輕量化車身系統(tǒng)性能評價方法研究

韓友國，徐承付，吳洪濤，劉向陽

(1.奇瑞新能源汽車股份有限公司，安徽蕪湖 241003；2.新能源汽車輕量化技術(shù)安徽省重點實驗室，安徽蕪湖 241003)

0 引言

近年來，新能源汽車得到高速發(fā)展。以下兩份文件對我國新能源汽車的發(fā)展規(guī)劃、技術(shù)路線做了系統(tǒng)、全面地剖析：2020年10月20日國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》(簡稱《規(guī)劃》)與2020年10月27日中國汽車工程學(xué)會發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》(簡稱《路線圖2.0》)。

《規(guī)劃》指出：到2025年，純電動乘用車新車平均電耗降至0.12 kWh/km，新能源汽車新車銷售量達(dá)到汽車新車銷售總量的20%左右;到2035年，純電動汽車成為新銷售車輛的主流。《路線圖2.0》提到：預(yù)計到2035年，節(jié)能汽車與新能源汽車年銷量各占50%。同時提到在輕量化技術(shù)領(lǐng)域：近期以完善高強度鋼應(yīng)用為體系重點，中期以形成輕質(zhì)合金應(yīng)用體系為方向，遠(yuǎn)期以形成多材料混合應(yīng)用體系為目標(biāo)。未來，將引入“整車輕量系數(shù)”“載質(zhì)量利用系數(shù)”“掛牽比”等作為衡量整車輕量化水平的依據(jù)。到2035年，預(yù)計燃油乘用車整車輕量化系數(shù)降低25%，純電動乘用車整車輕量化系數(shù)降低35%。

大量研究結(jié)果表明，燃油汽車整備質(zhì)量每減少10%，汽車尾氣排放量將減少10%，能耗將減少5%～8%。對于新能源電動汽車來說，汽車整備質(zhì)量每減少10%，續(xù)航里程增加5%以上。輕量化不僅與整車經(jīng)濟(jì)性息息相關(guān)，同樣影響著動力性、碰撞安全性、操縱穩(wěn)定性以及耐久可靠性等。

1 車身系統(tǒng)輕量化的實現(xiàn)與評價

完整的汽車車身系統(tǒng)應(yīng)該包括：門蓋系統(tǒng)(前艙蓋系統(tǒng)、車門系統(tǒng)、行李箱蓋系統(tǒng))、車身骨架系統(tǒng)、車門機構(gòu)與附件系統(tǒng)以及天窗系統(tǒng)這幾大類。當(dāng)然，部分車型配置沒有天窗系統(tǒng)，常見的車門系統(tǒng)為四門系統(tǒng)(也有部分車型配置是雙門系統(tǒng))。車身系統(tǒng)分類如圖1所示。

圖1 車身系統(tǒng)分類

1.1 車身系統(tǒng)輕量化實現(xiàn)路徑

數(shù)據(jù)顯示，純電動車型車身模塊占整車整備質(zhì)量的30%左右，表1列出了3款EV車型質(zhì)量數(shù)據(jù)。一般而言，車身骨架系統(tǒng)占車身模塊質(zhì)量的50%以上，因此車身骨架的輕量化研究相對更為廣泛。

表1 3款EV車型質(zhì)量數(shù)據(jù)

車身輕量化技術(shù)的應(yīng)用，前提是需要保證車身部件具有足夠的剛度及強度，同時借助CAE仿真評價法及實物測評法對零件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，如拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化及多學(xué)科優(yōu)化等，通過車身零部件的薄壁化、中空化、小型化或集成化，來減小車身骨架和車身覆蓋件的質(zhì)量或數(shù)量，從而達(dá)到車身減重的目的。

除了上述結(jié)構(gòu)優(yōu)化方式外，輕量化路徑還可以采用如下幾種方式：①使用輕量化材料，通過大量使用輕質(zhì)、高強材料實現(xiàn)車身大幅減重。這些材料主要可以分為兩類，一類是高強鋼材料，包括普通高強鋼、先進(jìn)高強鋼以及超高強鋼;另一類是低密度材料，包括鋁合金、鎂合金、塑料、復(fù)合材料等。②使用先進(jìn)制造工藝，運用激光焊接、激光拼焊等方式。其中，激光拼焊板即采用激光焊接技術(shù)把不同厚度、不同表面鍍層甚至不同原材料的金屬薄板焊接在一起，形成沖壓用坯料。

1.2 車身系統(tǒng)輕量化評價方法

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CSAE 115—2019《乘用車整車輕量化系數(shù)計算方法》中對于整車級別的輕量化系數(shù)給出了明確的計算公式；而對于車身系統(tǒng)的輕量化研究，行業(yè)內(nèi)有以下幾種較為常用的計算方法：

(1)車身輕量化系數(shù)

=(·)，

式中:為車身輕量化系數(shù)；為白車身質(zhì)量，kg；為白車身靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度，N·m/(°)；為白車身正投影面積，m，由整車軸距與輪距相乘得到。

(2)車身體密度

=，

式中:為車身體密度，kg/m；為白車身質(zhì)量，kg；為白車身體積，m。

不同車型的體積計算公式如下：

式中:為車身長度，m；為軸距，m；為車身寬度，m；為車身高度，m。

實際應(yīng)用中，上述兩項指標(biāo)數(shù)值越小，表示車身輕量化水平越高。但是，車身輕量化系數(shù)法有一定的局限性。受扭轉(zhuǎn)剛度影響，部分車型的車身輕量化系數(shù)小但車身質(zhì)量不一定輕，進(jìn)而節(jié)能減排的效果也不一定好。至于車身體密度法，應(yīng)用的前提則是要保證車身的靜剛度。

2 車身系統(tǒng)性能評價方法研究

車身系統(tǒng)性能評價示意如圖2所示。

圖2 車身系統(tǒng)性能評價示意

文中以車身骨架系統(tǒng)為例進(jìn)行闡述。對于輕量化設(shè)計的車身系統(tǒng)的性能評價，剛度和疲勞耐久是兩項比較關(guān)鍵的維度。系統(tǒng)性能評價方法見表2。

表2 系統(tǒng)性能評價方法

2.1 CAE仿真評價法研究

(1)剛度性能評價方法

基于白車身實體模型，運用HyperMesh前處理軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分(常用四邊形殼單元為主、三角形網(wǎng)格過渡的單元形態(tài)，采用Acm單元模擬點焊，Rigids單元模擬弧焊及螺栓連接)；之后施加約束、載荷，定義材料參數(shù)，再轉(zhuǎn)為bdf格式文件導(dǎo)入Nastran軟件中進(jìn)行仿真計算；將生成的op2文件導(dǎo)入HyperView中進(jìn)行后處理工作，最終得出白車身的彎曲剛度與扭轉(zhuǎn)剛度。上述仿真結(jié)果最終要與設(shè)計要求進(jìn)行對比，若不符合要求則需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計。

(2)疲勞耐久性能評價方法

一般采用虛擬試驗迭代驅(qū)動轎車車身進(jìn)行耐久性分析。建立基于ADAMS的多體動力學(xué)模型，輸入耐久試驗場實車采集的六分力載荷譜數(shù)據(jù)，提取接口(車身安裝點)動態(tài)載荷譜；同時，結(jié)合上述靜態(tài)仿真獲得的接口點單位載荷；運用FEMFAT疲勞仿真軟件，最終得出白車身疲勞損傷值，以此折算出車身骨架的疲勞耐久性能。若仿真結(jié)果不符合要求，需要制定結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，并重新進(jìn)行疲勞耐久性能仿真分析，以最終達(dá)成目標(biāo)。

2.2 實物測評法研究

(1)臺架測試評價方法

靜態(tài)剛度一般采取專用的測試臺架進(jìn)行測試，行業(yè)內(nèi)常用的彎曲剛度可用車身在鉛垂載荷作用下產(chǎn)生的撓度大小來描述或者用單位軸距長度最大撓度量來評價；扭轉(zhuǎn)剛度則可以用車身在扭轉(zhuǎn)載荷作用下產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角大小來描述或者用單位軸距長度軸間相對扭轉(zhuǎn)角來評價。將測試結(jié)果與設(shè)計要求進(jìn)行對比，同時可以對標(biāo)CAE仿真結(jié)果，相互驗證。此外，車身疲勞耐久性能可以通過四立柱或者二十四通道臺架模擬裝置進(jìn)行試驗，通過特定循環(huán)的加載，觀察試驗過程車身結(jié)構(gòu)的變化情況，據(jù)此得出評估結(jié)果。

(2)整車場地測試評價方法

這種方法本質(zhì)上屬于實車搭載驗證，一般通過專用的汽車綜合試驗場實施，企業(yè)內(nèi)部大多有適合自身車型以及特定試驗場的耐久試驗規(guī)范。實施對應(yīng)的耐久試驗循環(huán)，試驗全程可以觀察實車表現(xiàn)，試驗后進(jìn)行全車拆解、探傷，以此對車身疲勞耐久性能做出評價。這種方式既適用于車身，也適用于底盤結(jié)構(gòu)件，是一種相對真實、準(zhǔn)確、可信的測評方法。

3 結(jié)束語

新能源汽車行業(yè)發(fā)展迅猛，車身輕量化的研究對于節(jié)能減排意義重大，然而重視輕量化并不意味著要犧牲整車性能，尤其是涉及的安全類性能不可忽視。產(chǎn)品開發(fā)中需要考慮兩者的內(nèi)在平衡。一方面，輕量化技術(shù)的實現(xiàn)路徑基本清晰，結(jié)構(gòu)優(yōu)化與新型用材、先進(jìn)工藝相結(jié)合；另一方面，無論是CAE仿真評價法還是實物測評法都能對輕量化車身系統(tǒng)的關(guān)鍵性能做出一定評估。實際產(chǎn)品開發(fā)中，需要將兩種方法聯(lián)合起來，綜合對比、相互印證，才能夠得出更為精準(zhǔn)的結(jié)果，以達(dá)到更好的效果。