車身輕量化性能分析

張德偉,徐鑫,孔雪，祝哮，楊路，韓立勝

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧遼陽 111003)

0 引言

為促進我國汽車電動化、低碳化健康快速發(fā)展，同時為了企業(yè)更好地履行社會責(zé)任，緩解我國能源消耗壓力，促進汽車工業(yè)節(jié)能減排，我國于2018年4月開始實施《乘用車企業(yè)平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》，即雙積分政策。

各個汽車企業(yè)加大節(jié)能技術(shù)投入力度，積極調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，采取多種措施達到年度平均燃料消耗量和新能源汽車積分比例要求。純電動乘用車積分公式為：0.012R+0.8，其中R為電動汽車續(xù)駛里程(工況法)，單位為km。所以純電動乘用車為了提高續(xù)航里程，積極采用各種輕量化措施，鋁合金車身應(yīng)運而生并逐步應(yīng)用在汽車領(lǐng)域。

鋁合金車身實現(xiàn)輕量化指標的同時，也應(yīng)滿足車身性能目標。汽車的輕量化是指在保證汽車性能目標的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動力性以及汽車續(xù)航里程。車身剛度是車身設(shè)計最重要的指標之一，也是決定汽車品質(zhì)和性能的重要指標，它主要分為扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度。本文作者通過CAE分析來評價輕量化系數(shù)和鋁合金車身剛度。

1 白車身剛度及輕量化系數(shù)

1.1 白車身剛度

車身剛度是整車結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)，會直接影響到轎車的操縱性、安全性、可靠性、NVH等性能。彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度是車身設(shè)計的主要指標，其中彎曲剛度是車身抵抗彎曲變形的能力；扭轉(zhuǎn)剛度是車身抵抗扭轉(zhuǎn)變形的能力。

(1)彎曲剛度工況

約束：左、后減振器安裝點XYZ向平動；右、后減振器安裝點XZ向平動；左、前減振器安裝點YZ向平動；右、前減振器安裝點Z向平動。

載荷：在通過前、后減振器安裝點中間位置的YOZ平面與門檻相交的位置施加沿Z軸負向載荷F=1 500 N。彎曲工況如圖1所示。

(2)扭轉(zhuǎn)剛度工況

約束：左、后減振器安裝點XYZ向平動；右、后減振器安裝點XZ向平動；防撞梁中間位置Z向平動。

載荷：在左、右前減振器兩個安裝點上施加一大小為2 000 N·m的力矩，轉(zhuǎn)換為力的方向(沿Z向)。扭轉(zhuǎn)工況如圖2所示。

圖1 彎曲工況示意圖

圖2 扭轉(zhuǎn)工況示意圖

1.2 白車身輕量化系數(shù)

輕量化系數(shù)是目前被汽車行業(yè)普遍接受的一個評價白車身輕量化水平的指標，數(shù)值小，表示輕量化水平越高，它綜合考慮了白車身的質(zhì)量、扭轉(zhuǎn)剛度及車身大小，對車身的結(jié)構(gòu)設(shè)計、性能分析及輕量化水平有重要的指導(dǎo)意義。

輕量化系數(shù)計算公式：

式中：L為白車身輕量化系數(shù)(簡稱輕量化系數(shù))，kg·(°)/[(N·m)·m2]；m為白車身骨架質(zhì)量，不含四門兩蓋，kg；Ct為白車身靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度，帶擋風(fēng)玻璃，N·m/(°)；A為白車身腳印面積(即軸距×輪距)，m2。

歐洲汽車車身會議(Euro Car Body，ECB)每年10月份在德國舉行。ECB是汽車行業(yè)的頂級水平會議，引領(lǐng)全球汽車車身的發(fā)展。ECB展示的2010年至2017年的車型輕量化系數(shù)平均為3.01。

2 白車身剛度分析

2.1 彎曲剛度分析

白車身彎曲剛度用車身上所受彎曲載荷之和與車身上最大彎曲位移值的比值來衡量，計算公式為

K彎曲=F/z

式中：F為所施加載荷的總和，N；z為門檻位置垂向彎曲位移最大值，mm。

白車身在彎曲載荷下Z方向位移云圖如圖3所示。

圖3 彎曲載荷位移云圖

白車身彎曲工況下的加載位置對應(yīng)門檻下的Z向最大位移為0.227 mm，施加載荷的總和為3 000 N，其彎曲剛度值為

K彎曲=F/z=3 000/0.227=13 215 N/mm

當白車身在受到彎曲載荷作用時，車身的各個開口會產(chǎn)生變形。開口變形量的大小會直接影響到車身零部件之間干涉性和密封性。所以，車身主要開口(左、右車門)的變形量是極其重要的，同時也是作為車身彎曲剛度的一個評價指標。在每個主要開口處選取兩條對角測量線，共選取4條測量線。開口對角線的編號和位置分布如圖4所示。彎曲載荷下每條測量線變形前、后的長度及其變形量如表1所示。

圖4 洞口測量位置示意圖

表1 彎曲載荷下開口變形mm

根據(jù)表1對開口變形量的統(tǒng)計可知，最大開口變形量為右車門的R1。變形量為0.029 mm，車身結(jié)構(gòu)的開口變形量滿足設(shè)計要求。

車身縱梁、門檻在彎曲下的變形曲線如圖5所示，縱梁及門檻變形曲線左右對稱且無突變情況，滿足設(shè)計要求。

圖5 彎曲變形曲線圖

2.2 扭轉(zhuǎn)剛度分析

車身扭轉(zhuǎn)剛度用車身上所受扭矩與車身上左、右加載點的相對扭轉(zhuǎn)角的比值來衡量，計算公式為

K扭轉(zhuǎn)=M/φ

式中：M為所施加扭矩，N·m；φ為左、右加載點的相對扭轉(zhuǎn)角，(°)。

白車身在扭轉(zhuǎn)載荷下Z方向位移云圖如圖6所示。

圖6 扭轉(zhuǎn)載荷位移云圖

此白車身扭轉(zhuǎn)工況下的相對扭轉(zhuǎn)角為0.128°，施加扭矩為2 000 N·m，其扭轉(zhuǎn)剛度值為

K扭轉(zhuǎn)=M/φ=2 000/0.128=15 625 N·m/(°)

當白車身受到扭轉(zhuǎn)載荷作用時，車身的各個開口也會產(chǎn)生變形,開口對角線的編號和位置分布如圖4所示。每條測量線變形前、后的長度及變形量如表2所示。

表2 扭轉(zhuǎn)載荷下開口變形 mm

根據(jù)表2對開口變形量的統(tǒng)計可知，最大開口變形量為右車門的R2。其變形量為0.495 mm，車身結(jié)構(gòu)的開口變形量滿足設(shè)計要求。

車身縱梁、門檻在扭轉(zhuǎn)下的變形曲線如圖7所示，縱梁及門檻變形曲線左、右對稱且無突變情況，滿足設(shè)計要求。

圖7 扭轉(zhuǎn)變形曲線圖

3 白車身輕量化評價

隨著雙積分政策的實施以及新能源汽車補貼的逐步退坡，汽車企業(yè)不斷加大技術(shù)投入，逐步提高輕量化水平，提高材料利用率。選取某車型為小型純電動車，采用鋁合金車身，整備質(zhì)量低，續(xù)航里程高達300 km，而且100 km內(nèi)耗電量低，在市場競爭中脫穎而出。根據(jù)純電動乘用車積分公式可知：

0.012×R+0.8=0.012×300+0.8=4.4

該車型單車積分高，有利于企業(yè)積累新能源汽車正積分。在保證剛度性能基礎(chǔ)上，運用輕量化系數(shù)來評價此鋁合金車身的輕量化指標。

根據(jù)輕量化系數(shù)計算公式：

kg·(°)/[(N·m)·m2]

式中：白車身骨架質(zhì)量m為136.8 kg；白車身靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度Ct為15 625 N·m/(°)；白車身腳印面積A如圖8所示(即軸距×輪距)，為2.155×1.440=3.103 2 m2。

圖8 白車身腳印面積示意圖

該車型的輕量化系數(shù)為2.82，低于ECB展示的2010年至2017年的車型輕量化系數(shù)平均值3.01，輕量化水平較高。通過合理的截面設(shè)計，可靠的接頭連接，車身框架的合理布局，鋁合金白車身既可以實現(xiàn)輕量化目標，也可以保證車身的使用可靠性能。隨著鋁合金車身技術(shù)的不斷成熟，它將逐步廣泛應(yīng)用于汽車設(shè)計中。

4 結(jié)論

文中通過對鋁合金白車身剛度及輕量化系數(shù)綜合分析，結(jié)論如下：

(1)鋁合金白車身的扭轉(zhuǎn)剛度、開口變形及變形曲線滿足目標要求。

(2)鋁合金白車身的彎曲剛度、開口變形及變形曲線滿足目標要求。

(3)鋁合金白車身輕量化系數(shù)較低，輕量化水平較高，達到白車身輕量化指標。

(4)鋁合金白車身既可以實現(xiàn)輕量化目標，同時也能滿足車身剛度指標。