汽車車身的輕量化設(shè)計探討

謝貴山，黃宗斌，趙肖斌，覃鵬飛，勞兵

上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007

0 引言

2021年我國對能源發(fā)展提出了要求：在2030年前我國的二氧化碳排放量將達(dá)到峰值，由增轉(zhuǎn)降;在2060年前爭取實現(xiàn)碳中和，最終實現(xiàn)零排放的目標(biāo)。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計，汽車每減重100 kg，二氧化碳排放量可減少約5 g/km。輕量化是實現(xiàn)汽車節(jié)能減排最有效的途徑，是汽車行業(yè)的發(fā)展方向，尤其是現(xiàn)在新能源車和智能駕駛的興起，汽車輕量化對汽車?yán)m(xù)航里程有著重大影響，汽車輕量化水平是汽車企業(yè)技術(shù)能力和核心競爭力的體現(xiàn)。汽車輕量化是指采用科學(xué)的設(shè)計方法和手段對汽車產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，或在確保汽車綜合性能指標(biāo)的前提下使用新材料，最大化降低汽車質(zhì)量，以達(dá)到減排、安全、減重、節(jié)能的綜合指標(biāo)[1-2]。汽車輕量化的整車收益如圖1所示。汽車輕量化需同時滿足兩個條件：保證汽車行駛的安全性、耐撞性、抗振性以及舒適性;汽車造價不被大幅提高或不增加。車身質(zhì)量占整車質(zhì)量的1/4～1/3，是整車輕量化的主要方面，車身的減重潛力一般占整車減重潛力的50%左右。車身輕量化可以帶來底盤、動力等的二次減重。車身的輕量化能有效達(dá)成整車輕量化、節(jié)約能源、減少廢氣排放，實現(xiàn)我國汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展，研究車身輕量化技術(shù)具有重要意義。

圖1 汽車輕量化的整車收益

1 車身輕量化評價指標(biāo)和技術(shù)路線

汽車行業(yè)通常采用輕量化系數(shù)來評價車身輕量化水平。車身輕量化系數(shù)計算公式為：

(1)

式中：L為車身輕量化系數(shù)，數(shù)值越小，表示輕量化水平越高;mBIW為白車身(無門蓋，無前后風(fēng)擋)的質(zhì)量，kg;CT為車身扭轉(zhuǎn)剛度，kN·m/(°);S為四輪間的正投影面積[(前輪距+后輪距)×軸距/2]，m2。

本文主要從材料、結(jié)構(gòu)、工藝3個技術(shù)路線方向來實現(xiàn)車身輕量化。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化是車身輕量化的重要手段，也是實現(xiàn)汽車輕量化的基礎(chǔ)和前提，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化使最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形狀、尺寸和合適的材料用在汽車結(jié)構(gòu)合適的位置，追求每部分材料都能發(fā)揮出其最大的承載、增加剛度、吸能作用，達(dá)到降低整車質(zhì)量、提高材料利用率、減少材料成本的目的。車身結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化的方法主要有單目標(biāo)優(yōu)化、多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化、布局優(yōu)化、形狀優(yōu)化方法。

2.1 單目標(biāo)優(yōu)化

單目標(biāo)優(yōu)化以減重為目標(biāo)，車身剛度和主要模態(tài)頻率為約束，板厚度和梁斷面形狀為設(shè)計變量，主要用于輕量化和汽車性能優(yōu)化設(shè)計。在車身上常見的優(yōu)化案例有：減重為目標(biāo)，車身剛度，強(qiáng)度、頻率為約束，車身零件結(jié)構(gòu)尺寸為設(shè)計變量;車身剛度最大為目標(biāo)，車身質(zhì)量、強(qiáng)度和頻率為約束，車身零件結(jié)構(gòu)尺寸為設(shè)計變量;車身一階扭轉(zhuǎn)頻率最大為目標(biāo)，車身質(zhì)量、強(qiáng)度和一階彎曲頻率為約束，車身零件結(jié)構(gòu)尺寸為設(shè)計變量。

2.2 多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化

多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化是以減重和車身某一重要性能為目標(biāo)，車身其他性能為約束，板厚度和梁斷面形狀為設(shè)計變量，優(yōu)化同時考慮被動安全性。多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化主要有直接優(yōu)化方法和間接優(yōu)化方法。

直接優(yōu)化方法是直接利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化計算，主要有加權(quán)系數(shù)法、動態(tài)規(guī)劃法、遺傳算法、非支配排序遺傳算法等，常用于模型簡單、計算量不大的多目標(biāo)優(yōu)化問題。

間接優(yōu)化方法是先計算出樣本點，擬合出代理(近似)模型，再利用優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化。代理模型主要有多項式響應(yīng)面、克里金、支持向量回歸和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等。間接優(yōu)化方法常用于計算工作量大的優(yōu)化問題，主要用于輕量化和汽車性能優(yōu)化設(shè)計，車身上常見的優(yōu)化案例有：減重和車身某幾個結(jié)構(gòu)抗撞性等為目標(biāo)，車身剛度、強(qiáng)度、頻率和其他結(jié)構(gòu)抗撞性指標(biāo)為約束，車身零件梁斷面形狀尺寸和板厚為設(shè)計變量，對車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計;車身剛度、頻率等最大為目標(biāo)，車身質(zhì)量、強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)抗撞性指標(biāo)為約束，車身零件梁斷面形狀尺寸和板厚為設(shè)計變量，對車身 NVH 性能進(jìn)行優(yōu)化;車身正或側(cè)碰的幾個結(jié)構(gòu)抗撞性指標(biāo)為目標(biāo)，以車身質(zhì)量、剛度、強(qiáng)度和頻率為約束，車身零件梁斷面形狀尺寸和板厚為設(shè)計變量，對結(jié)構(gòu)被動安全性進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。

2.3 拓?fù)鋬?yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化是優(yōu)化材料在設(shè)計空間上的分布，主要用于車身概念設(shè)計早期，研究結(jié)構(gòu)材料布局，優(yōu)化結(jié)果決定了車身的最優(yōu)拓?fù)?，也就決定了車身的最終形狀與性能，能保證結(jié)構(gòu)設(shè)計的后續(xù)尺寸和形狀優(yōu)化是在材料分布最優(yōu)形式下進(jìn)行的，能夠有效提高材料利用率。

2.4 尺寸優(yōu)化

尺寸優(yōu)化主要是優(yōu)化梁斷面尺寸及板的厚度匹配。

2.5 布局優(yōu)化

布局優(yōu)化主要是對結(jié)構(gòu)加強(qiáng)筋的布置等進(jìn)行優(yōu)化。

2.6 形狀優(yōu)化

形狀優(yōu)化主要是優(yōu)化車身梁的斷面形狀。

3 輕量化材料

采用輕量化材料替換原有車身鋼材是車身輕量化的重要技術(shù)手段，各種輕量化材料密度對比如圖2所示，不同的輕量化材料有不同的材料屬性、工藝要求、應(yīng)用區(qū)域。

圖2 各種輕量化材料密度對比

3.1 鋁合金

鋁合金密度是鋼的1/3，具有抗沖擊性好、比強(qiáng)度高、比剛度高、便于回收再利用的優(yōu)勢，并具有良好的工藝性、吸收沖擊性能好、耐腐蝕、易回收等特點，目前在汽車行業(yè)被廣泛應(yīng)用[3]。擠壓鋁是通過擠壓成形，形成等截面的鋁制型材;車身鋁合金鑄件是用高壓真空鑄鋁的薄壁鑄鋁件。

3.1.1 擠壓鋁

目前車身常用的擠壓鋁為6000系與7000系兩種，技術(shù)難點有：面向工藝的擠壓鋁零件設(shè)計;鋁&鋁連接及鋼&鋁連接技術(shù)。主要應(yīng)用在車身載荷路徑上梁式結(jié)構(gòu)區(qū)域，如圖3所示。擠壓鋁零件可實現(xiàn)封閉等截面型材，應(yīng)用于車身關(guān)鍵載荷路徑上，可有效提升車身安全、結(jié)構(gòu)、NVH性能。相對于傳統(tǒng)鋼制鈑金零件，擠壓鋁零件可實現(xiàn)多個零件集成為1個零件，提升零件集成度。

圖3 擠壓鋁在車身上的應(yīng)用

3.1.2 壓鑄鋁

目前車身用高壓真空鑄鋁零件為薄壁鑄鋁，按熱處理方式可分為T5與T7兩種。 技術(shù)難點有：面向工藝的鑄鋁零件設(shè)計;壓鑄模具與工藝的開發(fā)控制;鋁&鋁及鋼&鋁連接技術(shù)。主要應(yīng)用在車身關(guān)鍵載荷路徑與關(guān)鍵接頭區(qū)域，如車身前、后減震塔、后大梁等零件，如圖4所示。鑄鋁零件可實現(xiàn)復(fù)雜型面及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于車身關(guān)鍵載荷路徑上，可有效提升車身安全、結(jié)構(gòu)、NVH性能。相對于傳統(tǒng)鋼制鈑金零件，鑄鋁零件可實現(xiàn)多個零件集成為1個零件，提升零件集成度。

圖4 壓鑄鋁在車身上的應(yīng)用

3.2 鎂合金

鎂合金密度約為鋼的1/4，約為1.7 g/cm3，比強(qiáng)度和比剛度高，兼有良好的阻尼減震和電磁屏蔽功能，同時易于加工、可回收再利用，逐漸成為輕量化發(fā)展的研究應(yīng)用對象。鎂合金存在耐蝕性差、易燃、室溫塑性差的缺點。汽車上采用鎂合金零部件共有 60 多種，所用的鎂合金材料主要是 AZ和 AM合金，少量采用 AE和 AS3合金，如圖5所示。目前汽車行業(yè)金材料牌號還相對較少，汽車平均用鎂量為 0.7～1.2 kg，個別商用車車型鎂合金用量達(dá)2.0～3.0 kg。國內(nèi)可生產(chǎn)出常規(guī)的鎂合金牌號材料，但鑄錠性能不穩(wěn)定、批次差異大、成材率不高，導(dǎo)致成本過高。目前國內(nèi)的鑄造模具體系已較為完善，具備設(shè)計和生產(chǎn)能力，但部分技術(shù)含量高、制造難度大的壓鑄模具還需進(jìn)口。由于國內(nèi)工藝技術(shù)不成熟，鎂合金循環(huán)在利用方面的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)還不健全。鎂合金在車身上的應(yīng)用如圖5所示。

圖5 鎂合金在車身上的應(yīng)用

3.3 高強(qiáng)鋼

采用高強(qiáng)度鋼能夠降低鈑金件厚度，提高部件疲勞特性，增強(qiáng)汽車部件在碰撞中的吸能特性。汽車用高強(qiáng)度鋼主要應(yīng)用于車身結(jié)構(gòu)件，如車身加強(qiáng)板、橫梁、縱梁、內(nèi)板等零件，汽車輕量化后保證碰撞安全性的最主要材料，合理選用高強(qiáng)度鋼有助于汽車輕量化。相對于其他材料，高強(qiáng)度鋼的性價比最高、現(xiàn)階段最主要的材料。車身加強(qiáng)件、結(jié)構(gòu)件等主要采用 590 MPa級高強(qiáng)度鋼板。汽車前防沖柱、中心梁、前邊梁和B柱等已有廠家使用780 MPa、 980 MPa級超高強(qiáng)度鋼板。有些廠家甚至將390 MPa、440 MPa 級高強(qiáng)度鋼板沖壓成形后，對強(qiáng)化部分進(jìn)行高頻加熱和淬火，以使部件抗拉強(qiáng)度達(dá)到1 000 MPa 以上。車身結(jié)構(gòu)件常用的鋼板種類有：雙相鋼( DP 鋼)、TRIP鋼、TWIP 鋼。國內(nèi)第一代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼目前技術(shù)成熟，但成本與性能相對一般，已在汽車行業(yè)廣泛應(yīng)用;第二代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼性能有大幅提升，技術(shù)基本成熟、有部分應(yīng)用、但價格太高、限制了推廣應(yīng)用;目前國內(nèi)自主品牌的高強(qiáng)鋼比例平均為50%，基本與國內(nèi)合資品牌、國外車型持平。

3.4 非金屬材料

3.4.1 碳纖維材料

碳纖維材料是以碳纖維編織或多層復(fù)合而成的材料，主要應(yīng)用在外覆蓋件和結(jié)構(gòu)加強(qiáng)件。特點主要有：①輕質(zhì)高強(qiáng)，密度約為鋼的1/5(1.5 g/cm3);②強(qiáng)度為1 500～3 000 MPa(單向鋪層);③可設(shè)計性強(qiáng)、集成度高;④可通過調(diào)整鋪層厚度和纖維方向?qū)崿F(xiàn)不同性能要求;⑤合理的拼搭接方式使得零件集成化;⑥抗疲勞性能優(yōu)良;⑦疲勞強(qiáng)度達(dá)到靜載荷強(qiáng)度的70%～80%;⑧熱膨脹系數(shù)低;⑨熱膨脹系數(shù)約為鋼材的1/4。

3.4.2 玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料

玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料密度一般為1.3 g/cm3,僅為鋼的1/6，具有比強(qiáng)度高、耐沖擊性、耐老化性好等優(yōu)點，且能夠?qū)崿F(xiàn)模塊化設(shè)計，已經(jīng)在前端模塊、尾門、蓄電池托盤等車身零件上得到了廣泛的應(yīng)用[4-5]，相比鋼材能夠?qū)崿F(xiàn)50%左右的減重。玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料還具有良好的結(jié)構(gòu)抗撞性，在碰撞中使力和能量傳遞更加合理。采用玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料設(shè)計還有利于平臺化設(shè)計，實現(xiàn)最大限度的結(jié)構(gòu)輕量化。以玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料在車身前端模塊上的應(yīng)用為例，如圖6所示，塑料前端模塊具有以下優(yōu)勢：①能夠降低尺寸鏈，容易控制尺寸精度，而車身沖壓件模具套數(shù)上百套，尺寸控制困難;②提高整車的裝配精度，主機(jī)廠焊接、總裝成本降低，產(chǎn)線縮短，降低公司運營成本;③可以集成化供貨，減少總裝產(chǎn)線成本，控制流程縮短;④單件減重50%，減重5 kg，輕量化優(yōu)勢明顯。

圖6 玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料在車身前端模塊上的應(yīng)用

3.5 高密度結(jié)構(gòu)泡沫

高密度結(jié)構(gòu)泡沫是一種常溫下依靠化學(xué)反應(yīng)成型的車身空腔填充物，填充后即刻發(fā)泡并固化成型，對車身進(jìn)行加強(qiáng)。技術(shù)難點是結(jié)構(gòu)泡沫的模擬分析。 與傳統(tǒng)車身結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案相比，高密度結(jié)構(gòu)泡沫的優(yōu)勢在于輕量化減重效率為50%～70%; 高結(jié)構(gòu)適應(yīng)性：對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的接頭區(qū)域，使用傳統(tǒng)的金屬加強(qiáng)件較難實現(xiàn)，如果使用高密度的結(jié)構(gòu)泡沫，可以較為簡單地將接頭空腔區(qū)域完全充滿，如圖7所示。

圖7 高密度結(jié)構(gòu)泡沫在車身上的應(yīng)用

4 輕量化工藝

4.1 高強(qiáng)鋼輥壓成型

輥壓成形工藝是通過順序配置的多道次成形軋輥，把金屬板帶持續(xù)進(jìn)行橫向彎曲，制出特定斷面的型材產(chǎn)品。輥壓成型適用于高強(qiáng)度鋼，生產(chǎn)效率高、利用率高、零件易于平臺化。高強(qiáng)度輥壓成型工藝主要應(yīng)用在保險杠防撞梁、車門防撞梁、車身門檻、座椅導(dǎo)軌等零件。

4.2 熱成型

將高強(qiáng)度鋼經(jīng)950 ℃高溫加熱至奧氏體化狀態(tài)，保證一定壓力，以大于27 ℃/s的冷卻速度冷卻，形成組織均勻的馬氏體組織，此時抗拉強(qiáng)度一般會達(dá)到1 000～1 600 MPa。熱成型零件回彈小，零件尺寸精度高。

4.3 整體式門環(huán)

整體式門環(huán)的應(yīng)用能消除接頭位置碰撞應(yīng)力集中、分散受力、消除搭接間隙小無法電泳問題。整體式門環(huán)實現(xiàn)多件合一的集成設(shè)計，減少了沖壓和拼焊工序。

4.4 變厚度板

變厚度板是通過控制軋輥的間距變化，使軋制出的薄板具有預(yù)先定制的變厚度分布，變厚度板制成的零件在不同部位有著不同厚度特征，從而滿足車身零件多種設(shè)計的需要。工藝特點：不等料厚的板料生產(chǎn)基于冷軋工藝;均勻過渡區(qū)、無熱影響區(qū)、無缺口效應(yīng)、無應(yīng)力集中。TRB優(yōu)勢是實現(xiàn)減重、零件集成、性能提升。變厚度板在車身上的應(yīng)用區(qū)域如圖8所示。

圖8 變厚度板在車身上的應(yīng)用區(qū)域

4.5 激光拼焊板

激光拼焊板是將不同厚度、不同材質(zhì)、不同涂層的鋼材通過激光焊接方式焊接成一塊整體板，實現(xiàn)零部件對材料性能的不同要求。激光拼焊也可以把不等厚度的相同材質(zhì)材料焊接成整塊板再一起沖壓，既能實現(xiàn)減少零件數(shù)量，又能提高材料利用率。采用激光拼焊板可減少零件搭接邊和焊點，實現(xiàn)零件質(zhì)量減輕24%，焊點減少49%，零件數(shù)量減少19%，生產(chǎn)時間減少21%，在汽車行業(yè)應(yīng)用較為廣泛。激光拼焊板在車身的加強(qiáng)板和內(nèi)板上有廣泛的應(yīng)用，因為激光焊接位置有明顯痕跡，而外覆蓋件對外觀有高要求，所以外覆蓋件一般不采用激光拼焊板。

4.6 彎管成形

采用圓管作為成形毛坯，使用充液成形技術(shù)、氣脹成型、三維輥壓來完成制造，該工藝較多應(yīng)用在車身結(jié)構(gòu)件上。彎管成形減少了需要焊接的部件，具有形狀穩(wěn)定性、一致性高的優(yōu)點，適用于復(fù)雜形狀部件的成形。彎管成形增加了形狀設(shè)計的自由度，減少了部件的數(shù)量，這些均有利于實現(xiàn)汽車車身的輕量化。車身的A柱邊梁與前端上縱梁采用多種非等截面的彎管成形工藝，使得與不同安裝面的匹配更加自由靈活，并有效提升空間和剛度及部分集成，也有利于車身平臺化。

5 結(jié)束語

本文綜述了實現(xiàn)車身輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化方法、新材料、新工藝。輕量化是節(jié)能減排的重要手段，也是新四化的重要支撐。車身輕量化技術(shù)涉及原材料、工藝、整車性能等，需要產(chǎn)業(yè)上下游協(xié)同創(chuàng)新。車身輕量化沒有終點，不同的階段需要采用不同的輕量化技術(shù)。輕量化作為汽車行業(yè)的核心和關(guān)鍵技術(shù)，需要更加深入地研究和探討，助力國家碳達(dá)峰、碳中和的發(fā)展目標(biāo)。