白車身輕量化技術(shù)與實踐

姜愛珠

摘要：本文從材料、工藝、結(jié)構(gòu)三方面入手，闡述了白車身輕量化的關(guān)鍵技術(shù)，并對虛擬產(chǎn)品開發(fā)思路與技術(shù)進行了說明，包括參數(shù)化模型的構(gòu)建、拓撲優(yōu)化、斷面優(yōu)化等。同時，分析了白車輕量化的成效，證實了相關(guān)技術(shù)的應用能夠促使汽車產(chǎn)品的自重、生產(chǎn)成本、材料成本、汽車行駛?cè)加涂偭?、排碳總量均大幅降低?/p>

Abstract： In this paper， the key technologies of BIW lightweight are expounded from three aspects： material， process and structure， and the ideas and technologies of virtual product development are explained， including parametric model construction， topology optimization， section optimization and so on. At the same time， the results of light weight reduction of white cars are analyzed， and it is confirmed that the application of related technologies can greatly reduce the deadweight， production cost， material cost， total fuel consumption and total carbon emission of automobile products.

關(guān)鍵詞：白車身;輕量化;參數(shù)化建模

Key words： body in white;lightweight;parametric modeling

中圖分類號：U463.82? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）23-0102-02

0? 引言

現(xiàn)階段，受到能源總量的限制，人們對汽車車身的輕量化提出了更多要求，汽車制造業(yè)也嘗試使用多種手段進行車身自重的降低。對于白車身輕量化開發(fā)來說，其包含著多個專業(yè)領(lǐng)域，需要對工藝、成本、裝配、性能、造型等內(nèi)容進行綜合性考量，換言之，必須要從整體的角度出發(fā)，對白車身輕量化展開系統(tǒng)性考量與實踐。

1? 白車身輕量化的關(guān)鍵技術(shù)分析

1.1 材料方面的輕量化

在選取材料的過程中，應當從材料的要求特性出發(fā)完成選取，可以從多種可用材料中選取出最優(yōu)的材料。當前，能夠在白車身輕量化方面發(fā)揮出較好作用的材料包括：非金屬材料、鋁合金以及高強度鋼板，以此主要對這三種材料進行對比，最終選取出用于白車身輕量化設計的最優(yōu)材料。

對于非金屬材料、鋁合金以及高強度鋼板而言，三者具備不同的優(yōu)缺勢。實踐中，若是根據(jù)以往的工作經(jīng)驗進行材料選取，則極容易導致白車身輕量化的制作成本增高。為了避免這一問題的發(fā)生，可以使用以下方式完成上述三種材料的對比，并選取出最適用于白車身輕量化的材料：

對于非金屬材料來說，其主要優(yōu)勢在于構(gòu)建整體結(jié)構(gòu)的簡易程度更高。在某平臺的實踐中，選用全塑前端框架進行構(gòu)件生產(chǎn)，得到的減重效果為：優(yōu)化后的構(gòu)件自重減少原構(gòu)件自重的38%。選用非金屬材料（熱塑性碳纖維復合材料）開發(fā)制作乘用車頂蓋橫梁零件，得到的減重效果為：優(yōu)化后的橫梁零件自重減少原零件自重的56%。

對于鋁合金材料來說，其主要優(yōu)勢在于能夠吸收更多的彈性能量，還具備較好的吸收變形能量的性能?；诖?，在進行汽車防撞橫梁零件的開發(fā)制造中，通過引入鋁合金材料，能夠在保證零件防撞性能的同時，還可以消除鋼與鋁連接不順暢的問題。在某平臺的實踐中，選用鋁合金材料進行防撞橫梁零件的生產(chǎn)，得到的減重效果為：優(yōu)化后的防撞橫梁零件自重減少原零件自重的50%。

對于高強度鋼板來說，其主要優(yōu)勢在于具備極高的通用性，結(jié)合參數(shù)化優(yōu)化，能夠確定出對比強度靈敏的結(jié)構(gòu)件。依托高強度鋼板，不僅能夠維護零件性能的良好性，還可以達到減輕零件自重的效果。

1.2 工藝方面的輕量化

工藝方面的輕量化主要是在制造、加工、裝配過程中通過優(yōu)化操作而達到白車身自重降低的效果。目前，能夠達到白車身輕量化目標的工藝優(yōu)化可以從以下幾方面入手：焊接工藝、成型工藝、激光拼焊工藝。

從焊接工藝方面來看，通過在實踐中大規(guī)模應用機器人系統(tǒng)，能夠達到提升焊接質(zhì)量以及精準程度的效果。實踐結(jié)果表明，基于機器人系統(tǒng)的焊接可以促使板件焊接重合面的寬度降低1-2毫米，推動白車身自重降低0.4%。從成型工藝（熱成型與輥壓成型）方面來看，通過使用相應技術(shù)取代傳統(tǒng)沖壓工藝，能夠有效解決鋼板回彈嚴重、容易開裂、成型困難等問題，最終獲取具有更高強度的沖壓件。實踐結(jié)果表明，基于熱成型與輥壓成型的成型工藝可以促使白車身零件的自重降低30%。從激光拼焊工藝方面來看，其主要實現(xiàn)了零件的整合，保證在構(gòu)建白車身整體結(jié)構(gòu)時降低各個零件的搭接重量。實踐結(jié)果表明，通過在門內(nèi)板等零件中應用激光拼焊工藝，促使相應零件的自重降低37%。

1.3 結(jié)構(gòu)方面的輕量化

除了從材料與工藝方面入手進行白車身輕量化設計與制造之外，結(jié)構(gòu)輕量化也是減輕白車身自重的重要手段。相比于材料輕量化、工藝輕量化來說，結(jié)構(gòu)方面的輕量化更容易得到市場的認可，且在白車身精益設計方面發(fā)揮出重要作用，促使汽車產(chǎn)品的市場競爭力大幅提升[1]。目前，能夠達到白車身輕量化目標的結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以從以下幾方面入手展開，即：整體結(jié)構(gòu)輕量化、形狀優(yōu)化。

在結(jié)構(gòu)輕量化中，主要依托對功能的集中與整合推動多個零部件的整合，以此達到減少零部件設置量、連接結(jié)構(gòu)設置量的效果，從而實現(xiàn)白車身自重的降低。該方法的優(yōu)勢在于可以不僅可以降低零部件的重量，還能夠推動白車身總體生產(chǎn)制造成本的下降。在某平臺的實踐中，主要對結(jié)構(gòu)設計與變軸距共模具技術(shù)進行更新，在實現(xiàn)平臺化車型尺寸帶寬變化的基礎(chǔ)上完成零部件的整合設置，在達到輕量化目標的基礎(chǔ)上，減少了70套模具的開發(fā)使用。實踐結(jié)果表明，在塑料前端模塊功能、中通道總成零件等整合支持下，白車身零件的自重降低10-40%。

一般來說，汽車車身的形狀設計普遍參考結(jié)構(gòu)車型完成，因此在形狀優(yōu)化方面，依舊存在著極高的開發(fā)前景。實踐中，要提前進行形狀因數(shù)與應力類型之間關(guān)系的分析，并建立起環(huán)狀結(jié)構(gòu)、接頭優(yōu)化等面向形狀的受力分析理論。在此基礎(chǔ)上，需要引入Section AD軟件分析斷面特性，為形狀因數(shù)的總結(jié)提供支持，最終達到形狀優(yōu)化設計的效果，在保證功能性與使用安全性的基礎(chǔ)上，促使白車身的自重進一步降低。

2? 白車身輕量化產(chǎn)品的虛擬開發(fā)實踐

2.1 總體思路

從概念設計階段開始，通過隱式參數(shù)化建模的方法建立一個全參數(shù)化白車身模型。同時，引入分步優(yōu)化設計，在保持對整車性能控制的基礎(chǔ)上促使整個過程中均貫穿著輕量化設計思想。另外，在不同階段分別針對整車模態(tài)、彎扭剛度、碰撞性能和質(zhì)量等指標進行優(yōu)化[2]。

2.2 參數(shù)化模型的構(gòu)建與優(yōu)化

若繼續(xù)使用CAD軟件進行車身結(jié)構(gòu)設計，則會導致車身設計受限，在后期難以展開結(jié)構(gòu)的多次、靈活更改。若不得不進行車身結(jié)構(gòu)的調(diào)整，那么所有零件的設計均需要進行變更，總體工作量極大，造成白車身輕量化設計的效率效果下降。筆者在實踐中發(fā)現(xiàn)，使用CATIA軟件展開車身機構(gòu)設計就能夠有效避免上述問題的發(fā)生，依托參數(shù)化設計建模，能夠促使模型中的點、線、面均在參數(shù)的支持下完成關(guān)聯(lián)。此時，想要對車身機構(gòu)展開調(diào)整，可以利用對參數(shù)與設計步驟的變動實現(xiàn)，提升了設計變更的速度質(zhì)量。實踐結(jié)果表明，通過構(gòu)建參數(shù)化模型，能夠促使產(chǎn)品構(gòu)思至虛擬產(chǎn)品呈現(xiàn)之間的時間長度降低6個月。

通過調(diào)整板件材料及其厚度、參數(shù)驅(qū)動結(jié)構(gòu)拓撲形狀，能夠?qū)崿F(xiàn)車身模型斷面、接頭以及加強件的參數(shù)優(yōu)化，能夠?qū)崿F(xiàn)控制更改、網(wǎng)格劃分和計算求解，結(jié)合科學優(yōu)化算法的應用，達到自動優(yōu)化的效果。此時，可以獲取滿足多種性能需求的車身尺寸最優(yōu)方案。實踐結(jié)果表明，依托上述優(yōu)化設計，車身自重相比于初始模型降低了37千克，且該模型優(yōu)化階段的時長減少2個月。

2.3 拓撲優(yōu)化

若是依托個人經(jīng)驗對荷載路徑進行手動修改，并展開仿真驗證，不僅無法保證最終結(jié)果的質(zhì)量，總體效率也極為低下。此時，需要提前對白車身進行拓撲分析，為相關(guān)人員落實結(jié)構(gòu)的針對性優(yōu)化設計提供參考。在搭建拓撲模型時，應當結(jié)構(gòu)結(jié)合內(nèi)外飾的造型以及總布置圖實現(xiàn)優(yōu)化設計空間的確定;融合對工況條件的約束，引入計算分析軟件，最終獲取高度可行的荷載路徑（用于結(jié)構(gòu)設計）。

2.4 斷面優(yōu)化

現(xiàn)階段，分析軟件得到了廣泛應用，但是普遍均應用于分析三維模型。如實在前期的二維斷面階段就可以展開性能分析評估，則能夠更好的避免后續(xù)出現(xiàn)重大修改，提升設計質(zhì)量的同時也縮短產(chǎn)品設計開發(fā)進度[3]。為了實現(xiàn)這一目標，可以應用Section AD軟件進行斷面優(yōu)化。通過該軟件的應用，能夠快速完成對二維斷面的分析評估，確定不同設計方案的效果與優(yōu)勢。例如，可以對比出不用材料條件下，最大軸向荷載、彎矩的靈敏度差異，并獲取截面尺寸、形狀、厚度的最優(yōu)設計方案，達到在項目前期完成性能評估與優(yōu)化設計的效果。

2.5 成型性與材料利用率的優(yōu)化

在項目前期，由于并沒有供應商的介入，因此無法準確判斷沖壓成型零件工藝性以及板料成本。而通過應用FTI白車身同步工程系統(tǒng)就能夠?qū)崿F(xiàn)對上述問題的有效解決，完成零件沖壓可行性與板料利用率的快速評估，最終形成最優(yōu)的沖壓薄板零件成本控制方案，進一步縮短項目開發(fā)時間，提升整體設計效率。

3? 白車輕量化的成效分析

就當前的情況來看，汽車行業(yè)的市場競爭壓力進一步增大，特別是對于中低端車型來說，由于市場需求量加高，因此更多的汽車制造企業(yè)紛紛進行相應產(chǎn)品的研發(fā)與生產(chǎn)。在這樣的背景下，想要保證中低端車型的經(jīng)濟效益，就需要從生產(chǎn)成本入手進行利潤增加。同時，用戶對汽車產(chǎn)品的現(xiàn)實要求明顯提升，促使白車身輕量化成為必然選擇。

以某即將上市的車型為例進行白車身輕量化成效說明，該車型預計生產(chǎn)銷售110萬輛。依托上述的輕量化設計方式，單臺車的自重減輕50千克，平均車身成本效率取值每千克15元人民幣，可以得出生產(chǎn)成本降8.25×108元人民幣。同時，白車身輕量化技術(shù)的支持下，材料的實際利用率也有所提升，單臺車的材料成本降低月20元人民幣，可以得出全生命周期銷量可節(jié)約的材料費用達到2.2×107元人民幣。當車身的重量每降低100千克時，在運行100千米時所消耗的燃油量隨之降低0.2-0.8升，本研究取中間值0.6升，單臺車的駕駛總距離取值3×105千米，可以得出節(jié)省的燃油總量達到9.9×108升。當車身的自重每降低100千克時，對運行100千米時所排放的碳量隨之降低1.12千克，單臺車的駕駛總距離取值3×105千米，可以得出降低的排碳總量達到1.8×109千克。

4? 總結(jié)

綜上所述，必須要從整體的角度出發(fā)，對白車身輕量化展開系統(tǒng)性考量與實踐。目前，常用的白車身輕量化技術(shù)主要有材料輕量化技術(shù)、工藝輕量化技術(shù)以及結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù)，結(jié)合參數(shù)化模型的構(gòu)建與優(yōu)化、拓撲優(yōu)化、斷面優(yōu)化、成型性與材料利用率的優(yōu)化，實現(xiàn)了汽車產(chǎn)品的自重、生產(chǎn)成本、材料成本、汽車行駛?cè)加涂偭俊⑴盘伎偭烤蠓档汀?/p>

參考文獻：

[1]吳成平，于強，鄭震，等.基于靈敏度分析的商用車白車身輕量化研究[J].汽車零部件，2020（02）：15-18.

[2]趙新陽，劉博遠，馬曉春.基于先進鋼材料及其成型技術(shù)的車身輕量化研究[J].中小企業(yè)管理與科技（下旬刊），2020（06）：193-194.

[3]羅賓，馬麗春，李金龍.基于靈敏度分析的某鋁合金白車身輕量化研究[J].內(nèi)燃機與配件，2020（08）：13-15.