启飞汽车

摘要

    轻量化是汽车节能减排的重要技术路径，车身轻量化相比其它性价比更高。文章探索了车身轻量化的技术路线，该技术路线通过轻量化设计、轻量化材料和轻量化工艺来实现。通过此方法的研究并在实际项目中得以应用，实现了在满足性能要求的情况下降低车身重量的目的，使车身轻量化技术水平和车身开发能力得到提升。

一、车身轻量化技术路线

1.车身轻量化概念

    车身轻量化是指汽车在保证安全性、驾驶舒适性和抗震性等，且本身造价在可接受前提下，有目的地减轻汽车自身重量。整车开发是性能、成本、重量三要素的平衡。减重除成本外也受限于行业工艺水平的发展，因此随着行业的发展，轻量化在整车上持续不断地有所突破。
    车身轻量化评价系统主要包含: 车身性能、车身重量和车身成本，通过三方综合评价可对车身轻量化水平进行科学、客观的评估。

2.车身轻量化技术路线

    车身轻量化技术路线主要包括轻量化设计、轻量化材料以及轻量化工艺，如图1所示。
 

 
    根据车身轻量化路线，在单车型评价体系的基础上提出了新评价体系，即科学的、客观的平台化多车型、多品牌开发的评估体系，见图2。该体系的建立和应用不但可用于车身轻量化水平的评估，也可用于推动车身研发能力的提升。
 

2.1轻量化设计

    轻量化设计是在先期架构开发和过程控制，并应用轻量化材料及相应新工艺的基础上，通过科学的分析方法，不断积累设计经验，从而不断优化，从设计源头提升轻量化水平。

(1) 轻量化先期架构开发

    车身先期架构最早是单一车型开发，随着平台化的多车型车身架构以及与新材料新工艺相结合的多目标车身优化成为车身开发需求，形成了面向多平台、多驱动型式的车身柔性化架构开发以及基于大数据和模型的车身CAE和CAD的2C 融合自动化智能化开发，如图3所示。
 

 
    综合考虑结构和布置，进行多学科拓扑优化，制定结构设计策略。在结构设计方面，应用CAE软件辅助开发，通过整车集成式优化设计手段完成减重目标。
    通过架构断面解耦，结合参数化模型库和制造工艺策略，搭建全参数化模型，使典型断面精益化并具有共用性，形成典型断面库。
    通过全面的CAE虚拟分析和多学科优化，对关键参数进行综合优化，如MDO结构材料的料厚优化和零部件集成化设计减少独立部件数量，达到减重增效之目的。

(2)轻量化设计过程控制

    轻量化设计要结合重量、尺寸、性能、成本、配置及带宽等形成多维度评价方法。成熟的车身轻量化设计评价方法有以下几个评价维度:车身66% 料厚曲线、车身轻量化系数、车身质量回归线、车身体积密度比、精益化成本以及共用化率，如图4 所示。通过建立车身综合效率评价指标，有效地控制车身轻量化开发过程，形成轻量化设计体系。
 

 
2.2轻量化设计

    随着材料的发展和轻量化需求的提升，车身所用材料已从普通钢材向多元化发展。车身轻量化材料发展的重要趋势是通过新型高强度钢板、热成形钢板、铝合金、碳纤维、非金属材料和复合材料的应用，在保证性能的同时大大降低车身重量。

(1)新型高强度钢材的应用

    代表汽车轻量化的国际超轻车身项目ULSAB经多年研究表明，先进高强度钢板的使用代表了未来汽车轻量化的发展方向。通过使用高强度钢，实现了白车身减重约20% ，制造成本节约10% 。该设计还实现了更优的安全性和舒适性。
    PHS 钢板: PHS目前已应用到车身结构件中，同时在等料厚均匀强度的基础上又发展了多种型式(见图5)，如 PHS + TＲB;
 

 
    QP 钢: 该钢不仅具有超高强度，且具备较高延伸率，特别适合外形相对复杂、强度要求相对高的冲压件。QP钢作为第三代先进高强钢种，具有高强度、高塑性的特点，在车身轻量化方面有着广泛的应用前景(见图 6)。
 

 
    目前运用最多的为QP 980，因其高强度和高延展率的特性，比较适合应用于车身结构载荷传力路径上型面复杂的零件。与传统高强度钢板相比，QP 980的重量和成本都有大幅降低(见图7)。
 

 
（2）车身先进铝材的应用

    铝合金的比重仅为钢的1/3，典型的铝合金零件一次减重效果可达30% ～ 40%，铝材在车身上的减重效果尤其明显。主要有:
    铝板冲压: 通过冷冲压工艺即可获得复杂的零件形状，用于车身外覆盖件及车身非载荷路径上的结构件。优点是轻量化、抗蚀性能好、环保和易成型;
    挤压铝: 通过铝锭的挤压成形，使材料产生定向塑性变形，形成等截面的铝制型材，经过液压校正或3D弯曲加工，制造出具有一定力学性能的车身零件。优点是轻量化、高性能和零件集成度高;
    高压真空薄壁铸铝(HPDC): 是指将熔融铝合金以高速、高压注射入金属模具型腔，并在高压下凝固后形成铝合金件。应用于结构形貌复杂、受力大的零件(见图8)。
 

 
（3）非金属及复合材料的应用

    非金属及复合材料是以SMC为代表的PP或运用全TP的材料，减重效果与铝材料接近，但成本稍高。此外还有声学材料，如复合夹层金属静音板、静音板PUPAD、LASD，如图9所示。
 

（4）混合材料

    根据不同材料的特点，将合适的材料用在最合适的位置，可最大程度地发挥材料的优势。在车身设计中应用混合材料将是大势所趋。随着超高强度的第三代钢板的成熟、铝材和非金属复合材料的应用成熟，未来的发展趋势主要以钢铝结合为主，其它材料为辅，在提升车身刚度和安全性的同时，大幅降低混合车身的成本，如图10所示。
 

 
2.3轻量化工艺

    以高强钢、铝合金以及碳纤维等为代表的新型材料已经成为汽车轻量化的新突破口。随着轻量化材料的应用，也带来了工艺的革新，涌现出大量的新型成型工艺以及连接工艺。

(1)新材料的先进成型工艺

    QP 钢成型工艺: 高强度钢的屈服强度和抗拉强度比普通钢板高得多，而应变硬化指数和厚向异性指数却很低。在冲压过程中，先进高强度钢板虽然与普通钢板一样具有开裂和起皱的问题，但更容易出现回弹、扭曲等冲压件尺寸精度的问题，这对冲压成形工艺提出了新的挑战。
    TＲB + PHS: 是一种不等厚的热成型板材，原材料本身包含可变辊压工艺。优势在于可根据实际的设计需求灵活调整零件厚度，通过在高载荷区域增加厚度，其他区域减小厚度的设计，同时实现满足性能目标、减重降本的目的，如图11所示。
 

 
    高压真空薄壁铸铝(HPDC):是利用高压将铝液注入具有一定真空度的模具型腔中，并快速凝固的过程。真空高压铸造件除保留了压铸件固有的设计灵活、壁厚薄等优点外，还提高了塑性和韧性，可应用于多种受载场合。
    除上述成型工艺，还有铝合金、镁合金QPF成型、电磁成型、液压成型等工艺。

(2)新材料的先进连接技术

    车身连接技术可大致分为3类: 点连接技术、线连接技术以及面连接技术。
    以被连接结构的材料属性划分，可以分为 4 类: 同种金属连接、异种金属连接、金属＆ 非金属连接以及非金属间连接。
此外，还有激光焊、激光拼焊、激光钎焊、拉铆和结构胶等轻量化连接工艺。
    新型连接技术的突破将为轻量化混合材料车身带来更大的减重空间。

二、轻量化技术的创新应用

    轻量化材料、轻量化设计和轻量化工艺在整车开发中不是孤立应用，是相辅相成的。因此整车开发中要统筹考虑才能获得最佳轻量化效果。在车型自主研发中，要充分运用科学手段，在正向开发过程中确保设计的轻量化。

1.车身结构设计优化应用

    在车身结构设计方面，采用拓扑优化、参数化快速模型及多学科参数优化等方法，对白车身进行载荷传递路径设计、优化与验证。利用辅助开发工具和评价体系，通过整车集成式的优化手段来完成减重目标，优先考虑结构优化。在项目开发过程中，采用了同一个模型中同时考虑结构、碰撞、NVH 等多工况要求的优化方法，使减重结果更易于在整车开发中实施，并且通过对整车布置的不断调整，以及结构设计形式的调整，使减重方案效率更高、更有利于低成本高质量地完成减重目标。

2.高强钢材料应用

    新一代产品车身高强度钢材使用比例达72%(比上代提15%)，其中超高强度钢达23% (见图 12) 。高强度钢的运用在减重的同时更可提高零件的强度，满足更高要求的安全性能; 超高强钢分布在关键传力路径上，用以最小化碰撞中乘员舱的变形; 运用QP 980第三代钢实现成本与重量的有效平衡。
 

3.全铝前盖应用

    相比传统的铁盖，采用铝制前盖能够减重5.3 kg以上，如图 13 所示。在设计铝合金发动机舱盖时结合铝合金的特性，通过造型、布置和结构优化，质量效率在市场上做到了最优，并且满足行人保护等要求。铝板的成型性和包边性能较钢板都要差，存在烘烤变形的问题。通过材料和设计解决了成型性和包边开裂等问题，同时引入了烘烤变形流程，使变形量控制在一个很小的范围。
 

4.轻量化工艺应用

    由于新型材料的应用，随之而来的是连接技术的快速发展。减少零件数量的液压成型、省去焊接翻边的车顶激光钎焊以及提升强度的辊压成型在产品工艺技术中已被普遍应用。
 
作者:陈虹  来源:上海汽车

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