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電子論文

白車身輕量化技術與實踐

時間:2020年09月11日 所屬分類:電子論文 點擊次數:

摘 要:輕量化是汽車開發中的一項重要性能指標,是汽車節能減排的有效手段,整車重量構成中車身重量的比例 較高,對整車輕量化有重要的意義。在車輛平臺化開發過程中,將車身輕量化設計理念融入平臺項目開發的全流程 中,通過輕量化材料、輕量化工藝和輕量化

  摘 要:輕量化是汽車開發中的一項重要性能指標,是汽車節能減排的有效手段,整車重量構成中車身重量的比例 較高,對整車輕量化有重要的意義。在車輛平臺化開發過程中,將車身輕量化設計理念融入平臺項目開發的全流程 中,通過輕量化材料、輕量化工藝和輕量化結構的技術路線,應用參數化建模、參數化優化、拓撲優化、斷面優化、 成型性和材料利用率優化等虛擬產品開發技術,結合多學科多性能的輕量化協同優化設計,充分兼顧剛度強度等性 能,兼顧布置、造型、裝配、工藝、成本等需求,達到了更優的白車身全局平衡,最終實現了五星安全車身、超高 剛性車身,達到了比肩全鋁車身的輕量化系數水平,同時實現了高車身材料利用率、低研發費用、低整車成本,并 在平臺化的車型開發中形成輕量化車身開發流程和性能評價體系。

  關鍵詞:白車身;輕量化;平臺化

汽車工程學報

  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,也對整車輕量化起著非常重要的作用[1]。輕量化結構開 發是一個跨學科的復雜過程,需要考慮性能、重量、布置、 造型、裝配、工藝、成本等需求,以達到更優平衡點,這使 得輕量化工作變得復雜,也使得從整體系統的角度去考慮車 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,通過某平臺化開 發,建立了一套系統的白車身輕量化設計體系和性能評價體 系,為以后的平臺化、多車型開發提供了依據。

  1 輕量化的技術路線

  材料、工藝和結構三大輕量化技術路線各有優勢和劣勢, 在應用時候又常常相互關聯。通常情況下,需要根據結構件 的需求進行統籌的選擇,各種結構件的性能需求和連接工藝 會使得設計難度增大,必須在設計結構件時考慮這些復雜的 情況,掌握材料特性及其生產工藝的相關知識,將不同的材 料、工藝和結構有效的結合,才能形成創新性的解決方案。

  1.1 輕量化材料

  材料選擇最初的目標是確定所要使用材料的要求特性, 然后進行實際材料的選擇,以從多種可用材料中濾出最適合 的候選材料[2]。公司輕量化材料應用方面主要是應用高強度 鋼板、鋁合金、非金屬材料;相應的研究方向分別和大學、 研究所等單位開展了深入的合作研究。 高強度鋼板、鋁合金和非金屬材料的優缺點各有不同。 充分應用它們的特性是優化選材的關鍵。

  以往憑借經驗選材, 為了保證關鍵部位的性能,往往會導致白車身成本增高。針 對三類輕量化材料特性的不同華晨分別采用以下的方式進行 優化選材:高強度鋼板的優勢在于高比強度和通用的連接技術,應 用的關鍵在于獲得全局最優的材質和材料厚度方案,通過參 數化優化,分辨出對比強度敏感的結構件,應用高強度鋼板, 可以在保證性能的同時獲得最優的輕量化效果。

  高強度鋼板的應用比例已經超過 60%;先進 高強鋼用量已經高達 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]。應用這一特點,將其 應用在防撞橫梁上,發揮其優勢性能的同時,采用螺栓連接 還能規避鋼和鋁連接的問題。相比傳統的鋼制前防撞梁重量 能降低 50%左右。 非金屬材料構件的優點是便于實現整體結構,某平臺采 用的全塑前端框架進行功能和構件的整合,實現了減重 38%。

  通過與 7 家單位聯合開展《汽車低成本熱塑性碳纖維復合材 料零部件聯合開發》項目,進行乘用車頂蓋橫梁零件的應用 技術開發,實現了減重 56%,雖然沒有在目前量產車型應用, 但為后續低成本熱塑性碳纖維復合材料在汽車輕量化中的應用奠定了基礎。

  1.2 輕量化工藝

  輕量化工藝是指生產制造、加工裝配過程中減輕重量的 潛力。此平臺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: 焊接工藝通過機器人系統的大規模應用提高焊接精度和質量,使得板件焊接重合面寬度可以減少 1-2mm,可以實現整車減重 0.4%左右。

  熱成型和輥壓成型工藝技術,可以克服傳統沖壓工藝下鋼板回彈嚴重、成型困難、容易開裂等難題,是一種獲得超 高強度沖壓件的有效途徑,此平臺車身熱成型和輥壓成型零 件占比約 6%,實現零件減重 30%左右。 激光拼焊屬于整體結構的一種,對零件進行整合,進而 減少零件搭接重量,此平臺的門內板等零件采用了激光拼焊 技術。實現零件減重 37%左右。

  1.3 輕量化結構

  新材料新工藝的突破為白車身輕量化提供了技術的支 持,但其高成本很難得到市場的認可。與新材料和新工藝相 比,結構優化有助于精益設計,從而提高產品的市場競爭力。 如雅閣,馬自達 2 等車型都大量使用了結構優化的輕量化方 案。此平臺輕量化結構主要從整體結構和形狀優化兩個方面 開展: 整體結構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量,減少連接結構,其優點是零部件 的重量最輕且連接工藝成本較低。

  此某平臺使用創新的結構 方案和變軸距共模具技術,在滿足平臺化車型尺寸帶寬變化 的同時實現零部件整合,減重的同時節約模具約 70 套。應用 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 構方案。取得了零件 10%-40%的重量減輕。 以往項目的形狀設計大多以參考結構車型為主,形狀優 化還有非常大的潛力可以發掘。在此平臺開發中,通過研究 形狀因數與應力類型的關系,建立了環狀結構、接頭優化等形狀的受力分析理論,并引進 Section AD 軟件對斷面特性進 行分析,通過對形狀因數分析總結,為正向結構設計建立了 堅實的基礎。

  2 虛擬產品開發

  計算機輔助開發更傾向于沒有建立物理原型前的虛擬驗 證。在創新輕量化產品開發中,計算機輔助工程在原有的虛 擬驗證的同時更多的面向輕量化優化工作,通過不同計算變 體,在工程師有風險的經驗的基礎上補充了量化陳述,甚至 代替了工程師的有風險的經驗[4]。此平臺開發,從概念設計 階段開始,通過隱式參數化建模的方法建立一個全參數化白 車身模型,采用分步優化設計的方法,在保持對整車性能控 制的同時,使輕量化設計貫穿整個過程。在不同階段分別針 對整車模態、彎扭剛度、碰撞性能和質量等指標進行優化[5] 。 具體體現在結構優化的以下幾個方面。

  2.1 參數化建模

  傳統的 CAD 設計過程限制了設計的可更改性,需要車 身結構調整時,將造成零件設計的改動工作量非常巨大,不 利于輕量化的設計效率。 此平臺項目采用 CATIA 軟件實現參數化設計建模,模型 中的點、線、面等條件通過參數關聯,在這些參數模型結構 的幫助下,可以通過改變參數和設計步驟,快速地進行設計 更改。從而從產品構思到產品虛擬呈現的時間周期減少約 6 個月,在輕量化產品開發中取得了突出到成效。

  2.2 參數化優化

  使用主要斷面和 CAS 可以快速搭建車身的 SFE 參數化 模型。采用參數驅動結構拓撲形狀的改變和板件材料 與材料厚度的改變,通過優化平臺對車身模型的斷面、接頭 和加強件等類似參數進行控制更改、網格劃分和計算求解, 配合科學的優化算法來實現自動優化,最終得到車身各性能 均滿足要求的最佳的車身尺寸方案,獲得全局最優的減重分 析結果和穩健性設計。在此平臺開發中成功應用了參數化優化技術,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時間縮 短了兩個月。

  2.3 拓撲優化

  載荷路徑優化并不是新技術,以往完全依賴于工程師憑 借經驗手動修改后輔以仿真驗證,其效率低下且效果不佳。 在項目初期通過對白車身進行拓撲分析,可以為結構設 計工程師提供參考,有針對性的進行優化。搭建拓撲優化的思路,通過內外飾的造型和總布置圖等確認優化設 計空間,加以工況的約束條件,通過軟件計算分析最后得到 可以指導結構設計的載荷路徑。

  2.4 斷面優化

  雖然分析軟件應用已很廣泛,但主要是針對 3D 模型的 分析,如果在前期的 2D 斷面階段可以對性能的評估,可以 避免項目后期的重大設計更改,縮短開發進度。 此平臺項目中,引進了 Section AD 軟件,可以通過 2D 斷面快速評估不同的設計方案,如材料對最大軸向載荷及彎 矩的靈敏度等,得到最優化的設計截面尺寸、厚度、形狀等, 實現了項目前期的性能評估和優化。

  2.5 成型性和材料利用率優化

  項目前期供應商沒有介入時,沖壓成型零件工藝性和板 料成本無法評估。為解決了這問題,引入 FTI 白車身同步工 程系統,可以快速實現零件的沖壓可行性和板料利用率評估, 形成沖壓薄板零件成本控制方案,同時提高了項目開發的整 體效率。通過軟件對板料排樣,如圖 4,進行分析和優化, 可以提高整車材料利用率 2%左右。

  3 輕量化產品開發流程

  以往的白車身開發主要以造型和空間、安裝硬點等幾何 需求進行三維結構設計,CAE 性能分析和優化只針對三維數 據,并且主要集中在產品設計及驗證階段,較少在開發前期 的可行性分析和概念確認階段進行輕量化設計。而前期的方 案定義會對輕量化技術路線的選擇產生重大影響。

  此平臺項目將輕量化開發融入車型項目開發流程的全過程中,系統的進行輕量化設計,在項目可行性分析階段應用拓撲優化,整體結構優化、SFE 參數化優化進行傳 遞路徑規劃和性能摸底;概念確認階段通過斷面優化、板厚 優化,輕量化選材、形狀優化等方法進行輕量化設計和整體 性能提升并持續優化直至產品設計及驗證階段,形成設計和 優化的全流程系統應用,實現性能、重量、布置、造型、裝 配、工藝、成本等的全局最優化。

  4 輕量化白車身的經濟效益和社會效益

  在激烈的市場競爭中,一般的中低端車型對成本都很敏 感,面臨很大的成本壓力。另外,客戶對產品的要求在不斷 提升,這些都對產品的設計開發和生產提出了越來越高的挑 戰,也使得輕量化的經濟效益和社會效益顯得尤為重要。 某在產和即將上市的三款車型銷量規劃共計 110 萬輛, 其經濟效益和社會效益如下: 通過輕量化優化,單臺減重約 50kg,按照平均車身成本 效率為 15rmb/kg 計算,生產成本節省約 8.3×108rmb。

  通過材料利用率提升,單臺車身材料成本降低約為 20rmb,全生命周期銷量可節省材料費用約 2.2×107 rmb。 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],假設油耗可降低 0.6L,每輛汽車行駛 3 ×105 km 估算,可節省燃油約 9.9×108 L。 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 3×105 km 估算,碳排放減少約 1.8× 109 kg。

  5 結論

  在此平臺的白車身開發過程中,綜合應用三大類的輕量化技術路線,創新應用了參數化設計優化、拓撲優化、斷面 優化、多學科多性能輕量化協同優化設計等虛擬產品開發技 術。通過車身新材料新工藝的開發,整合了高校、原材料供 應商和零部件供應商的資源,積累了寶貴的經驗,提升了在 國內汽車行業的競爭力。其中某車型在行業頂級會議“中國 汽車工程學會 2018 年會”上獲得“輕量化車身會議二等獎”。

  汽車論文投稿刊物:《汽車工程學報》是由中國汽車工程研究院股份有限公司主辦的期刊。辦刊宗旨是刊發汽車工程技術理論及試驗研究成果,反映汽車設計制造領域的新材料、新技術和新趨勢,推進汽車工程研究和汽車產業發展。

  此平臺的白車身開發中,為開發出高品質的輕量化車身, 進行了大量的研究和實踐,開發出許多新的工程解決方案, 編寫多項開發標準和流程,發布了大量專利論文。平臺實 現了五星安全車身、超高剛性車身,達到了比肩全鋁車身 的輕量化系數水平。同時鍛煉出一支愛崗敬業,勇于拼搏, 技術過硬的隊伍,為實現輕量化同步設計開發奠定了基礎。 面對國內外競爭激烈的汽車市場,車身設計開發要善于運 用新的材料和技術、大膽嘗試、勇于創造,才能不斷實現新 的突破。

  參考文獻

  [1] 林程,王文偉,陳瀟凱.汽車車身結構與設計[M].北京:機械工業出版社,2013,26.

  [2] Frank Henning,Elvira Moeller.北京永利信息技術有限某譯.輕量化 材料和屬性[M].北京:北京理工出版社,2015.3,1.

  [3] Frank Henning,Elvira Moeller.北京永利信息技術有限某譯.輕量化 材料和屬性[M].北京:北京理工出版社,2015.3,82.

  [4] Frank Henning,Elvira Moeller.北京永利信息技術有限某譯.輕量化 產品開發過程與生命周期評價[M].北京:北京理工出版社,2015.3, 71.

  [5] 王磊,劉瑩,喬鑫.基于正向開發流程的車身輕量化設計[J].汽車工程學報,2015.6.

  [6] 王洪雁,陳君毅.汽車車身輕量化結構與輕質材料[M].北京:北京大學出版社,2009.9,35.

  作者:趙廣,孟慶威,李紅,王松

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