作并输出很高的功率，标准激光功率在2～5kW之间。
(2)激光拼焊工艺
激光拼焊工艺所采用的生产设备部件主要为传送装置、激光焊接设备、机械手和在线无损检测设备等。其通用流程为：卷料开平→激光切割→激光焊接→冲窝（部分使用）→堆垛包装。激光焊接过程中，光束焦点位置的调节是最关键的控制工艺参数之一。在一定激光功率和焊接速度下通过专门的夹紧装置固定板料的位置，通过调整使激光焦点处于最佳位置范围，从而获得最大熔深和最佳焊缝形状。根据车身不同部位的性能要求，设计车身部件或拼板，以使车身各个主要截面区保持均衡的强度，合理地使用薄板材料的物理化学性能，使焊缝位置适当，并使它在冲压时受到的拉应力最小，力求最经济裁料，以提高金属材料的总使用率，减少材料浪费。此外，对拼板搭接精度要特别关注，同时应避免焊缝位于冲压时受到拉应力最大的部位。
第一步，选择拼板材料。一般来说，对于焊接之后还需进行深拉的0.65～2.5mm厚的板材，要选择“较软”的冷轧低碳钢。但实际上选择塑性及焊接性能较好的高强度薄钢板（屈服点为210～800MPa）也并不少见。
第二步，金属板材或者金属带材裁剪成预定尺寸及形状的板件。这项工作主要是在冲压机上或冲剪机上完成的（也有采用激光、液压砂轮切割的），从而保证了必要的裁剪精度及良好的切边质量，而这些对于下一步激光拼焊尤为重要（实现无缝隙对接）。
第三步，激光拼焊。在激光拼焊时，既要保证良好的经济性，还要保证整个焊缝均衡，焊缝
宽度等于原始材料的厚度并具有较好塑性即冲压形变能力，焊缝强度不低于被焊接材料中“较软”材料的强度。应当指出，CO 2激光器只适用于焊接厚度较小的铝合金板材，对于厚度超过1～1.5mm的铝合金板材建议使用氩气和氮气混合气保护的直流WIG工艺。另外，在以前批量生产中，拼焊板焊缝一般为直线状，这是由当时装备、金属切割生产线及焊接生产线的局限性所决定的。目前的非线性拼焊已经非常成熟了。
第四步，检验拼焊板。该步骤利用了材料厚度较小的特点并且深刻影响了后续深拉工序。对激光拼焊板（0.8～1.5mm厚）焊缝缺陷，可以用电磁声学法检测出来（使用横向偏振平面波），当然也可以用微焦点X光透视等传统方法来检测。对拼焊板的检验还包括对焊缝、焊区物理力学性能的实验研究。在开发焊接工艺时，在对拼焊板焊区质量进行生产抽检时，应主要检测焊缝的强度及塑性，看带有焊缝的结构区是否适于深拉加工。比如对具有横向焊缝及纵向焊缝的平面样件进行拉伸试验，采用机械试验（根据艾雷克橙指数评价）或者液压压延试验检测其冲压深拉能力。同时，要评价焊件不同厚度、冲压及冲压时伴随的热处理之后的焊区强度变化等因素的影响。
(3)激光拼焊在国内外汽车厂的应用
20世纪90年代，欧洲、北美、日本各大汽车生产厂开始在车身制造中大规模使用激光拼焊板技术，近年该项技术在全球新型钢制车身设计和制造上莸得了日益广泛的应用。奔驰、宝马、通用、一汽、东风、JAC及奇瑞等汽车生产厂相继在车身中采用了激光拼焊板技术，如图1所示。目前由拼焊板生产的汽车零部件主要有前后车门内板、前后纵梁、侧围、底板，车门内侧的A、B、C立柱，轮罩及尾门内板等。其中，门内板应用此工艺最多，其次是前纵梁。
范文五：轻量化技术
随着全球不断变暖, 为了防止温室效应和酸雨等问题, 汽车轻量化迫在眉睫, 轻量化材料的使用也在不断增加。 欧洲铝协研究数据表明, 若汽车整车质量降低 10%,燃油效率可提高 6%~8%;若滚动阻力减少 10%,燃油效率可提高 3%; 若车桥、变速器等机构的传动效率提高 10%,燃油效率可提高 7%。具体从绝对 量来说,汽车质量每降低 100kg ,每百公里可节约 0.6L 燃油。但是需要强调的 是:汽车轻量化不仅仅是指汽车质量的下降, 而是在保证汽车整体质量和性能不 受影响的前提下, 采用现代设计方法对汽车产品进行优化设计, 或使用新材料最 大限度地减轻各零部件的质量, 努力谋求高输出功率、 低噪声、 低振动和良好的 操纵性、高可靠性等,从而达到降低燃油消耗、减少污染排放的目的。
为了实现汽车轻量化, 目前主要途径有以下几个方面:结构优化设计 、 轻量 化材料的应用 和 先进制造工艺 。
结构优化 的主要任务是在满足工艺要求的前提下进行结构形状和尺寸设计, 主要包括尺寸优化、 形状优化、 拓扑优化和多学科设计优化。 基体的各种优化方 法比较间表 1。
表 1结构优化设计方法对比
在轻量化技术中, 轻量化材料 的开发和应用是当前最主要研究方向。 在轻量 化材料的使用方面, 用高强度钢和铝、 镁合金替代普通钢来制造汽车主要承载构 件已成为一个发展趋势。此外,塑料、复合材料、精细陶瓷也被应用到汽车结构 中。其中,使用高强度钢、玻璃纤维复合材料、铝、镁、碳纤维复合材料代替原 本的低碳钢可分别减轻质量 15%~25%、 25%~35%、 40%~50%、 55%~60%、 55%~60%。图 1为轻量化材料在汽车中的应用部位图。
图 1 汽车轻量化材料在汽车车中的应用
汽车轻量化材料 — 高强度钢 。
国际钢铁协会根据钢的构造及强度水准,将抗张力在 270 MPa以下的划分 为一般强度钢(软质钢、低强度钢) ,抗张力在 270~700 MPa的为高强度钢, 抗张力超过 700 MPa的为先进高强度钢, 1 000 MPa以上的为超高强度钢。另外 关于热轧高强度钢板,是根据 ISO4996及 ISO595标准予以定义。
与使用一般钢铁材料的汽车相比, 高强度钢板制造过程中能量的增加非常小, 因此使用高强度钢板的汽车在能源节省方面效果非常明显。 具有以下特点, 优点 : a. 与非铁材料相比,价格便宜 b. 强度范围较广 c. 与其它材料相比,用途和机能特 性更广,成形性也非常优秀 d. 材料再利用性比较优秀 e. 与其它材料相比,焊接、 共轭能力更好 f. 冲撞时,安全性更高 g. 内构造抗老化强度更好。 缺点 :a. 随着高 强钢强度增加, 其塑性可能会随之下降, 使得在冲床加工时, 更容易出现因破裂、 皱褶、弹性后效等方面导致不良品 b. 在拉伸强度大于 1 200 MPa时,在腐蚀环 境或空气中含氢较多时, 会发生电位转移和晶体扩散等现象, 导致材料延迟断裂 的可能性增大 c. 随着高强度钢板使用的增加,以及钢板不断地变薄,导致车体 和零部件的韧度下降 d. 材料强度不断增加的同时,冲床加工时所需的加工力也 不断变大,对工模具的要求提高。不同钢种车身质量所占比见图 2。
① BH 钢板
超低碳烘烤硬化钢板(Bake Harden able Steel)是以超低碳钢为基础,通过 添加微量元素 Nb 或 Ti 而制成的烘烤硬化冷轧钢板, 在车身外板中得到应用。 这 种钢板在 160~180℃的条件下通过冲床成型后,在涂装过程中通过碳素稳定的 特性以提高屈服强度。与此同 anti-dentability (抗凹性)得到提高,并且能减小 门把手在承受强的屈服应力时表面变形的问题。
② IF 钢
在需要边外版图的深度图像成型时,使用异方性系数 R 较高的 IF 钢
(Interstitial Free steel)。 IF 钢是以超低碳钢为基础,由于 C 、 N 含量低,加入一 定量的钛(Ti ) 、 铌(Nb )等强碳氮化合物形成元素,再将超低碳钢中的碳、氮 等间隙原子完全固定为碳氮化合物, 从而得到的无间隙原子的洁净铁素体钢, 即 为超低碳无间隙原子钢。 因为其具有不老化性, 所以能提高冲床成型性。 为了得 到高的 R 值,还需在提高冷轧率和烧纯温度的同时,更好的控制烧纯集合组织 及发展相关工艺。
③ 沉淀硬化钢板
沉淀硬化钢板是在低碳型钢基础上,添加 Nb 、 Ti 、 V 等合金元素,干扰其 沉淀硬化过程中析出不同类型和数量的碳化物、 氮化物、 碳氮化物及金属间化合 物的电位移动,以提高钢的强度并保持足够韧性的一类高强度钢。
④ DP 钢
DP 钢板是(Dual Phase steel)由马氏体、奥氏体或贝氏体与铁素体基体两 相组织构成的钢。 因为在铁素体和马氏体的交界处存在很多的可移动电位, 且铁 素体的体积较大,所以相对来说, DP 钢板是具有高强度和高延性的新型冲压用 钢,将其在退火炉中加热后骤冷至 Ms 温度以下时,时效得到延迟。因此, DP 钢板具有很好的硬化性。
另外, DP 钢板变形初期, 因为在低变形率时, 加工硬化指数 N 的数值很高, 随着变形率的增加, 强度也会不断变大,
所以非常适用于需要深拉伸性和延长性 图 2不同钢种在车身不同钢种车身质量所占比
的难成型零部件。但是马氏体和铁素体的塑性变形能力有着很大差异,所以 DP 钢板的拉伸凸缘性不是很好。
⑤ TRIP 钢板
TRIP 钢和 DP 钢一样, 都是含有铁素体和奥氏体的双相钢, 但是其在 Ms 以 上 400 °C 的贝氏体变形区域附近,通过维持 1分钟的徐冷处理(奥氏体回火) , 使得铁素体和奥氏体分散, 从而在增强强度的同时, 提高了延伸性。 此时通过相 变诱导塑性效应而使钢板中残余奥氏体(fcc )在塑性变形作用下诱发马氏体形 核,引入相变强化和塑性增长机制,提高钢板的强度和韧性。 TRIP 钢通过 TRIP 效应,使得在高变形区时 N 值提高,跟 DP 钢相比具有均一延展率高的特点。 TRIP 钢虽然异方性指数 R 值比较低, 但在深冲压工艺中, 通过诱发马氏体形核, 使其强度增加,抑制断裂,所以 TRIP 钢的深拉性很优秀。另外, TRIP 钢大约 含有 10%的残留奥氏体,碳素成分比 DP 钢高,因此电焊时要十分注意。
⑥ FB 钢
FB 钢是由微量铁素体和贝氏体组成的双相钢。因为其有出色的延伸和延展 性, 所以是非常适用于轮盘上的热轧钢板。 与统一强度的 HSLA 钢和 DP 钢相比, FB 钢具备更高的加工硬化指数和全延伸率以及更好的加工面全段延伸性。因其 焊接能力好, 所以在需要优秀冲撞性能及耐久性的零件 “ 特制板坯 ” 中也可以使用。 ⑦ TWIP 钢
孪生诱发塑性钢是在含有 15%~35% Mn的高锰钢的基础上加入少量铝 (0.1%~6.0%)的延伸性较高的钢。铝的作用是提高堆垛层错能,强化奥氏体 的稳定性,抑制其变异为马氏体。
TWIP 钢利用了高锰钢中的奥氏体组织在常温下塑性变形时,不会变异为马 氏体,此外通过在 {111}r112 界面孪生变形的同时吸收外部应力提高自身的强度 等特征,使内部变形能均衡进行。一般的由 Fe- 25Mn- 0.5C- 1.5Al 组成的 TWIP 钢是 POSCO 在 1994年初次开发,最近在菲亚特的 “ new panda” (新熊猫车型) 保险杠中得到运用。最近,以德国 MAx Planck研究所的研究结果为基础,在欧 洲各个钢铁企业, 尤 Fe-18Mn-0.6C-1.5Al-NbV 组成, 名叫 HSDS (High Strength Ductile Steel的钢投入使用。 另外, 锰含量在降低到 10%左右的低锰 (lean Mn-type) TWIP 钢也已研发出来。
与一般高强度钢相比, 通过孪生诱发变形的 TWIP 钢具有在塑性变形中加工 硬化速度较慢的特点。另外, DP 钢和 TWIP 钢对氢致脆化比较敏感,因此在加 工过程中,易出现延迟破损的情况。但是加工后奥氏体组织不变的 TWIP 钢,抗 氢致脆化性比较强, 没有观察到延迟破损等情况的发生。 并且 TWIP 钢在低温时, 强度不会像铁素体钢那样急增,脆性 -延展性导致的变异温度较低,因此其具有 在低温下使用的长处。另外,因为 TWIP 钢中添加锰、铝等物质均比铁轻,所以 TWIP 钢的密度较低,约为 7.3 g/cm3(铁大约为 7.86 g/cm3) 。
此外,由 100%马氏体组成的 MART (Martensit ? ic Steel)钢,在铁素体和贝 氏体中含有少量马氏体和残留奥氏体,以及含有珍珠岩、 Ti 、 Nb 等析出物的复 合组合型 CP 钢(Complex Phases steel)也已被研发并应用。
德国 Max Planck研究所 ThyssenKrupp 联手,正在研发在比较重的钢板中加 入 5%~10%的 Al 等轻量元素, 以得到低质量的新概念轻型钢 (light weight steel) , 此钢将很快实投入生产。 DP 钢、 TRIP 钢、 FB 钢与析出强化型钢相比,延展性 强,是冶金业的新型产物,同时可被叫做尖端高强度钢(AHSS ) 。
高强钢和其它轻量化材料性能及应用对比见表 3。
表 2轻量化材料性能及应用对比
实现汽车轻量化的 先进工艺 主要包括液压成型技术和激光焊接技术。 液压成 型技术。 20世纪 70年代末期,德国率先开始对管材液压成型技术进行基础性研 究, 并于 20世纪 90年代初率先采用管材液压成型技术制造汽车构件, 该技术因 1994年的 “U L S A B” 计划的开展而得到快速发展。 与传统的冲压 -焊接工艺相比, 液压成型技术可降低 11%的零件成本、 14%的设备成本、 减轻零件 7.3%的质量, 目前,已有超过 50%的汽车底盘装配有液压成型产品。激光焊接技术是 20世纪 60年代发展起来的以高能量密度的激光为热源的精密焊接技术。其应用包括汽 车零件的激光焊接、 板材的激光焊机、 车身激光焊接, 激光焊接已成为汽车制造 生产中最主要的焊接方法之一。液压成型技术和激光焊接技术的比较见表 3。
表 3先进制造工艺对比
总之, 要实现汽车的轻量化应该从多个途径入手, 同时注意相关配套设备的 设计与制造。可以用图 3来表示汽车轻量化技术的框架。
图 3轻量化技术框架
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