商用車白車身輕量化技術(shù)研究與應(yīng)用實踐

陳志寧 張瑞俊

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，柳州 545005）

主題詞：商用車 白車身 輕量化技術(shù) 剛度

1 前言

氣候變化是人類面臨的全球性問題，碳排放使溫室氣體增加，對人類生命產(chǎn)生威脅。世界各國以全球協(xié)約方式制定了碳減排目標(biāo)，中國也提出了2030年實現(xiàn)碳達(dá)峰和2060年實現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。

李駿院士提出，實現(xiàn)碳達(dá)峰的方法，首先是能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，用清潔能源替代石油等化石燃料能源；其次是產(chǎn)業(yè)低碳轉(zhuǎn)型，實施低碳技術(shù)戰(zhàn)略，汽車產(chǎn)業(yè)低碳化技術(shù)戰(zhàn)略采用多項技術(shù)路線并行發(fā)展，其中重要的技術(shù)路線是輕量化。

汽車輕量化對汽車碳減排貢獻(xiàn)巨大，同時已成為商用車重要競爭力之一。王建萍博士研究表明，車輛減重100 kg，可節(jié)油0.3~0.6 L/100 km，CO排放減少7.5~15.0 g/100 km；每年可為用戶帶來1萬元收益。

商用車白車身的綜合性能要求高，涉及到安全、耐久和NVH關(guān)鍵性能。經(jīng)過調(diào)研分析，確定研究原則，即白車身性能不降低的約束條件下，進(jìn)行優(yōu)化結(jié)構(gòu)并實施輕量化設(shè)計，同時控制成本。經(jīng)研究，確定白車身預(yù)期目標(biāo)，即減重30 kg，降幅達(dá)10%，同時成本降低，在同行業(yè)保持領(lǐng)先地位。

2 輕量化基本技術(shù)原理

范子杰博士的研究概括了構(gòu)建輕量化的基本技術(shù)原理，在滿足構(gòu)件基本功能和性能的條件下，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化、材料輕量化、制造輕量化的多技術(shù)路線，用最少的材料體積實現(xiàn)最輕的零部件質(zhì)量，如圖1所示。

圖1 輕量化技術(shù)原理[3]

商用車白車身，是汽車的一個特殊總成，適用同樣的技術(shù)原理。但是，因其復(fù)雜的功能、性能要求，特殊的薄壁結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)輕量化原理和方法有其特殊性，有別于普通的構(gòu)件，需要圍繞關(guān)鍵性能，做大量的結(jié)構(gòu)輕量化方案實踐研究，總結(jié)歸納再實踐，經(jīng)過多次循環(huán)往復(fù)。

3 商用車白車身性能體系

以往商用車白車身開發(fā)，多采用逆向開發(fā)技術(shù)，更多關(guān)注基本功能和結(jié)構(gòu)強度的實現(xiàn)，缺乏完整的性能體系。通過調(diào)研分析，對標(biāo)標(biāo)桿和競品，首先總結(jié)提煉出白車身的關(guān)鍵性能及優(yōu)先級，即剛強度、安全和NVH。通過導(dǎo)入新的CAE分析和測試技術(shù)，對某白車身現(xiàn)狀進(jìn)行摸底分析，建立完整的白車身性能體系,合計264項性能指標(biāo)。表1僅列舉典型的關(guān)鍵指標(biāo)。

表1 白車身典型關(guān)鍵性能列表

4 輕量化技術(shù)的發(fā)展趨勢

據(jù)武萬斌博士的研究分析概括，汽車輕量化的技術(shù)、材料以及制造工藝的發(fā)展趨勢如圖2、3、4所示，按照2025年趨勢階段開展實踐。

圖2 輕量化技術(shù)發(fā)展趨勢圖[4]

5 商用車白車身輕量化研究技術(shù)路線和方法

圍繞駕駛室性能、輕量化和成本多目標(biāo)，踐行輕量化技術(shù)路線和方法，尋求最優(yōu)解決方案。經(jīng)過充分調(diào)研，制定總體思路，先做最大減重方案，再做性能優(yōu)化，經(jīng)過多輪迭代循環(huán)，達(dá)到輕量化與性能平衡。研究流程如圖5所示。

圖5 白車身分析流程

圖3 白車身用材發(fā)展趨勢[4]

圖4 制造工藝發(fā)展趨勢[4]

5.1 輕量化研究原理和方法

圍繞剛強度、安全、NVH關(guān)鍵性能，通過對現(xiàn)狀性能分析，基于剛度保持不變的前體，提出輕量化初步方案，通過靈敏度分析，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)最少材料應(yīng)用。開展高強鋼應(yīng)用分析，將合適材料用于合適部位。應(yīng)用了多學(xué)科基礎(chǔ)理論，篇幅限制，僅列舉典型的剛度分析基礎(chǔ)理論及分析模型。

5.1.1 扭轉(zhuǎn)剛度分析理論

宋超博士、吳成平博士等的研究概括了商用車白車身的剛強度計算公式。

（1）扭轉(zhuǎn)剛度計算公式，見公式（1）。

為施加的扭矩，取值為3 445.7 N·m；

為前懸左加載點向位移;

為前懸右加載點向位移;

為加載點之間向距離。

（2）扭轉(zhuǎn)剛度分析建模，見圖6。

圖6 扭轉(zhuǎn)剛度分析模型[7-9]

加載工況：前懸施加力矩（T）為3 445.7 N·m；T=0.5×0.62×駕駛室總質(zhì)量（945 kg）×9.8 m/s×前懸間距(1.2 m)。

約束：綜合參考王祥林、李學(xué)亮何莉芳等的研究，結(jié)合試驗條件，確定左右后懸約束為1、2、3、4、5、6自由度。

5.1.2 彎曲剛度分析理論

（1）彎曲剛度計算公式，見公式（2）。

式中=3 542.7 N；=3 675.0 N；為左縱梁向最大位移；為右縱梁向最大位移。

（2）彎曲剛度分析建模，見圖7。

圖7 彎曲剛度分析模型[7-9]

加載工況：每個座椅施加3 542.7 N，平均分配到4個；座椅安裝點：=(×1.5+)×2.5×

為乘員體重，取75 Kg；為座椅質(zhì)量，取32.1 Kg；為重力加速度，為9.8 m/s；

臥鋪在地板上施加3 675 N的均布力

約束：同理，左右后懸約束1、2、3、4、5、6自由度。

5.2 現(xiàn)狀性能評估分析

關(guān)于現(xiàn)狀性能評估，主要對剛度、強度、碰撞和NVH關(guān)鍵性能進(jìn)行摸底分析，確定現(xiàn)狀數(shù)據(jù)摸底的性能項目如圖8示。

圖8 現(xiàn)狀評估項目

5.3 初步輕量化方案設(shè)計

設(shè)計原則是，保持剛度性能不變，通過局部結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化、厚度優(yōu)化和材料替代，做最大的減重方案，減少模具投入，達(dá)到現(xiàn)車減重目的，又能為新項目研發(fā)探索輕量化前沿技術(shù)。

通過各項性能的厚度、結(jié)構(gòu)、截面靈敏度和鈑金拓?fù)浼皞髁β窂椒治?，匯總對比分析結(jié)果，提出初步減重方案，以下列舉關(guān)鍵分析結(jié)果。

5.3.1 板厚靈敏度分析

目的是探查厚度對性能影響，主要考察彎扭剛度。便于讀者理解，本項分析給出對應(yīng)的分析過程，其他分析項類似省略。

（1）靈敏度分析建模。

（2）定義設(shè)計變量及目標(biāo)。

（3）優(yōu)化控制參數(shù)。

（4）計算及位移云圖檢查修正，圖9示。

圖9 位移云圖

（5）編輯slk文件，輸出分析結(jié)論。在計算文件存放路徑中，找到迭代生成的***.0.slk文件，用Excel打開，以性能靈敏度所在列為關(guān)鍵字，由高到低順序排列靈敏度，輸出分析結(jié)論見表2。扭轉(zhuǎn)剛度最靈敏的是側(cè)圍門框、后圍外板；彎曲剛度最靈敏的是縱梁、中地板等。

表2 板厚靈敏度分析結(jié)論列表

5.3.2 截面靈敏度分析

探查各截面對性能敏感性。典型關(guān)鍵性能截面靈敏度分析結(jié)論如下：

（1）扭轉(zhuǎn)剛度截面靈敏度。靈敏截面是A柱向、地板縱梁、向，前端下橫梁，見圖10。

圖10 扭轉(zhuǎn)剛度截面靈敏度分析

（2）彎曲剛度截面靈敏度。最靈敏的截面是地板縱梁Z向、前端下橫梁向，見圖11。

圖11 彎曲剛度截面靈敏度

（3）正面碰撞截面靈敏度。靈敏截面是前端下橫梁向、前中橫梁向，見圖12。5.3.3 白車身拓?fù)浞治?/p>

圖12 正面碰撞截面靈敏度

通過拓?fù)鋬?yōu)化分析，探查加強位置。本文綜合參考龔俊奇，葉芳等研究進(jìn)行拓?fù)浞治鲅芯?。主要考察扭轉(zhuǎn)、彎曲剛度關(guān)鍵性能。典型分析結(jié)論如下：

（1）扭轉(zhuǎn)剛度拓?fù)浞治?。加強位置主要為A柱、前圍、縱梁。如圖13示，深色需要加強。

圖13 扭轉(zhuǎn)剛度拓?fù)?/p>

（2）彎曲剛度拓?fù)浞治觥＜訌娢恢弥饕獮榈匕?、縱梁。如圖14示，深色需要加強。5.3.4 白車身傳力路徑分析

圖14 彎曲剛度拓?fù)?/p>

本文參考張式程進(jìn)行傳力路徑分析，目的是探查各種工況的傳力路徑。主要考察約束扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲剛度、正面碰撞、A柱打擊等關(guān)鍵性能。分析結(jié)論：

（1）扭轉(zhuǎn)剛度傳力路徑分析。傳力路徑為A柱及前圍位置。如圖15示，深色需要加強。

圖15 扭轉(zhuǎn)剛度傳力路徑

（2）彎曲剛度傳力路徑分析。傳力路徑為縱梁、地板橫梁等。如圖16示，深色需要加強。

圖16 彎曲剛度傳力路徑

（3）正面碰撞傳力路徑分析。傳力路徑為A柱、前圍上方橫梁和縱梁。如圖17示，深色需要加強。

圖17 正碰撞傳力路徑

（3）A柱打擊傳力路徑分析。傳力路徑為A柱、門框上部。如圖18示，深色需要加強。

圖18 A柱打擊傳力路徑

5.3.5 結(jié)構(gòu)靈敏度分析。

本文參考孫萬來的研究，以最輕化為目標(biāo)，對42個結(jié)構(gòu)變量分析，探查各工況結(jié)構(gòu)變量敏感性，主要考察扭轉(zhuǎn)、彎曲剛度，扭轉(zhuǎn)、彎曲模態(tài)，A柱打擊、正面碰撞等關(guān)鍵性能，42個變量如圖19所示。

圖19 結(jié)構(gòu)靈敏度結(jié)構(gòu)變量

（1）扭轉(zhuǎn)剛度結(jié)構(gòu)靈敏度分析。識別的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)為：A柱接頭、前圍橫梁、縱梁連接結(jié)構(gòu)、A柱，如圖20所示。

圖20 扭轉(zhuǎn)剛度結(jié)構(gòu)靈敏度

（2）彎曲剛度結(jié)構(gòu)靈敏度分析。識別的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)為：縱梁及連接結(jié)構(gòu)。如圖21示。

圖21 彎曲剛度結(jié)構(gòu)靈敏度

（3）正面碰撞結(jié)構(gòu)靈敏度分析。關(guān)鍵結(jié)構(gòu)為：前圍上橫梁、側(cè)梁，縱梁連接結(jié)構(gòu)，如圖22所示。

圖22 正面碰撞結(jié)構(gòu)靈敏度

5.3.6 最大減重方案

板厚占比統(tǒng)計分析，0.8~1.0用料占比64.9%，1.2~1.5占比29.5%，對比重大的材料進(jìn)行薄壁化減重；再根據(jù)前述厚度、截面、結(jié)構(gòu)靈敏度分析，白車身拓?fù)?、傳力路徑分析，對性能弱化部位增強，綜合分析，提出最大減重方案，減重38.3 kg。典型減重區(qū)域圖23示。

圖23 典型減重區(qū)域

5.4 圍繞關(guān)鍵性能的輕量化方案優(yōu)化

確定最大減重方案后，根據(jù)定義的性能目標(biāo)，對剛強度、碰撞和NVH區(qū)域關(guān)鍵性能進(jìn)行系統(tǒng)分析優(yōu)化，包括52個分析項，213個考察點。最大減重方案，包括剛強度、NVH、碰撞的69個考察點目標(biāo)性能不滿足。通過結(jié)構(gòu)、材料、厚度優(yōu)化加強和N輪優(yōu)化迭代，最終輕量化方案，所有考察點性能目標(biāo)達(dá)成。典型性能分析結(jié)論如下。5.4.1 總體性能分析

最大減重方案，剛度、強度、NVH、碰撞等性能區(qū)域均存在問題；最終優(yōu)化方案，各項目標(biāo)達(dá)成,如圖24所示。

圖24 總體性能分析

5.4.2 剛度模態(tài)分析結(jié)論

最終優(yōu)化方案，扭轉(zhuǎn)、彎曲剛度等考察點目標(biāo)達(dá)成。圖25示。

圖25 剛度模態(tài)分析

5.4.3 強度分析結(jié)論

最終優(yōu)化方案，彎扭強度等考察點目標(biāo)達(dá)成。圖26示。

圖26 強度性能分析

5.4.4 碰撞安全分析結(jié)論

最終優(yōu)化方案，正碰、A柱打擊等考察點目標(biāo)達(dá)成，見圖27。

圖27 碰撞安全分析

5.4.5 最終輕量化方案

經(jīng)過N輪優(yōu)化迭代的最終方案，采取76項優(yōu)化措施，實現(xiàn)減重36 kg，降幅10%，達(dá)成減重目標(biāo)，見圖28。

圖28 最終輕量化方案

最終方案措施包括結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化、材料升級和壁厚優(yōu)化，典型方案如下。

（1）結(jié)構(gòu)優(yōu)化加強。局部優(yōu)化減重后，部分性能減弱，根據(jù)截面敏感性分析，對典型的地板縱梁截面加大加強，保證彎曲剛度性能（圖29）。

圖29 地板縱梁截面加大

（2）材料優(yōu)化升級。對關(guān)鍵部件材料升級，合適的材料應(yīng)用于合適位置；軟鋼(抗拉強度≤340 MPa)由78%降低至65%，普通高強鋼(340 MPa＜抗拉強度＜590 MPa)由22%提高至25%，先進(jìn)高強鋼(抗拉強度≥590 MPa)由0%提高至10%，地板縱梁關(guān)鍵部位首次應(yīng)用先進(jìn)高強雙相鋼（抗拉強度為780 MPa）。

（3）厚度薄壁化。根據(jù)板厚敏感性分析結(jié)論，對性能不敏感的部位進(jìn)行薄壁化減重；典型薄壁化零件有頂蓋外板、后圍外板等。性能敏感部位，則增厚加強滿足性能目標(biāo)；典型部位有側(cè)圍門框等。

6 樣車驗證及小批試銷實踐

前述最終輕量化方案，采用軟模進(jìn)行樣車試制，按規(guī)范開發(fā)流程進(jìn)行各項臺架和整車性能試驗，以及國家試驗場道路耐久可靠性試驗。關(guān)鍵性能試驗包括白車身彎扭轉(zhuǎn)剛度，車門扭轉(zhuǎn)剛度、碰撞試驗，關(guān)鍵性能指標(biāo)均達(dá)成目標(biāo)，如表3所示。

表3 關(guān)鍵性能達(dá)成情況列表

樣車按整車開發(fā)流程，進(jìn)行道路可靠性試驗11 000 km，包括山區(qū)重丘高速、平原微丘高速3 000 km,海南強化壞路試驗8 000 km，試驗后無故障。

經(jīng)過各項性能的測試確認(rèn)，所有性能目標(biāo)達(dá)成，不低于現(xiàn)生產(chǎn)水平。

7 結(jié)束語

根據(jù)輕量化原理，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料升級及厚度優(yōu)化技術(shù)研究與應(yīng)用實踐，歸納總結(jié)了白車身輕量化研究與應(yīng)用實踐的技術(shù)方法，主要結(jié)論：

（1）整體輕量化方案基于剛度性能提出，設(shè)計關(guān)鍵斷面和厚度；由于剛度與其它性能的關(guān)聯(lián)性，輕量化導(dǎo)致部分性能下降；

（2）通過結(jié)構(gòu)、連接、材料局部加強方案，反過來提升強度、碰撞和NVH性能；

（3）局部結(jié)構(gòu)、材料加強方案對局部性能貢獻(xiàn)明顯。

（4）剛度主要受骨架影響，蒙皮貢獻(xiàn)小。

（5）通過靈敏度分析，可識別出對剛度影響明顯的部位。

最終實施輕量化方案，可以實現(xiàn)減重36 kg，成本降低300元以上，同時關(guān)鍵性指標(biāo)不降低。

構(gòu)建了白車身性能體系，培養(yǎng)了關(guān)鍵性能虛擬CAE能力，形成了41項CAE分析規(guī)范。

本論文在輕質(zhì)鋁合金、新工藝應(yīng)用、耐久性研究與應(yīng)用方面，未能深入探討。

2030年鋁合金應(yīng)用將迎來發(fā)展高峰。展望未來，將在以下方面深入開展白車身輕量化技術(shù)研究：

（1）鋁合金研究與應(yīng)用；

（2）耐久可靠性分析新技術(shù)研究與應(yīng)用；

（3）研究激光拼焊、熱成型技術(shù)，制造輕量化。

通過深入的輕量化研究，為國家雙碳目標(biāo)實現(xiàn)做出貢獻(xiàn)。