基于某SUV白車身輕量化研究及應(yīng)用

張 龍（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230009）

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基于某SUV白車身輕量化研究及應(yīng)用

張 龍
（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230009）

摘要：基于某SUV轎車?yán)密嚿磔p量化系數(shù)進(jìn)行白車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。文章主要從提高白車身剛度和有效降低車身重量?jī)纱蠓矫孢M(jìn)行研究：第一、在結(jié)合車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程，針對(duì)車身典型斷面、車身主要鉸接點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析優(yōu)化，以及利用鈑金厚度對(duì)車身剛度的靈敏度分析，從而提高車身剛度、優(yōu)化鈑金厚度降低車身重量。第二、在滿足車身碰撞安全、剛度、強(qiáng)度要求的情況下，提高車身高強(qiáng)鋼板的應(yīng)用比例、進(jìn)行新材料及新工藝的應(yīng)用，有效降低白車身重量。

關(guān)鍵詞：白車身；輕量化系數(shù)；扭轉(zhuǎn)剛度；白車身重量

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.004

CLC NO.: U463.82+1Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)05-90-05

前言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展，中國(guó)已經(jīng)成為世界第二大汽車消費(fèi)市場(chǎng)。然而自主品牌相對(duì)合資品牌的成本優(yōu)勢(shì)日趨減弱，自主品牌市場(chǎng)占有率和銷量都呈下降趨勢(shì)，最主要的因素在于產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力和品牌美譽(yù)度太弱。從車身設(shè)計(jì)角度，就如何達(dá)到更加經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保、安全的車身是我們提高競(jìng)爭(zhēng)力的主要發(fā)展方向。目前汽車輕量化設(shè)計(jì)應(yīng)包括質(zhì)量減輕和功能的完善和改進(jìn)，為表征白車身的輕量化的效果，寶馬汽車公司的Bruno Ludke提出了輕量化系數(shù)的概念，該系數(shù)L可用下式（1）表示為[1]：

式中MBIW表示白車身的結(jié)構(gòu)重量（不包括門蓋和前后風(fēng)擋玻璃），單位為kg；CT表示靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度（包括風(fēng)擋玻璃），單位為Nm/°；A表示左右輪邊寬度與前后輪中心距的乘積所得的面積，單位為m2，其大小決定內(nèi)部空間的寬敞舒適度及車型級(jí)別；汽車輕量化效果反應(yīng)在L值上為下降。

利用輕量化系數(shù)來(lái)指導(dǎo)車身輕量化設(shè)計(jì)，其系數(shù)越低代表車身輕量化程度越高。如何降低輕量化系數(shù)，本文主要是從提高白車身剛度和在滿足碰撞法規(guī)要求等前提下有效降低車身重量?jī)纱蠓矫孢M(jìn)行研究和應(yīng)用。

1、提高車身剛度的方法

在車身結(jié)構(gòu)中，主要車身受力骨架基本以封閉梁的形式構(gòu)成或可簡(jiǎn)化為梁的結(jié)構(gòu)，然而在各種工況及承載的情況下，都主要受到扭轉(zhuǎn)載荷或者不同類型的載荷所引起的扭曲。在實(shí)際情況中，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力不只是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)扭曲，大多數(shù)情況下會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。

結(jié)合車身設(shè)計(jì)流程，在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念階段優(yōu)化典型斷面結(jié)構(gòu)，提高斷面特性；在車身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)階段，進(jìn)行主要交接點(diǎn)剛度的優(yōu)化；在車身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)優(yōu)化階段，主要進(jìn)行鈑金料厚對(duì)車身剛度靈敏度的分析，從而在確保整車剛度的情況下降低車身重量。

1.1優(yōu)化典型斷面結(jié)構(gòu)

車身主斷面的幾何性質(zhì)包括截面形狀和大小，與之相關(guān)的物理量是截面面積As和截面主慣性矩Iz方程（2）、Iy方程（3）。截面面積和截面主慣性矩是計(jì)算截面剛度的主要參數(shù)，是影響白車身剛度特性的重要因素。進(jìn)一步分析對(duì)白車身剛度影響顯著的幾何特性和白車身剛度的關(guān)系，對(duì)于改進(jìn)車身結(jié)構(gòu)、改善車身剛度特性具有重要意義。

如下圖1以薄壁矩形截面分析[2]：

圖1　矩形薄壁截面

式中As為板料厚度中線所圍成的面積，在中線周長(zhǎng)S一定，抗扭慣性矩Jk方程（4、5）與As的平方成正比，而截面形狀無(wú)獨(dú)特意義，所圍面積大小則很重要。圓形截面對(duì)抗扭最有利；矩形截面中，正方形抗扭能力最高，當(dāng)矩形兩邊之比h/b>2時(shí)，抗扭剛度明顯下降。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，多以標(biāo)桿車典型斷面為依據(jù)進(jìn)行新車型的斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。圖2為我公司某SUV車型典型斷面序號(hào)圖，現(xiàn)就表1中第14、20號(hào)典型截面在不更改鈑金材質(zhì)與料厚的情況下，調(diào)整截面形狀來(lái)優(yōu)化斷面特性，從而使該截面抗彎慣性矩和抗扭慣性矩均得到明顯的提高。給下一步基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

圖2　車身典型截面序號(hào)

表1　經(jīng)優(yōu)化后的斷面性能比較

1.2針對(duì)主要鉸接點(diǎn)進(jìn)行剛度分析優(yōu)化

圖3　車身主要鉸接點(diǎn)

圖4　C鉸接點(diǎn)的約束及載荷施加

車身骨架是由側(cè)圍A、B、C柱、門檻梁、地板縱梁、頂蓋前后橫梁及上邊梁通過(guò)車身鉸接點(diǎn)連接而成。而車身的剛度、模態(tài)等正是由這些梁和鉸接點(diǎn)的力學(xué)特性決定的。車身主要鉸接點(diǎn)如圖3。根據(jù)要求，針對(duì)每個(gè)鉸接點(diǎn)進(jìn)行邊界條件及載荷施加。例如圖4，針對(duì)C鉸接點(diǎn)邊界約束及載荷施加。

現(xiàn)就某SUV車型的C鉸接點(diǎn)剛度分析。對(duì)C鉸接點(diǎn)受到X方向500N的力，位移、應(yīng)力分布如下圖5。對(duì)C鉸接點(diǎn)受到Y(jié)方向300N的力，位移、應(yīng)力分布如圖6。

圖5　C鉸接點(diǎn)X方向位移（0.041mm）、應(yīng)力分布

圖6　C鉸接點(diǎn)Y方向位移（0.492mm）、應(yīng)力分布

表2　C鉸接點(diǎn)剛度值（N/mm）

從表2的剛度數(shù)值可得，C鉸接點(diǎn)Y向剛度較差。根據(jù)調(diào)整優(yōu)化鉸接點(diǎn)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)變量如：倒角半徑、內(nèi)部加強(qiáng)件、孔、鈑金厚度、翻邊寬度、焊縫位置、焊點(diǎn)間距等方法。[3]就該C鉸接點(diǎn)經(jīng)加大前門洞處R角鈑金以及將B柱內(nèi)板加強(qiáng)板的料厚由1.0mm調(diào)整為1.2mm，從而達(dá)到目標(biāo)值。

1.3基于鈑金料厚對(duì)車身剛度靈敏度的分析

針對(duì)白車身各個(gè)鈑金件厚度為靈敏度分析的設(shè)計(jì)變量，在不降低車身性能的條件下，以相關(guān)剛度和模態(tài)為約束，以白車身鈑金件整體質(zhì)量（不含四門兩蓋及翼子板）為目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行靈敏度的分析[4]。計(jì)算得到靈敏度，并繪制柱狀圖。由于剛度無(wú)法在軟件中體現(xiàn)，因此在模型定義時(shí)，將剛度以位移形式體現(xiàn)，對(duì)應(yīng)位移越大表示剛度越小。下圖7、圖8為本公司某SUV就整車制件料厚與剛度分析的靈敏度柱狀圖，且圖示為白車身中鈑金料厚對(duì)白車身剛度影響最小的制件。

圖7　白車身鈑金料厚與彎曲剛度的靈敏度分析結(jié)果Sensitivity Result- Bending Stiffness （Case 1）Most Sensitive Part?。ˋll Part）

圖8　白車身鈑金料厚與扭轉(zhuǎn)剛度的靈敏度分析結(jié)果Sensitivity Result- Torsion Stiffness （Case 1）Most Sensitive Part　（All Part）

經(jīng)過(guò)篩選排除靈敏度較大的零件后，利用Nastran軟件重新設(shè)置優(yōu)化空間，將優(yōu)化部位的位移變化和白車身的模態(tài)變化控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，以剛度和模態(tài)作為約束、質(zhì)量為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化分析。通過(guò)對(duì)多組減重方案進(jìn)行安全碰撞分析及耐久分析，最終確定可行方案。

表3為不同減重方案下，整車剛度值。最終選擇方案2進(jìn)行方案的確認(rèn)。即在確保彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度滿足目標(biāo)值的情況下，通過(guò)對(duì)35組制件的料厚調(diào)整，最終達(dá)到白車身減重15.52Kg，見表3。

表3　各方案整車剛度值

表4　優(yōu)化后部分鈑金料厚和重量的變化

2、在滿足車身碰撞安全和強(qiáng)度要求的情況下針對(duì)白車身重量進(jìn)行以下幾個(gè)方面的優(yōu)化，來(lái)達(dá)到輕量化目標(biāo)

2.1提高車身高強(qiáng)鋼板的應(yīng)用比例

豐田汽車的GOA（Global Outstanding Assessment是根據(jù)世界很多國(guó)家的安全標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合眾多的實(shí)際交通案例，反復(fù)進(jìn)行了許多碰撞試驗(yàn)后，研發(fā)出來(lái)的一項(xiàng)被動(dòng)安全技術(shù)。）安全車身正是由高張力、高彈性鋼板制作，加上車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的優(yōu)化設(shè)計(jì)、和先進(jìn)的整體式?jīng)_壓工藝及焊接工藝，使整車在行駛過(guò)程重撞擊的瞬間，安全車身以自我犧牲的方式，把沖撞力切斷、吸收，再經(jīng)由整體式車身，把力量均勻分散至車身各部分骨架，盡可能降低座艙內(nèi)部空間的變形程度，最大限度保護(hù)座艙中的駕乘者。位于車前后的可潰縮車體，不僅能應(yīng)對(duì)撞擊事故，還能全方位加強(qiáng)座艙防護(hù)，緩和二次撞擊，有利于駕駛者逃逸或被救。

根據(jù)美國(guó)汽車用鋼手冊(cè)關(guān)于矩形截面梁的碰撞性能研究。其主要內(nèi)容為，沖擊載荷（Pm）方程（6）與矩形薄壁截面梁的斷面尺寸、不同材質(zhì)料厚和強(qiáng)度的關(guān)系。[5]

注： C=（b+d）/2；δo=（0.9到0.95）δu；δu=鋼板的極限強(qiáng)度；b、d=矩形截面的邊長(zhǎng)；t=均勻的料厚。

試驗(yàn)主要由兩種板材，25AK和50AK進(jìn)行研究，其屈服強(qiáng)度分別為172MPa（25ksi）和345MPa（50ksi），板厚分別為1.98mm和1.88mm。經(jīng)組合構(gòu)成八組截面的式樣，進(jìn)行模擬三種不同速度的碰撞試驗(yàn)分析，時(shí)速分別為43.2km/h、28，5km/h和準(zhǔn)靜態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果見圖9。

圖9　矩形截面梁平均沖擊力統(tǒng)計(jì)

由此可得，當(dāng)截面形式一致時(shí)板材厚度越厚和強(qiáng)度越高，其碰撞能量吸收越好。在滿足車身性能和被動(dòng)安全的情況下，提高高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用比例，可有效進(jìn)行車身的輕量化。下圖10為我公司某SUV車身高強(qiáng)板使用示意圖。在該車型在滿足各項(xiàng)要求的情況下，較一代車型減重約26KG。

圖10　某SUV高強(qiáng)板分布及比重

2.2新材料及新工藝的應(yīng)用

2.2.1熱成型工藝及熱成型超高強(qiáng)度板材的應(yīng)用

自上世紀(jì)末，德國(guó)蒂森克虜伯鋼鐵公司研制出超高強(qiáng)度熱成型板材，并在1999年為法國(guó)雷諾汽車的Laguna車型提供熱沖壓緩沖器支架，并取得優(yōu)異碰撞結(jié)果。之后，歐洲各汽車主機(jī)廠紛紛應(yīng)用熱成型鈑金件。由于國(guó)內(nèi)汽車用鋼發(fā)展水平和汽車鈑金沖壓模具加工水平以及進(jìn)口成本過(guò)高的制約，國(guó)內(nèi)自主品牌汽車在該技術(shù)上的應(yīng)用一直是空白。自寶鋼2006年實(shí)現(xiàn)熱沖壓成型鋼生產(chǎn)供貨以來(lái)，各自主品牌才得以應(yīng)用。

由于此類材質(zhì)鈑金具有至少900MPa的屈服強(qiáng)度以及至少1450MPa的抗拉強(qiáng)度，為車身在碰撞過(guò)程中得到更安全的座艙提供了主要手段，并為車身輕量化提供了又一途徑。其加工工藝流程如圖11，由于過(guò)程的獨(dú)特性，使超高強(qiáng)板的回彈得到很好地控制等優(yōu)點(diǎn)。

圖11　熱沖壓成型工藝流程[6]

寶鋼生產(chǎn)的熱沖壓成型高強(qiáng)度硼鋼的主要成分及力學(xué)性能見表5、6。

表5　寶鋼熱沖壓用鋼BR1500HS的化學(xué)成分

表6　寶鋼熱沖壓用鋼BR1500HS的力學(xué)性能

以下實(shí)例圖12為我公司某SUV車型就熱成型鈑金的應(yīng)用，在確保碰撞需求的情況下。該車型B柱加強(qiáng)板總成熱成型比普通設(shè)計(jì)方案減重2.734kg（左右總成），比激光拼焊方案減重1.43 kg（左右總成）；門檻外板加強(qiáng)板由B410LA-1.5t更換為B1500HS-1.2t減重2.29kg（左右總成）。

圖12　某SUV主要車身熱成型部件

2.2.2激光拼焊板的應(yīng)用

激光拼焊板材在國(guó)內(nèi)自主品牌轎車中的應(yīng)用已達(dá)到成熟。其技術(shù)是基于成熟的激光焊接技術(shù)發(fā)展起來(lái)的現(xiàn)代加工工藝技術(shù)，在車身設(shè)計(jì)制造中，根據(jù)車身不同的設(shè)計(jì)和性能要求，選擇不同規(guī)格的鋼板，發(fā)揮鋼板的特性，進(jìn)行激光拼接，解決單一材質(zhì)鈑金無(wú)法同時(shí)有效滿足不同性能的需求，做到有的放矢。其還具有有效降低車身重量、提高材料利用率、減少車身零部件和鈑金沖壓模具數(shù)量，并減少點(diǎn)焊和焊接工裝等優(yōu)點(diǎn)。其在車身中主要應(yīng)用在前后縱梁、前后門內(nèi)板、A柱內(nèi)板、B柱內(nèi)板等。在我公司某SUV中共有8個(gè)制件（4個(gè)縱梁、4個(gè)門內(nèi)板，如圖13）采用激光拼焊板，制件總重量達(dá)43kg，減重約8.5kg，焊點(diǎn)數(shù)量減少128個(gè)。

圖13　某SUV前門內(nèi)板采用激光平焊材料

2.2.3塑料翼子板的研究

塑料翼子板體現(xiàn)優(yōu)勢(shì)在于低重量，相對(duì)于普通鋼板高達(dá)40％的減重；相對(duì)于金屬件有很大的造型自由度；低速碰撞可回彈復(fù)原，減免維修費(fèi)用；優(yōu)越的耐侵蝕性；模塊化安裝、集成程度高；強(qiáng)度低，發(fā)生碰撞時(shí)對(duì)行人的傷害性小，提高了車輛的行人保護(hù)性能。

隨著環(huán)保、經(jīng)濟(jì)性的要求逐漸提高，整車輕量化的發(fā)展，塑料翼子板越來(lái)越多的被應(yīng)用于汽車上。如圖14為歐洲塑料翼子板的應(yīng)用趨勢(shì)。

圖14　塑料翼子板應(yīng)用趨勢(shì)

塑料翼子板的材料和工藝選擇：塑料翼子板在國(guó)際上的通用注射成型兩方式，采用的噴涂工藝有在線和離線噴涂方式，表6是這幾方面的區(qū)別。[7]

由表7可知，該車型的塑料翼子板相對(duì)金屬翼子板減重達(dá)33.5％，整車減重1.68kg。從單件成本上比較，塑料翼子板的費(fèi)用約是金屬翼子板的的1.3倍，整車成本將增加60元。因此對(duì)于自主品牌中低端車型，成本壓力較高，實(shí)際應(yīng)用率較低，多處于研究階段。但以塑代鋼已經(jīng)是現(xiàn)代汽車車身輕量化發(fā)展的趨勢(shì)，自主品牌需要快速的成長(zhǎng)。

表6　塑料翼子板加工工藝對(duì)比

表7　某SUV金屬翼子板與塑料翼子板質(zhì)量和成本對(duì)比

3、總結(jié)

自2012年4月18日國(guó)務(wù)院討論通過(guò)《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012—2020年）》?！兑?guī)劃》強(qiáng)調(diào)，從2015年開始，國(guó)內(nèi)車企生產(chǎn)的乘用車平均燃料消耗量必須降至每百公里6.9升。這一標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，是自主品牌的機(jī)遇、更是挑戰(zhàn)。白車身輕量化系數(shù)在歐洲白車身年會(huì)的車身性能中已作為一個(gè)重要考核項(xiàng)。因此將車身輕量化系數(shù)作為自主品牌的車身設(shè)計(jì)的一個(gè)考核指標(biāo)，同樣具有重要的意義。根據(jù)輕量化系數(shù)公式的計(jì)算，我公司平均車型的輕量化系數(shù)處于4.5-5.5左右，高強(qiáng)板的應(yīng)用比例低于50％。因此就加快車身輕量化設(shè)計(jì)的步伐刻不容緩，設(shè)計(jì)能力更需要急速的提高，制造出更加經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保、安全的車身，以滿足競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)烈的市場(chǎng)的需求。

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Based on a Certain SUV Lightweight Research and Application of The BIW

Zhang Long
（Anhui Jianghuai Automobile Co.Ltd., Anhui Hefei 230009）

Abatract: Based on coefficient of a SUV car using lightweight car body structure optimization design of the body-in-white. This article mainly from improve the rigidity and effectively reduce the body weight of BIW on the two aspects of research: first, in combination with car body structure design process, the typical cross section，car body main intersection optimization of structural analysis, and the use of sheet metal thickness of car body stiffness sensitivity analysis, thus improve the body stiffness, optimization of the thickness of the sheet metal to reduce body weight. Second, in satisfies the requirement of vehicle collision safety, stiffness, strength, improve the proportion of the application of high strength steel plate, car body for the application of new materials and new technology, effectively reduce the BIW weight.

Keywords:body-in-white; lightweighting coefficient; torsional stiffness; weight of BIW

中圖分類號(hào)：U463.82+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988 （2016）05-90-05

作者簡(jiǎn)介：張龍，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。材料成型及控制專業(yè)，從事車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。