白車身輕量化技術(shù)與實(shí)踐

趙廣 孟慶威 李紅 王松

摘 要：輕量化是汽車開發(fā)中的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，是汽車節(jié)能減排的有效手段，整車重量構(gòu)成中車身重量的比例較高，對(duì)整車輕量化有重要的意義。在車輛平臺(tái)化開發(fā)過程中，將車身輕量化設(shè)計(jì)理念融入平臺(tái)項(xiàng)目開發(fā)的全流程中，通過輕量化材料、輕量化工藝和輕量化結(jié)構(gòu)的技術(shù)路線，應(yīng)用參數(shù)化建模、參數(shù)化優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化、斷面優(yōu)化、成型性和材料利用率優(yōu)化等虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)，結(jié)合多學(xué)科多性能的輕量化協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)，充分兼顧剛度強(qiáng)度等性能，兼顧布置、造型、裝配、工藝、成本等需求，達(dá)到了更優(yōu)的白車身全局平衡，最終實(shí)現(xiàn)了五星安全車身、超高剛性車身，達(dá)到了比肩全鋁車身的輕量化系數(shù)水平，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高車身材料利用率、低研發(fā)費(fèi)用、低整車成本，并在平臺(tái)化的車型開發(fā)中形成輕量化車身開發(fā)流程和性能評(píng)價(jià)體系。

關(guān)鍵詞：白車身;輕量化;平臺(tái)化

中圖分類號(hào)：U462? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）15-85-04

Abstract： Lightweight is an important performance index in automobile development， and it is an effective means of automobile energy saving and emission reduction， and the proportion of body weight in the weight composition of the whole vehicle is high， which is of great significance to the lightweight of the whole vehicle. In the process of vehicle platform development， the concept of lightweight design of car body is integrated into the whole process of platform project development， through the technical route of lightweight materials， lightweight technology and lightweight structure， the application of parameterized modeling， parametric optimization， topology optimization， section optimization， formability and material utilization optimization and other virtual product development technologies， combined with multi-disciplinary and multi-performance lightweight collaborative optimization design， Taking full account of the performance of stiffness and strength， as well as the requirements of layout， modeling， assembly， technology and cost， the overall? balance of BIW is achieved， and finally five-star safety body and ultra-rigid body are realized.? It achieved the level of lightweight coefficient of shoulder to shoulder all aluminum body ，and realizes high material utilization rate， low R & D cost and low vehicle cost. And the lightweight car body development process and performance evaluation system are formed during the platform vehicle development.

Keywords： BIW; Lightweight; Platform

CLC NO.： U462? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）15-85-04

前言

汽車車身尤其是白車身的輕量化是整車輕量化的重要部分，也對(duì)整車輕量化起著非常重要的作用[1]。輕量化結(jié)構(gòu)開發(fā)是一個(gè)跨學(xué)科的復(fù)雜過程，需要考慮性能、重量、布置、造型、裝配、工藝、成本等需求，以達(dá)到更優(yōu)平衡點(diǎn)，這使得輕量化工作變得復(fù)雜，也使得從整體系統(tǒng)的角度去考慮車身輕量化顯得尤為重要。

在本文中，將輕量化列為某核心技術(shù)，通過某平臺(tái)化開發(fā)，建立了一套系統(tǒng)的白車身輕量化設(shè)計(jì)體系和性能評(píng)價(jià)體系，為以后的平臺(tái)化、多車型開發(fā)提供了依據(jù)。

1 輕量化的技術(shù)路線

材料、工藝和結(jié)構(gòu)三大輕量化技術(shù)路線各有優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，在應(yīng)用時(shí)候又常常相互關(guān)聯(lián)。通常情況下，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)件的需求進(jìn)行統(tǒng)籌的選擇，各種結(jié)構(gòu)件的性能需求和連接工藝會(huì)使得設(shè)計(jì)難度增大，必須在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)件時(shí)考慮這些復(fù)雜的情況，掌握材料特性及其生產(chǎn)工藝的相關(guān)知識(shí)，將不同的材料、工藝和結(jié)構(gòu)有效的結(jié)合，才能形成創(chuàng)新性的解決方案。

1.1 輕量化材料

材料選擇最初的目標(biāo)是確定所要使用材料的要求特性，然后進(jìn)行實(shí)際材料的選擇，以從多種可用材料中濾出最適合的候選材料[2]。公司輕量化材料應(yīng)用方面主要是應(yīng)用高強(qiáng)度鋼板、鋁合金、非金屬材料;相應(yīng)的研究方向分別和大學(xué)、研究所等單位開展了深入的合作研究。

高強(qiáng)度鋼板、鋁合金和非金屬材料的優(yōu)缺點(diǎn)各有不同。充分應(yīng)用它們的特性是優(yōu)化選材的關(guān)鍵。以往憑借經(jīng)驗(yàn)選材，為了保證關(guān)鍵部位的性能，往往會(huì)導(dǎo)致白車身成本增高。針對(duì)三類輕量化材料特性的不同華晨分別采用以下的方式進(jìn)行優(yōu)化選材：

高強(qiáng)度鋼板的優(yōu)勢(shì)在于高比強(qiáng)度和通用的連接技術(shù)，應(yīng)用的關(guān)鍵在于獲得全局最優(yōu)的材質(zhì)和材料厚度方案，通過參數(shù)化優(yōu)化，分辨出對(duì)比強(qiáng)度敏感的結(jié)構(gòu)件，應(yīng)用高強(qiáng)度鋼板，可以在保證性能的同時(shí)獲得最優(yōu)的輕量化效果。某平臺(tái)鋼板材質(zhì)分布圖1，高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用比例已經(jīng)超過60%;先進(jìn)高強(qiáng)鋼用量已經(jīng)高達(dá)25%。

鋁合金比具有相同剛性的鋼制部件既可吸收高得多的彈性能量，也可吸收較高的變形能量[3]。應(yīng)用這一特點(diǎn)，將其應(yīng)用在防撞橫梁上，發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)性能的同時(shí)，采用螺栓連接還能規(guī)避鋼和鋁連接的問題。相比傳統(tǒng)的鋼制前防撞梁重量能降低50%左右。

非金屬材料構(gòu)件的優(yōu)點(diǎn)是便于實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)，某平臺(tái)采用的全塑前端框架進(jìn)行功能和構(gòu)件的整合，實(shí)現(xiàn)了減重38%。通過與7家單位聯(lián)合開展《汽車低成本熱塑性碳纖維復(fù)合材料零部件聯(lián)合開發(fā)》項(xiàng)目，進(jìn)行乘用車頂蓋橫梁零件的應(yīng)用技術(shù)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了減重56%，雖然沒有在目前量產(chǎn)車型應(yīng)用，但為后續(xù)低成本熱塑性碳纖維復(fù)合材料在汽車輕量化中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1.2 輕量化工藝

輕量化工藝是指生產(chǎn)制造、加工裝配過程中減輕重量的潛力。此平臺(tái)在輕量化工藝方面主要從焊接工藝、熱成型、輥壓成型、激光拼焊、等方面開展工作：

焊接工藝通過機(jī)器人系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用提高焊接精度和質(zhì)量，使得板件焊接重合面寬度可以減少1-2mm，可以實(shí)現(xiàn)整車減重0.4%左右。

熱成型和輥壓成型工藝技術(shù)，可以克服傳統(tǒng)沖壓工藝下鋼板回彈嚴(yán)重、成型困難、容易開裂等難題，是一種獲得超高強(qiáng)度沖壓件的有效途徑，此平臺(tái)車身熱成型和輥壓成型零件占比約6%，實(shí)現(xiàn)零件減重30%左右。

激光拼焊屬于整體結(jié)構(gòu)的一種，對(duì)零件進(jìn)行整合，進(jìn)而減少零件搭接重量，此平臺(tái)的門內(nèi)板等零件采用了激光拼焊技術(shù)。實(shí)現(xiàn)零件減重37%左右。

1.3 輕量化結(jié)構(gòu)

新材料新工藝的突破為白車身輕量化提供了技術(shù)的支持，但其高成本很難得到市場的認(rèn)可。與新材料和新工藝相比，結(jié)構(gòu)優(yōu)化有助于精益設(shè)計(jì)，從而提高產(chǎn)品的市場競爭力。如雅閣，馬自達(dá)2等車型都大量使用了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的輕量化方案。此平臺(tái)輕量化結(jié)構(gòu)主要從整體結(jié)構(gòu)和形狀優(yōu)化兩個(gè)方面開展：

整體結(jié)構(gòu)的目的是通過功能集中整合或者零部件的整合盡可能的減少零部件數(shù)量，減少連接結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是零部件的重量最輕且連接工藝成本較低。此某平臺(tái)使用創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)方案和變軸距共模具技術(shù)，在滿足平臺(tái)化車型尺寸帶寬變化的同時(shí)實(shí)現(xiàn)零部件整合，減重的同時(shí)節(jié)約模具約70套。應(yīng)用塑料前端模塊功能集中整合、中通道總成零件整合等整體結(jié)構(gòu)方案。取得了零件10%-40%的重量減輕。

以往項(xiàng)目的形狀設(shè)計(jì)大多以參考結(jié)構(gòu)車型為主，形狀優(yōu)化還有非常大的潛力可以發(fā)掘。在此平臺(tái)開發(fā)中，通過研究形狀因數(shù)與應(yīng)力類型的關(guān)系，建立了環(huán)狀結(jié)構(gòu)、接頭優(yōu)化等形狀的受力分析理論，并引進(jìn)Section AD軟件對(duì)斷面特性進(jìn)行分析，通過對(duì)形狀因數(shù)分析總結(jié)，為正向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建立了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 虛擬產(chǎn)品開發(fā)

計(jì)算機(jī)輔助開發(fā)更傾向于沒有建立物理原型前的虛擬驗(yàn)證。在創(chuàng)新輕量化產(chǎn)品開發(fā)中，計(jì)算機(jī)輔助工程在原有的虛擬驗(yàn)證的同時(shí)更多的面向輕量化優(yōu)化工作，通過不同計(jì)算變體，在工程師有風(fēng)險(xiǎn)的經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上補(bǔ)充了量化陳述，甚至代替了工程師的有風(fēng)險(xiǎn)的經(jīng)驗(yàn)[4]。此平臺(tái)開發(fā)，從概念設(shè)計(jì)階段開始，通過隱式參數(shù)化建模的方法建立一個(gè)全參數(shù)化白車身模型，采用分步優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，在保持對(duì)整車性能控制的同時(shí)，使輕量化設(shè)計(jì)貫穿整個(gè)過程。在不同階段分別針對(duì)整車模態(tài)、彎扭剛度、碰撞性能和質(zhì)量等指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化[5] 。具體體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的以下幾個(gè)方面。

2.1 參數(shù)化建模

傳統(tǒng)的CAD設(shè)計(jì)過程限制了設(shè)計(jì)的可更改性，需要車身結(jié)構(gòu)調(diào)整時(shí)，將造成零件設(shè)計(jì)的改動(dòng)工作量非常巨大，不利于輕量化的設(shè)計(jì)效率。

此平臺(tái)項(xiàng)目采用CATIA軟件實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)建模，模型中的點(diǎn)、線、面等條件通過參數(shù)關(guān)聯(lián)，在這些參數(shù)模型結(jié)構(gòu)的幫助下，可以通過改變參數(shù)和設(shè)計(jì)步驟，快速地進(jìn)行設(shè)計(jì)更改。從而從產(chǎn)品構(gòu)思到產(chǎn)品虛擬呈現(xiàn)的時(shí)間周期減少約6個(gè)月，在輕量化產(chǎn)品開發(fā)中取得了突出到成效。

2.2 參數(shù)化優(yōu)化

使用主要斷面和CAS可以快速搭建車身的SFE參數(shù)化模型，如圖2。采用參數(shù)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)拓?fù)湫螤畹母淖兒桶寮牧吓c材料厚度的改變，通過優(yōu)化平臺(tái)對(duì)車身模型的斷面、接頭和加強(qiáng)件等類似參數(shù)進(jìn)行控制更改、網(wǎng)格劃分和計(jì)算求解，配合科學(xué)的優(yōu)化算法來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)優(yōu)化，最終得到車身各性能均滿足要求的最佳的車身尺寸方案，獲得全局最優(yōu)的減重分析結(jié)果和穩(wěn)健性設(shè)計(jì)。

在此平臺(tái)開發(fā)中成功應(yīng)用了參數(shù)化優(yōu)化技術(shù)，車身重量較初始的概念模型減少了37Kg，并且將該階段的研發(fā)時(shí)間縮短了兩個(gè)月。

2.3 拓?fù)鋬?yōu)化

載荷路徑優(yōu)化并不是新技術(shù)，以往完全依賴于工程師憑借經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)修改后輔以仿真驗(yàn)證，其效率低下且效果不佳。

在項(xiàng)目初期通過對(duì)白車身進(jìn)行拓?fù)浞治觯梢詾榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師提供參考，有針對(duì)性的進(jìn)行優(yōu)化。搭建拓?fù)鋬?yōu)化的思路，如圖3，通過內(nèi)外飾的造型和總布置圖等確認(rèn)優(yōu)化設(shè)計(jì)空間，加以工況的約束條件，通過軟件計(jì)算分析最后得到可以指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的載荷路徑。

2.4 斷面優(yōu)化

雖然分析軟件應(yīng)用已很廣泛，但主要是針對(duì)3D模型的分析，如果在前期的2D斷面階段可以對(duì)性能的評(píng)估，可以避免項(xiàng)目后期的重大設(shè)計(jì)更改，縮短開發(fā)進(jìn)度。

此平臺(tái)項(xiàng)目中，引進(jìn)了Section AD軟件，可以通過2D斷面快速評(píng)估不同的設(shè)計(jì)方案，如材料對(duì)最大軸向載荷及彎矩的靈敏度等，得到最優(yōu)化的設(shè)計(jì)截面尺寸、厚度、形狀等，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目前期的性能評(píng)估和優(yōu)化。

2.5 成型性和材料利用率優(yōu)化

項(xiàng)目前期供應(yīng)商沒有介入時(shí)，沖壓成型零件工藝性和板料成本無法評(píng)估。為解決了這問題，引入FTI白車身同步工程系統(tǒng)，可以快速實(shí)現(xiàn)零件的沖壓可行性和板料利用率評(píng)估，形成沖壓薄板零件成本控制方案，同時(shí)提高了項(xiàng)目開發(fā)的整體效率。通過軟件對(duì)板料排樣，如圖4，進(jìn)行分析和優(yōu)化，可以提高整車材料利用率2%左右。

3 輕量化產(chǎn)品開發(fā)流程

以往的白車身開發(fā)主要以造型和空間、安裝硬點(diǎn)等幾何需求進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，CAE性能分析和優(yōu)化只針對(duì)三維數(shù)據(jù)，并且主要集中在產(chǎn)品設(shè)計(jì)及驗(yàn)證階段，較少在開發(fā)前期的可行性分析和概念確認(rèn)階段進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。而前期的方案定義會(huì)對(duì)輕量化技術(shù)路線的選擇產(chǎn)生重大影響。

此平臺(tái)項(xiàng)目將輕量化開發(fā)融入車型項(xiàng)目開發(fā)流程的全過程中，如圖5，系統(tǒng)的進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，在項(xiàng)目可行性分析階段應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化，整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化、SFE參數(shù)化優(yōu)化進(jìn)行傳遞路徑規(guī)劃和性能摸底;概念確認(rèn)階段通過斷面優(yōu)化、板厚優(yōu)化，輕量化選材、形狀優(yōu)化等方法進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)和整體性能提升并持續(xù)優(yōu)化直至產(chǎn)品設(shè)計(jì)及驗(yàn)證階段，形成設(shè)計(jì)和優(yōu)化的全流程系統(tǒng)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)性能、重量、布置、造型、裝配、工藝、成本等的全局最優(yōu)化。

4 輕量化白車身的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益

在激烈的市場競爭中，一般的中低端車型對(duì)成本都很敏感，面臨很大的成本壓力。另外，客戶對(duì)產(chǎn)品的要求在不斷提升，這些都對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)和生產(chǎn)提出了越來越高的挑戰(zhàn)，也使得輕量化的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯得尤為重要。

某在產(chǎn)和即將上市的三款車型銷量規(guī)劃共計(jì)110萬輛，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益如下：

通過輕量化優(yōu)化，單臺(tái)減重約50kg，按照平均車身成本效率為15rmb/kg計(jì)算，生產(chǎn)成本節(jié)省約8.3×108rmb。

通過材料利用率提升，單臺(tái)車身材料成本降低約為20rmb，全生命周期銷量可節(jié)省材料費(fèi)用約2.2×107rmb。

汽車自身重量每減輕100kg，則100km的燃油消耗量可以減少0.2-0.8L[6]，假設(shè)油耗可降低0.6L，每輛汽車行駛3×105km估算，可節(jié)省燃油約9.9×108L。

按照汽車自身重量每減輕100kg，100km碳排放下降1.12kg，每輛汽車行駛3×105km估算，碳排放減少約1.8×109kg。

5 結(jié)論

在此平臺(tái)的白車身開發(fā)過程中，綜合應(yīng)用三大類的輕量化技術(shù)路線，創(chuàng)新應(yīng)用了參數(shù)化設(shè)計(jì)優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化、斷面優(yōu)化、多學(xué)科多性能輕量化協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)等虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)。通過車身新材料新工藝的開發(fā)，整合了高校、原材料供應(yīng)商和零部件供應(yīng)商的資源，積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，提升了在國內(nèi)汽車行業(yè)的競爭力。其中某車型在行業(yè)頂級(jí)會(huì)議“中國汽車工程學(xué)會(huì)2018年會(huì)”上獲得“輕量化車身會(huì)議二等獎(jiǎng)”。

此平臺(tái)的白車身開發(fā)中，為開發(fā)出高品質(zhì)的輕量化車身，進(jìn)行了大量的研究和實(shí)踐，開發(fā)出許多新的工程解決方案，編寫多項(xiàng)開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)和流程，發(fā)布了大量專利論文。平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了五星安全車身、超高剛性車身，達(dá)到了比肩全鋁車身的輕量化系數(shù)水平。同時(shí)鍛煉出一支愛崗敬業(yè)，勇于拼搏，技術(shù)過硬的隊(duì)伍，為實(shí)現(xiàn)輕量化同步設(shè)計(jì)開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。面對(duì)國內(nèi)外競爭激烈的汽車市場，車身設(shè)計(jì)開發(fā)要善于運(yùn)用新的材料和技術(shù)、大膽嘗試、勇于創(chuàng)造，才能不斷實(shí)現(xiàn)新的突破。

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