车身轻量化

车身轻量化（精选十篇）

车身轻量化 篇1

节能、环保和安全是汽车工业发展中所面临着的三大主要问题, 油耗和排放是影响这些的重要因素。大量数据研究表明, 整车质量的大小与油耗密切相关, 因此在满足整车各项性能指标的基础上对其进行轻量化是十分有必要的。就客车来说, 车身质量占整个客车质量的比重很大, 通常为了满足其强度的要求车身骨架强度会出现局部富余的情况, 这将进一步导致车身质量的偏大。而我们国家的客车车身往往存在质量偏大的情况, 甚至于存在有些结构刚度强度富余的情况。

大量研究表明, 汽车质量每降低10%, 油耗降低6-8%, 排放降低4-10%。而车身是客车三大总成之一, 占整个客车总质量的40%-60%, 由此可见影响整车轻量化的主要因素是对车身的轻量化。目前, 汽车轻量化的主要途径有以下两种, 一是采用轻量化材料, 例如采用高强度钢, 铝镁合金等新材料, 在满足刚度强度的情况下, 使得质量更轻;二是利用CAE技术进行客车结构的优化, 使得材料分布和各零部件布局更加合理, 在满足要求的情况下, 最大限度的减重。文章就是基于拓扑优化的某客车车身结构设计, 从而到达优化减重的目的。

1 拓扑理论简介与拓扑模型的建立

1.1 拓扑理论简介

拓扑优化 (Topology) 作为一种概念性的数学方法, 是将一定设计空间内的连续体离散成有限单元网格, 为每个离散单元附上合适的材料属性, 给定合适的约束条件, 利用Opti Struct自身的近似优化算法-根据结构自身的传力路径对材料分布进行重新布置, 来完成设计人员给定的设计目标。

对于以往传统的设计, 设计人员往往是凭借自身的设计经验对整个设计过程进行把控的, 而现在完全可以以拓扑优化的方法为基础, 参考拓扑结果对整个产品的设计进行全新的把控, 从而更加有效的设计出工艺与技术条件均达标的最佳产品。

借助于Hyper Works软件分析平台, 利用Opti Struct对该客车的顶盖和侧围进行必要的拓扑优化分析。以拓扑结果为基础, 充分考虑到实际的工程规范要求, 设计人员对车身结构进行二次的优化设计并进行有限元分析计算, 最终在满足整车性能的基础上得到最优的设计, 从而达到车身结构性能优化与轻量化的目的。

1.2 拓扑模型的建立

工程领域的优化一般都涉及三个重要因素-设计变量、目标函数和约束条件, 拓扑优化数学模型的建立就是以这三个因素为基础的, 具体可以将其数学模型表述为:

设计变量:

目标函数:

约束函数:

式中, gj (X) 表示不等式约束函数;m为不等式约束的数目;hi (X) 表示等式约束函数;l为等式约束的数目。

以拓扑优化设计理论为基础, 参考实际工程规范要求建立合适的拓扑优化设计空间。设计人员在拓扑优化设计空间内布置材料的时候还必须考虑到客车的基本功能、性能和装配等实际情况的要求, 车门及车窗的位置不发生变化, 对一些关键部位着重考虑 (对整车弯曲刚度影响较大的车身侧围, 在侧翻过程中保证车身结构不会过大变形而导致车内生存空间变小的车身顶盖) 。本次拓扑优化的设计空间确定为车身的侧围部分区域以及盖顶, 以原始车型的数模为基础构建出的车身局部拓扑优化模型如下图1所示。

2 分析工况说明

2.1 强度分析

作为车身设计的一般性的载荷工况, 强度分析的结果可以用于评估客车的结构强度性能。在进行强度分析的时候, 必须充分考虑客车车身结构的布局以及悬架系统的几何外形, 再结合提取的载荷计算表格, 进行分析。对于多种工况的强度分析通常会根据工程设计人员的实际经验以及对整车性能参数的把控给出适当的加权因子, 再结合基础车型的应力水平, 来对客车的总体强度进行评估。此次应力分析采用静力学的方法, 以G作为标准载荷的方式来考核客车的车身强度。具体工况如下:

0.85G前向制动工况:客车在水平路面急停的时候要承受一定的惯性载荷, 此处以0.85G向前惯性载荷模拟客车满载状况下在水平路面上的紧急停车情况, 考察车身的应力分布情况。考虑到车身悬架的实际情况来进行有限元模型的加载, 通过RBE2模拟出前后悬架的支撑点 (即RBE2的主节点) , 并且对左侧前后悬架处的RBE2主节点约束其1、2、3自由度, 对右侧前后悬架处的RBE2主节点约束其2、3自由度, 再对客车的整体施加X方向的0.85G惯性力。在这种载荷作用下, 客车主承载结构上的最大应力值应低于材料的屈服极限。

0.5G左转向工况:在实际客车转弯的时候客车要承受一定的侧向惯性载荷, 此处以0.5G的侧向惯性力来模拟客车左转弯情况, 考察车身的应力分布情况。考虑到整车的实际运行情况来进行有限元模型的加载, 通过RBE2模拟出前后悬架的支撑点 (即RBE2的主节点) , 并且对左右后悬架处的RBE2主节点约束其1、2、3自由度, 对左右前悬架处的RBE2主节点约束其2、3自由度, 再对客车的整体施加Y方向的0.5G惯性力。在这种载荷作用下, 客车主承载结构上的最大应力值应低于材料的屈服极限。

2.2 刚度分析

弯曲工况:良好路面上正常匀速行驶的客车其车身主要承受弯曲载荷, 在此工况下分析车身骨架结构相应的变形用以评价其弯曲刚度。具体的约束及加载方式如下:对左前轮支撑点约束其3自由度, 右前轮约束其2、3自由度, 左后轮约束其1、3自由度, 右后轮约束其1、2、3自由度。此处主要考虑的是客车的动力总成重量以及座椅、乘客的重量。这些重量以集中载荷的方式施加到相应的节点上。对于测量点的选取直接关乎到计算分析结果的可信度, 此处的测量点严格按照工程实际规范进行选取, 通常在客车底盘纵梁底面选取若干均匀分布点, 用测量点的最大位移来评价其刚度特性。弯曲刚度EIZ可通过测量点的最大位移计算得出:

式中, δi是测点的Z向变形量 (单位:m) ;Xi是前悬支撑点到测点的距离 (单位:m) ;L是前后悬支撑点距离 (单位:m) ;P是施加的载荷 (单位:N) ;a是前悬支撑点至加载点的距离 (单位:m) , b=L-a。

扭转工况:客车在低速通过不平路面的时候会出现车轮悬空的危险状况, 扭转工况就是模拟这一情况的, 具体表现为三个车轮着地一个车轮悬空。在这种状况下, 车速较低, 惯性较小, 车身的受力特性完全可以当作是静态的。车身模型的具体约束及加载条件如下:约束左右两侧后悬架安装点1、2、3自由度, 左右两侧前悬架安装点通过MPC的方式约束, 同时任选一侧前悬在其安装点处施加一定的竖直方向的力 (即沿Z方向的力) 以此获得30000Nm的转矩。测量点的选取依旧严格按照工程规范选取, 通常在客车底盘纵梁底面选取加载面对应点以及沿纵梁均匀分布若干测量点。扭转刚度GJ是通过加载面所对应的纵梁底面Z向的变形量来计算的。

式中, δL是左纵梁上的测点Z向变形量 (单位:mm) ;δR是右纵梁上的测点Z向变形量 (单位:mm) ;T是施加的载荷 (单位:Nm) ;Xi是后悬支撑点到测点的距离 (单位:m) ;Bi是左右对称测点的间距 (单位:m) 。

3 拓扑优化计算和结果分析

3.1 拓扑优化计算

以已经构建好的拓扑优化设计结构模型为基础, 结合客车的各种性能要求所需要满足的工况, 施加相应的载荷, 此处主要涉及到两个强度工况, 两个刚度工况。以客车顶盖及其侧围为设计变量, 以确定好的局部拓扑优化设计空间的质量比 (mass fraction) 0.2~0.3为约束条件, 同时施加对称约束, 以加权应变能最小min (wcomp) 为目标函数完成拓扑优化计算的前处理工作。在模型测试没有问题的基础上通过Opti Struct提交计算, 为保证拓扑结果的完整性, 将相应的迭代次数增加为200次, 经过若干次迭代之后可以得到在以上四种工况之下的拓扑优化结果, 如图2, 3所示。

3.2 优化结果分析

拓扑优化作为概念性的优化设计方法, 可以在设计空间里面寻找到材料的最优布置, 为设计人员提供全新的设计方案和最优的材料分布方案。经过拓扑优化之后, 车身材料的布置会更加清晰的呈现在我们面前, 以拓扑的结果指导我们进行梁的结构特征的选择以及其位置的布置。轻量化并非只是质量越小越好, 它同时还得保证车辆的其他性能, 比如模态, 碰撞, 强度, 疲劳, 刚度以及相关的法律法规。而且对于整个车身结构的设计, 还应该充分的考虑到其制造的可行性以及生产成本的可控性问题, 尤其是对于新的车身结构所带来的这些相应问题尤为突出。结合拓扑优化的结果对车身结构进行可行性的调整, 确定新的设计方案, 如图4所示。

4 有限元仿真分析结果验证

参考市面上钢材的规格以及性能参数, 更新模型中的相应的材料和属性, 再计算出新的车身结构的强度、刚度指标, 对比优化前后的各指标变化情况, 如表1所示。

对比表1中客车车身优化前后各种性能指标参数, 可以看出, 客车车身的减重效果特别明显, 具体表现为质量减少了348kg, 占原有车身结构质量的8.98%。在优化过程中对材料进行重新调整与布置使得刚度富余的情况大大减小, 从而在一定程度上导致车身整体刚度的减小, 但仍在满足性能要求的范围之类。至于两个强度工况, 0.5G右转向工况其最大应力值降低, 而0.85G前制动工况其最大应力值稍有所增加, 不过都小于材料的许用应力, 满足强度要求。

5 结束语

结合实际工程规范要求以及客车车身本身所具有的整体性能要求, 参考拓扑结果, 优化设计出新的车身结构。对新车身的结构进行分析, 对比优化前后所涉及到的各性能指标参数, 结果表明, 在满足性能要求的情况下, 客车车身减重效果明显, 从而进一步印证了拓扑优化设计方法的可行性和有效性。

参考文献

[1]徐梓雯.基于局部拓扑优化的客车车身轻量化研究[D].吉林:吉林大学, 2013:1-53.

[2]范文杰, 范子杰, 桂良进, 等.多工况客车车架结构多刚度拓扑优化设计研究[J].汽车工程, 2008, 30 (6) :531-533.

[3]张焱, 姚成.客车车身骨架结构优化设计与先进技术应用[J].客车技术与研究, 2007 (2) .

[4]郭立群;商用车车架拓扑优化轻量化设计方法研究[D].吉林大学, 2011.

[5]周云郊.基于刚度与模态分析的客车结构轻量化研究[J].机械设计与制造, 2010, 7:117-119.

多工况下客车车身骨架轻量化研究 篇2

多工况下客车车身骨架轻量化研究

建立某全承载式客车车身骨架有限元模型,在保证车身强度和刚度条件下,提出轻量化设计方案,达到了车身骨架减轻重量的目标.

作 者：孙立君 谭继锦 蒋成武 储昭淼 SUN Li-jun TAN ji-jin JIANG Cheng-wu CHU Zhao-miao  作者单位：合肥工业大学机械与汽车工程学院,合肥,230009 刊 名：汽车科技 英文刊名：AUTOMOBILE SCIENCE & TECHNOLOGY 年，卷(期)： “”(3) 分类号：U469.1 关键词：客车车身   有限元法   刚度与强度分析   轻量化研究  

电动汽车车身轻量化设计刍议 篇3

摘 要：该文基于我国十二五发展新能源汽车科技发展规划、对目前纯电动汽车车身轻量化设计进行了论述、主要针对对国内纯电动汽车应用新材料，新工艺问题进行了对比分析。

关键词：车身轻量化；镁合金；复合材料

一、汽车车身轻量化应用新材料

1.铝合金

与普通低碳钢钢板相比，铝合金具有密度小（2.7g/cm3）、比强度高、耐锈蚀、热稳定性好、易成形等优点，而且由于所有的铝合金都可以回收再生利用，深受环保人士的欢迎。

在工艺方面，根据车身结构设计的需要，可以采用激光束压合成型，将不同厚度的铝板或者用铝板与钢板复合成型，再在表面涂覆防腐蚀材料使其结构轻量化且具有良好的耐腐蚀性。

铝合金已成为仅次于钢材的汽车用金属材料，能够为汽车提供各种铝合金铸件、冲压结构件和拉制的铝型材。铝合金主要用于制造发动机缸体、活塞、进气支管、气缸盖、变速器壳体、矫车的骨架、车身、座椅支架、车轮等部件。

轻质的铝合金车身使车体质量大大减轻，与相同体积的钢铁相比，质量可减轻30%-40%，这意味着更低的油耗和更佳的动力性能。此外，框架结构还可以提高车体的安全性，保护车内设施。我国铝资源丰厚，作为国家战略，应该全力研发并推广轻质铝合金在电动汽车车身及底盘上的应用，降低对铁矿石资源的依赖。

2.镁合金

镁的密度为1.8g/cm3，仅为钢材密度的35%，铝材密度的66%。此外它的比强度、比刚度高，阻尼性、导热性好，电磁屏蔽能力强，尺寸稳定性好，因此在航空工业和汽车工业中得到了广泛的应用。镁的储藏量十分丰富，镁可从石棉、白云石、滑石中提取，特别是海水的盐分中含3.7%的镁。近年来镁合金在世界范围内的增长率高达20%。

铸造镁合金的车门由成型铝材制成的门框和耐碰撞的镁合金骨架、内板组成。另一种镁合金制成的车门，它由内外车门板和中间蜂窝状加强筋构成，每扇门的净质量比传统的钢制车门轻10kg，且刚度极高。随着压铸技术的进步，已可以制造出形状复杂的薄壁镁合金车身零件，如前、后挡板、仪表盘、方向盘等。

3.高强度纤维复合材料

复合材料是一种多相材料，是由有机高分子、无机非金属和金属等原材料复合而成。目前玻璃纤维增强树脂复合材料和碳纤维增强树脂复合材料在汽车上已经获得成功的应用。

玻璃纤维增强树脂复合材料耐腐蚀、绝缘性好，特别是有良好的可塑性，对模具要求较低，对制造车身大型覆盖件的模具加工工艺较简易，生产周期短，成本较低。在矫车和客车上，采用玻璃纤维增强树脂复合材料制造的矫车车身覆盖件、客车前后围覆盖件和货车驾驶室等零部件。

高强度纤维复合材料，特别是碳纤维复合材料（CFRP），因其质量小，而且具有高强度、高刚性，有良好的耐蠕变与耐腐蚀性，因而是很有前途的汽车用轻量化材料。碳纤维车身比钢质车身可减轻50%的质量，比铝车身轻约30%。碳纤维作为汽车材料，质量轻、强度大，质量仅相当于钢材的20%-30%，硬度却是钢材的10倍以上。汽车制造采用碳纤维材料可以使汽车的轻量化取得突破性进展，实现整车减重效果可以达到50%以上。

二、电动汽车的整车轻量化关键技术工艺

电动汽车车身轻量化的技术工艺重点应该放在新材料的应用及其结构设计、模具设计和相应的工艺制造技术。其中轻量化新材料的成型和焊接工艺尤为突出。

（1）片状膜成型（SMC）、树脂转移成型（RTM）、挤压、注射、液态或半固态等新型成型工艺取代传统冲压工艺。这种工艺特点是产品的一致性好、效率高，但需要非常昂贵的设备与模具投入，整车产品投资在1亿元人民币左右。在一定程度上制约了新能源汽车产业的发展。

（2）粘接、铆接工艺取代传统焊接工艺，它将汽车不同的冲压件按要求精确定位在专用的的工装夹具上，采用大功率的机器人焊接线拼焊成形，其一次性的设备、工装投入仅次于涂装工艺，在工厂面积、作业环境、操作安全方面都有规范要求。这种工艺特点是工艺复杂、投入大。电动汽车在采用轻量化材料和工艺后，必将带来汽车车身设计制造的革命。

三、尾声

综上所述，目前纯电动汽车汽车车身质量的高起点和相对黑色金属的高成本售价、在国家补贴政策的扶持下、已逐步被市场接受。如果采用上述轻质材料必将推动新能源汽车的发展，也将推动电动汽车的推广和应用。

在整车车身設计上立足以现有金属材料为主，辅以轻质复合材料过度。开发推广应用先进的设计软件，在关键结构等部位，部分采用轻质复合材料、已达到轻量化设计的目的。（作者单位：沈阳工学院）

参考文献：

[1] 电动汽车科技发展“十二五”专项规划，中华人民共和国信息与工业化部，2012.3.4

车身轻量化设计研究现状 篇4

高强度钢结构车身

无论从成本角度还是从性能角度, 高强度钢板 (屈服强度大于210MPa) 以及超高强度钢板 (屈服强度大于550MPa) 都是目前减少车身质量、提高车身结构耐撞性的最佳材料, 具有轻质、高疲劳强度和高碰撞吸能的特点。为与常规高强度钢板进行区分, 把屈服强度500~1500MPa以相变强化为主的双相钢 (DP) 、相变诱导性钢 (TRIP) 和多相钢 (CP) 等称为先进高强度钢, 其主要表现为较高的延伸率。

20世纪90年代, 国际钢铁协会为应对镁铝行业的竞争, 组织世界18个国家35家钢铁公司并委托Porche公司, 投入2200万美元开展了超轻钢制车身 (ULSAB, Ultra Light Steel Auto Body) 项目。于2004年打造出质量为203kg高性能车身样品, 车身部件90%以上采用高强度钢板, 比同级别轿车车身造价降低15%, 重量减轻25%, 扭转刚度提高80%, 弯曲刚度提高52%, 车身的一阶固有频率升至60Hz, 完全满足碰撞安全法规。继ULSAB项目成功后, 钢铁企业又于1998年投入1000万美元实施了超轻钢制车身先进概念汽车 (ULSAB-AVC, Ultra Light Steel Auto Body-Advanced Vehicle Concepts) 计划, 进一步开发新一代钢制汽车结构, 使白车身的高强度钢板使用达到100%, 先进高强度钢板占80%以上。所研制的PNGV级车身质量218kg, 比同级车身减重20%, 成本仅972美元。结构性能方面不仅抗弯、抗扭, 刚度显著提升, 还达到2004年美国和欧洲的五星碰撞安全标准。近年来, 欧美汽车公司在新车型的开发中都会部分或全部采用ULSAB项目技术, 进一步扩大了高强度钢板在汽车上的应用。

国内汽车合资公司的技术直接来源于国外母公司, 高强度钢的应用水平与国外相当, 如一汽-大众2011款新迈腾车身的高强度钢板使用达到了79%, 其中15%为拉伸屈服强度1000MPa以上的超高强度热成形钢板, 集中分布于前后保险杠、中央通道、脚部横梁、门槛、B柱以及车顶边框等区域, 保证了乘员区在碰撞过程中完整。国内部分自主品牌汽车的白车身高强度钢板用量也占到了45%以上, 宝钢、武钢、鞍钢等企业也积极为汽车企业提供部分高强度及先进高强度钢板, 但品种与质量与国外先进水平还存在较大差异。

铝合金结构车身

为应对钢铁市场的竞争, 世界各大铝业公司也结成汽车铝材联盟 (Auto Aluminum Alliance) , 加强铝在汽车上的应用研究。铝合金在汽车上的应用也呈逐年递增的趋势。据估算, 全铝合金车身相比传统钢制车身减重40%~60%。2006年欧美日等发达国家的轿车平均用铝量已达127kg/辆, 2009年欧洲的一些典型车型的用铝量也在25~30kg。铝合金在减振、抗氧化、耐腐蚀和易回收方面的特点及对冷冲压工艺的适应性显示了其作为汽车减重轻质材料的重要地位。具有代表性的奥迪公司在车身铝合金空间框架ASF (Aluminum Space Frame) 的研究中硕果累累, ASF车身由多种断面形式的盒形铝合金薄壁梁通过真空压铸连接而成, 主要承载部位由MIG焊接。自1994年推出第一代ASF车身以来, 到2010年已将ASF车身技术发展到第三代。第三代的Audi A8中采用了13种不同强度的铝合金材料, ASF框架结构包括了挤压成形件和压铸零件, 车顶和车身侧翼等位置的铝板用到仿生学原理的咬合连接。整个车身中挤压成形铝件占22%, 高精真空铝铸件占35%, 液压成形铝板占35%, 无缝激光焊接长达44m, 自冲铆接1847个, 焊点202个, 多处连接位置还使用粘接剂进行加固, 车身整体结构刚度与抗扭强度较上代车身提高25%, 比传统钢制车身减重40%, 白车身仅重241kg。市面上的全铝车身车型越来越多, 除A8和新款捷豹XJ以, 全铝车身主要用于跑车, 如宝马Z8、法拉利360Modena/Spider、本田NSX等。

国内汽车合资公司一汽-奥迪于2012年推出全铝车身的A6L, 全面借鉴A8L和A7, 车身铝合金材料超过20%, 比原钢制车身减重15%, 在整车质量减轻80kg的情况下刚度提升50%, 加速性和过弯性显著提升并高于同级竞争对手。国内自主品牌乘用车中全铝车身只在顶级量产红旗HQE中出现过;中国客车市场销量冠军品牌宇通客车也于2011年7月“第二届中国自主品牌汽车博览会”上推出了国内首款全铝车身纯电动公交ZK6129EGQA, 整车质量大幅降低, 车身重心下移, 安全性能提升显著, 能源消耗仅为传统燃油车型的1/5。

碳纤维、镁合金等轻质材料车身

碳纤维作为一种力学性能优异的新材料, 密度不到钢的1/4, 抗拉强度却能达到钢的7~9倍, 以其制造的汽车可以节约燃油30%。英国材料系统实验室 (MSL) 的研究表明, 碳纤维增强聚合物材料车身相比钢结构车身减重53%以上, 全铝结构车身减重30%, 且当汽车在2万辆以下生产纲领的情况下, 采用树脂传递模塑工艺 (RTM) 制造碳纤维复合材料车身的综合成本低于金属车身。2011年卡塔尔车展上亮相的大众XL1概念车, 整车重量795kg, 百公里平均油耗0.9L, 这得益于设计阶段169kg碳纤维强化材料的加入使得车身仅重230kg。预计2016年上市的大众第八代高尔夫家用车将采用碳纤维车身, 百公里油耗仅2.9L。宝马公司斥资5亿欧元研发碳纤维车身, 预计2013年推出全球首款量产型全碳纤维车体汽车。奔驰公司也于2010开始与日本碳纤维生产商东丽公司 (TORAY) 合资生产碳纤维汽车零部件, 东丽已有的相关技术可使碳纤维强化塑料 (CFRP) 于10min内成形汽车前地板。在未来新能源汽车的研发中, 电动车车身减重40%, 可减少电耗40%左右, 中科院也于2009年启动碳纤维电动车的研究项目。

但长期以来制约碳纤维复合材料在汽车工业广泛应用的瓶颈是生产效率和成本, 随着大丝束纤维 (LT) 生产技术的发展, 碳纤维的价格将大幅度降低。此外在2011年的中国首届低碳能源创业大赛上, 无锡安飞纤维材料科技有限公司总经理韩楠林博士展示了其制作的新型低成本三维碳纤维复合材料整体车身模型, 模型材料据称能使抗撕裂强度和抗冲击强度提高50%~100%, 界面剪切强度提高15%, 同时提高生产效率70%~90%, 降低成本50%以上。该技术已引起宝马、兰博基尼、迈凯轮、比亚迪等车企的关注, 要求其提供样品及试验报告资料, 商讨在新产品中进行尝试。

镁合金材料具有良好的加工性、抗凹性和减振性等优点, 密度大约为1.8g/cm3, 是铝合金的2/3, 是最轻的结构金属, 具有极大的轻量化应用潜力。目前汽车工业界镁合金使用量最大的国家和地区主要为欧美、日本和韩国, 这些镁合金被主要用来制造进气歧管、离合器壳体、转向柱架、散热器及制动器踏板支架等, 在车身上的应用也逐渐由仪表板扩展到车门。但相对于铝合金车身, 目前还没有镁合金车身商业应用的先例, 整个车身结构中镁合金汽车前端还没有设计出来。2006年12月, 中国、美国和加拿大合作启动了“镁质车体前端结构研究与开发”MFERD (Magnesium Front End Research and Development Project) 项目, 旨在使各方汽车用镁合金零部件从单体部件扩大到车体前端的子系统, 提高汽车的操纵性能和驾驶舒适性。我国长安汽车也联合研究院所尝试过镁质汽车前端的研发, 三年多的研究显示, 镁合金在车身前端的应用将面临碰撞安全、腐蚀防护、异种材料连接和损伤修复等诸多方面的挑战, 要实现镁合金在该部位的商业化应用还有很长的路要走。

轻量化车身结构设计方法的研究现状

在车身结构的轻量化设计中, 主要运用有限元、边界元等数值计算方法, 综合拓扑优化、试验设计、近似模型、质量工程和多目标优化等现代设计手段对车身结构进行强度、刚度、模态、耐撞性和NVH等性能的综合改进。随着计算机技术的发展及上述CAE技术的日趋成熟, 样车性能在设计阶段就可得到检验与优化, 提高了设计质量, 缩短了新车型的开发周期, 节约了开发成本。对于车身结构的耐撞性安全设计, 国内外主流的方法都是采用统计和近似处理为特征的近似模型数值优化法, 具有时间和效率上的一定优势, 能够与多目标遗传算法相结合, 提高优化过程的全局搜索能力。

国外主要的汽车公司和设计公司在结构设计方面通过几十年的经验积累, 已形成了结构经验设计数据库 (如总布置参数、车身结构断面) 、用户数据库、试验数据库、设计改正记录、试验方法以及试验规范等, 拥有一套面向整个开发流程的CAE技术, 可以有效指导设计师从轻量化、强度刚度、NVH等方面综合改进车身结构, 称为“知识工程KE (Knowledge Engineering) ”, “知识工程”概念最早由美国Stanford大学Feigenbaum E.A.教授提出, 如今已在英国的Jaguar、Lotus和美国的Chrysler、Ford等公司得到了成熟运用。我国只有部分大企业拥有车身结构设计开发的统计分析资料, 没有形成系统的设计规范和有价值的参考数据库, 使我国的结构设计分析工程长期在低水平徘徊。

我国只有将国外汽车结构设计的资料积累加以整理, 融合设计原理、专家经验于下一代CAx软件中, 加快发展基于知识的工程KBE (Knowledge Based Engineering) 技术, 才能重用已有知识, 避免重复性设计工作, 缩短与国外车身结构设计的差距。

近年来, 虽以有限元分析理论为基础的工程设计方法和计算机辅助制造技术都得到了极大的发展, 为汽车零部件及车身结构的设计研究奠定了基础。但结构的力学响应一般具有很强的非线性, 目标函数的数学模型难以用表达式显示, 再加上繁杂的约束条件使得零部件和车身的结构优化设计问题一直没有得到较好的解决。

为克服传统优化设计方法的不足, 近20年来, 人们开始利用仿生学思想对结构形状进行优化, 出现了模拟生物生长行为的优化法和渐进结构优化法等。模拟生物生长行为的优化法是将待优化的结构虚拟为生物结构并模拟生物的生长过程, 在高应力区增加材料 (降低峰值应力) 或在低应力区减少材料 (消除冗余) 完成最终的结构优化, 具有概念简单、易于掌握、通用性好、计算效率高、优化结果可靠的优点。缺点表现为优化效率较低, 需要人为确定参考应力以判断应力值高低。渐进结构优化法的原理与模拟生物生长行为的优化法相似, 主要用于结构拓扑优化。

从未来汽车将大量引入新型材料来看, 基于生物学增长规律的形状优化设计法, 能在减少零件数量的同时延长零件使用寿命, 使车身零件数大幅减少, 同时提高材料的利用率, 使各种材料搭配更为合理, 具有极大的发展潜力。国外某概念车型已采用形状优化设计法将原有零件数由400个降为75个, 减轻质量30%, 但以我国目前的国情来看, 这种方法将涉及到与整车厂有关的许多配套企业的改革, 故在近期内形状优化法还没有实用价值。

结语

各类轻质材料及设计方法在车身结构轻量化中应用的难易程度不同, 但车身骨架在保证强度、刚度以及吸能安全性的基础上, 通过部分使用或全部采用高强度钢板构造车身骨架, 是目前国内外汽车公司开发轻量化车身结构所围绕的主题。同时相比较于镁合金材料与碳纤维类复合材料广泛商业化应用面临的技术瓶颈及高成本, 铝合金类材料在吸能减重方面的优势, 使其在车身结构中的大量应用成为未来汽车轻量化设计的重要方向。由此产生的梯度分布不同强度等级钢铝材料于车身结构合理位置, 形成能够保护行人及乘员碰撞安全的钢铝混合车身结构是未来具有重要应用前景的新结构。

车身轻量化 篇5

项目资金申请报告

项目编制单位：北京智博睿投资咨询有限公司

资金申请报告编制大纲（项目不同会有所调整）

第一章 新能源汽车高强度钢等轻量化材料的车身项目概况 1.1新能源汽车高强度钢等轻量化材料的车身项目概况

1.1.1新能源汽车高强度钢等轻量化材料的车身项目名称 1.1.2建设性质

1.1.3新能源汽车高强度钢等轻量化材料的车身项目承办单位 1.1.4新能源汽车高强度钢等轻量化材料的车身项目负责人

1.1.5新能源汽车高强度钢等轻量化材料的车身项目建设地点 1.1.6新能源汽车高强度钢等轻量化材料的车身项目目标及主要建设内容

1.1.7投资估算和资金筹措

1.2.8新能源汽车高强度钢等轻量化材料的车身项目财务和经济评论

1.2新能源汽车高强度钢等轻量化材料的车身项目建设背景

1.3新能源汽车高强度钢等轻量化材料的车身项目编制依据以及研究范围

1.3.1国家政策、行业发展规划、地区发展规划

1.3.2项目单位提供的基础资料

1.3.3研究工作范围

1.4申请专项资金支持的理由和政策依据

第二章 承办企业的基本情况 2.1 概况 2.2 财务状况

2.3单位组织架构

第三章 新能源汽车高强度钢等轻量化材料的车身产品市场需求及建设规模

3.1市场发展方向

3.2新能源汽车高强度钢等轻量化材料的车身项目产品市场需求分析

3.3市场前景预测

3.4新能源汽车高强度钢等轻量化材料的车身项目产品应用领域及推广

3.4.1产品生产纲领

3.4.2产品技术性能指标。

3.4.3产品的优良特点及先进性

3.4.4新能源汽车高强度钢等轻量化材料的车身产品应用领域

3.4.5新能源汽车高强度钢等轻量化材料的车身应用推广情况

第四章 新能源汽车高强度钢等轻量化材料的车身项目建设方案 4.1新能源汽车高强度钢等轻量化材料的车身项目建设内容

4.2新能源汽车高强度钢等轻量化材料的车身项目建设条件 4.2.1建设地点

4.2.2原辅材料供应

4.2.3水电动力供应

4.2.4交通运输

4.2.5自然环境

4.3工程技术方案

4.3.1指导思想和设计原则

4.3.2产品技术成果与技术规范

4.3.3生产工艺技术方案

4.3.4生产线工艺技术方案

4.3.5生产工艺

4.3.5安装工艺

4.4设备方案

4.5工程方案

4.5.1土建

4.5.2厂区防护设施及绿化

4.5.3道路停车场

4.6公用辅助工程

4.6.1给排水工程

4.6.2电气工程

4.6.3采暖、通风

4.6.4维修 4.6.5通讯设施

4.6.6蒸汽系统

4.6.7消防系统

第五章 新能源汽车高强度钢等轻量化材料的车身项目建设进度

第六章 新能源汽车高强度钢等轻量化材料的车身项目建设条件落实情况

6.1环保

6.2节能

6.2.1能耗情况

6.2.2节能效果分析

6.3招投标

6.3.1总则

6.3.2项目采用的招标程序

6.3.3招标内容

第七章 资金筹措及投资估算 7.1投资估算

7.1.1编制依据

7.1.2编制方法

7.1.3固定资产投资总额 7.1.4建设期利息估算

7.1.5流动资金估算

7.2资金筹措

7.3投资使用计划

第八章 财务经济效益测算

8.1财务评价依据及范围

8.2基础数据及参数选取

8.3财务效益与费用估算

8.3.1年销售收入估算

8.3.2产品总成本及费用估算

8.3.3利润及利润分配

8.4财务分析

8.4.1财务盈利能力分析

8.4.2财务清偿能力分析

8.4.3财务生存能力分析

8.5不确定性分析

8.5.1盈亏平衡分析

8.5.2敏感性分析

8.6财务评价结论

第九章 新能源汽车高强度钢等轻量化材料的车身项目风险分析及控制

9.1风险因素的识别

9.2风险评估

9.3风险对策研究

第十章 附件

10.1企业投资项目的核准或备案的批准文件； 10.2有贷款需求的项目须出具银行贷款承诺函； 10.3项目自有资金和自筹资金的证明材料； 10.4环保部门出具的环境影响评价文件的批复意见；

10.5城市规划部门出具的城市规划选址意见（适用于城市规划区域内的投资项目）；

10.6有新增土地的建设项目，国土资源部门出具的项目用地预审意见；

10.7节能审查部门出具的节能审查意见； 10.8项目开工建设的证明材料；

“轻”功 走向轻量化 篇6

这款宝马“攒”出来的小车(M3后视镜、老款后轴以及Z4引擎等)没有优越的血统，但正是得益于它优秀的轻量化设计、完美的空气动力调教以及优良的动力输出，使之基本上难逢对手(除了重量级的跑车以外)，而且更节能，更环保。这就是为什么今天，宝马、奥迪、大众等国际巨头们以每年数以亿计的资金投入到其研究当中，因为在未来的日子里，利用轻量化来实现环保节能要比新能源现实得多；即使新能源取代了传统内燃机，由于其所需的电池组体积较大而且非常重，轻量化依然是头号课题之一。

笔者认为，汽车轻量化总的来说可以分为视觉以及物质轻量化两种，而这两者之间又是相辅相成，密不可分的。视觉轻量化带来的一定是物质轻量化，而物质轻量化需要视觉轻量化来体现。那么，就让我们来分享几组最优秀的作品从而进一步地解析视觉轻量化是如何实现的。

2008年，宝马在当代汽车设计头号人物Chris Bangle的带领下，创作了轻量化展望概念车GINA concept，这是一辆“富有生命的汽车”，因为它的外壳是一种特殊金属织物，轻、有弹性、耐高温且韧性好，而它的车架则由一系列可伸缩的片状铝合金结构组成，这就意味着它的许多部位可以像动物的肢体一样伸缩自如，同时还可以根据空气动力学需求进行变化。这款概念车开启了汽车轻量化的新时代，用“里程碑”一词来形容一点都不为过。2009年，宝马的新继承人Von Hooydonk继续发扬了时代领军者的作风，推出了高效动力概念车EfficientDy concept。与GINA concept一样，这两辆概念车都是以“包覆”为设计主题，不同的是这次宝马的设计师们将轻量化重点放在空气动力学的运用上：其造型仿如丝带随风飘起，将水晶座舱包裹于其中，结合碳素纤维等高科技材料以及片状电子化大灯，同样搏得了观众的阵阵掌声。由此，我们可以看到，视觉轻量化的实现主要从4个方面着手：一，造型设计应将空气动力学放在首位，力图将不同车型的空气动力性能调整到最优化状态；二，从飞机、桥梁、蜂窝等轻量化结构上汲取灵感，创造出高强度低用料的架构式造型；三，广泛运用复合碳素纤维、铝合金、镁合金等高科技材料来实现物料轻量化，并将其本身材质纹理运用成造型设计的一部分，如宝马的328 Hommage概念车；四，保证稳定性的同时使交互及操控功能大幅电子化，减少零部件数量并简化造型，使之更整体统一。

在未来的汽车材料中，铝、镁、陶瓷、塑料、聚碳酸酯玻璃、玻璃纤维、碳纤维复合材料以及光纤维等轻量化材料都将扮演非常重要的角色，而首当其冲的要数铝金属、聚碳酸酯玻璃以及碳素纤维复合材料了。宝马公司采购部负责人赫尔伯特?蒂埃斯(Herbert Diess)日前接受《欧洲汽车新闻》采访时透露，宝马目前已经成为了全球汽车产业中最大铝金属采购商，宝马5系和7系车型分别含有230千克和300千克铝金属。蒂埃斯同时指出，下一个在汽车轻量化中扮演重要角色的材料将是碳素纤维复合材料。据了解，宝马集团投入了1亿美元用于修建碳纤维工厂，这是首家由汽车制造商修建的碳纤维工厂，它将保证这种材料的供应，并降低其成本。尽管，碳纤维材料比钢材的价格贵20倍，但未来的电动车必须依靠这些轻质材料来平衡电池组的重量，所以研发和降低成本显得至关重要。

铝金属相信都为大家所熟知，铝的密度约为钢的1／3，是最常见的轻质金属，主要用于发动机、车架、车身结构、轮毂及细节部件等方面，而且在未来还有很大的发展空间。由于其合金造价低廉、性能多样而且可以回收再利用，深受各大厂商的喜爱。在造型设计的材质使用上，铝金属可以采用抛光处理工艺，要比镀铬件更有高科技感，同时它还可以采用拉丝、磨砂等处理工艺，选择非常丰富。铝的合金本身存在着硬而脆、压铸件还不能热处理等缺点，但由于工艺水平的不断提高，这些问题也在相应的得到解决，而且同时也正在不断地制造出更轻的合金。

对于聚碳酸酯玻璃也许读者不是很熟悉，它的英文名叫Polycarbonate，简称PC，是一种无色透明的无定性热塑性材料，它有耐冲击性好、耐热、折射率高，易加工以及好回收再利用等良好特性。近来，美国的通用电气公司以及德国拜耳公司分别跟各大汽车厂商合作，将这种轻便的透明材料大面积运用于车身造型当中，在大幅提高视觉轻量化的同时，也降低了材料自身的重量。

在碳素纤维方面，由于它轻且韧、耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性被广泛的应用于高性能跑车当中，而且其纹理图案现在也有了更多的选择，因此在近两年的许多概念车上，碳纤既被运用为强度材料，同时也成为造型设计的一部分。大家也许不知道，许多世界有名的设计师还在计划用碳纤复合材料来建一座摩天大楼，对其推崇可见一斑。正是由于其优越的特性，宝马、奥迪等巨头们已加大了其大批量生产的步伐，使得造价昂贵的问题也在不断得到解决。尽管如此，碳纤目前来说还存在着一个致命的缺点一无法回收再利用，这是因为碳纤本身就是一根根的纤维编织成的“布”，需要化学聚酯胶来将这些“布”粘合成“板”，而目前这些化学胶是不可分解的，这样的材料在大批量生产十到二十年后将造成巨大的堆积。现在科学家们正在加紧研究一种可以加热到800-900度高温后自动分解的聚酯胶，相信在不断的努力下，碳纤维可以更快步入我们的生活。

另外，除了上述的轻量化材料以外，轻量化结构也是物质轻量化的重点攻关课题。例如，奥地利跑车生产商KTM公司为它的轻量跑车XBOW设计了一种威化饼似的夹層结构材料用于它的底盘和车身，它是由上下两片玻璃纤维薄板夹着蜂窝状的铝合金箔组成，这种材料造价低廉，韧性和强度都非常好，而且通过特殊的工艺可以将其拆分，并回收再利用，是人类的又—智慧结晶。

总而言之，轻量化是决定未来汽车发展的关键课题，现在也是业界巨头们追逐的热点，同时它还是汽车造型设计改革创新的机遇所在，当代的设计师们必须把握且利用好这个机遇，将汽车视觉轻量化以及物质轻量化的知识及方法融会贯通、不断推陈出新，才能创造出领军时代、与时俱进的作品。

浅谈轻量化车身制造技术 篇7

1 超高强度钢的冷冲压工艺

使用超高强度钢不但减重, 而且提高碰撞安全性能, 降低车身制造成本, 提高车身疲劳强度, 其最大问题就是回弹, 和普通高钢相比, 超高强度钢在冲压过程中不仅会造成较大弯曲回弹和扭曲变形, 而且还会产生严重侧壁卷曲 (sidewall curl) , 这将严重影响冲压件的形状尺寸精度与整车装配。超高强度钢的回弹问题对冲压工艺提出了新的挑战, 成为汽车制造行业和学术界正在研究的一大热门课题。

为了控制回弹, 需要控制以下几个方面

1) 产品设计中的回弹控制, 通过在设计时加入三角筋、梯形筋等各种防回弹结构, 以保证零件的回弹量。

2) 模具型面的回弹补偿, 模具回弹补偿过程是基于零件设计要求形状的虚拟修模, 通过模拟和回弹计算分析, 得了板料成形回弹后形状, 进行模具回弹自动补偿, 得到模具修正后模具形状, 补偿后的模具再进行成形模拟和回弹计算分析, 将得到零件回弹计算后形状与设计要求形状进行比对, 直到得到符合设计误差要求的模具回弹补偿结果。

3) 变压边力法, 通过在不同变形特点的成形阶段设置不同压边力, 避免了在薄板成形过程中传统恒定压边力控制往往难以同时避免回弹缺陷。常压边力和变压边力对冲压件回弹的影响如下图:

2 超高强度钢 (硬化硼钢) 的热冲压工艺

热冲压是将钢板 (初始强度为500~600MPa) 加热至奥氏体状态, 在进行冲压并同时以20~300℃/s的冷却速度进行淬火处理, (保压一段时间以保证淬透) 以获得均匀马氏体组织的高强钢构件的成形方式, 热冲压分为两种:直接与间接热冲压。直接热冲压:半成品需要先加热, 再冲压, 随后在闭式模具内成型;间接热冲压则是多一个接近完整的预成型冷模。使用热冲压超高强度钢零件回弹极小, 成形精度好, 具有高延展率和高强度, 很好减轻重量, 还加强了车身防撞性能。现在许多车型的防撞梁及前柱等与车身防撞有关的零件均使用此方法成型。

3 激光拼焊板冲压成形工艺

激光拼焊板是将几块不同厚度或不同材质的钢材用激光对焊, 焊接成一块整板, 进行整体冲压成形以满足零部件对材料的不同要求。许多车型的车门内板、车底板和前后梁等都采用了激光拼焊板, 使用拼焊板能使汽车车身零部件的数量约减少25%, 车身重量减少约20%, 提高原材料利用率, 在碰撞有要求的部位, 通过使用高强钢板, 而要求低的地方, 使用低强钢或较薄的板, 从而大大提高了汽车车身抗碰撞的能力, 同时促进零部件的装配及制造公差标准化的改善, 降低整车的制造及装配成本, 减少汽车厂的成本和设备投入, 在回收阶段, 还可以获得更大的收益, 利于保护环境。同时拼焊板冲压成型也有其局限性:焊缝热影响区成型性能下降, 板料定位等。

4 液压成形工艺

液压成形是利用液体作为传力模具使板料成形的一种塑性加工技术。可加工复杂形状的零件, 降低加工成本, 提高零部件结构性能, 可减重15%-20%。一些车身复杂件如仪表板加强梁等结构件均使用此方法加工。

汽车轻量化之白车身减重 篇8

随着汽车保有量的增加,一方面汽车成为方便、快捷和高效的交通工具,改变了人们的生活和工作方式;另一方面,也增加了能源的消耗,加重了尾气和噪声等环境污染和对交通安全的危害,汽车行业面临着节能、安全和环保的巨大压力。汽车整车质量降低10%,燃油效率可提高6%~8%;若滚动阻力减少10%,燃油效率可提高3%[1,2]。车身占整个汽车制造成本60%,占汽车总重量的30%~40%,空载情况下,70%的油耗消耗在车身质量上[3],因此对车身结构轻量化设计方法进行研究具有重要意义。

车身作为车辆的承载部分,零件数目繁多且多为不规则形状,从结构上可以看作一个较为复杂的力学模型,如何对零件数目繁多且力学模型复杂的车身进行有效的减重设计已成为目前车身开发领域的研究方向。本文通过某款车型的车身减重实例,介绍一种行之有效的减重控制与管理方法,减少在车身减重过程中的盲目性。

本文通过介绍如何合理选取减重对象,并以白车身第一阶模态、白车身扭转刚度、白车身弯曲刚度、碰撞安全、以及零件的工艺性为约束对象,对选取的减重对象通过结构优化、新材料应用、新工艺应用等方法,对白车身进行减重优化设计。

减重作为轻量化设计的一部分,通常在白车身设计开发阶段的中后期完成,一般此时已经具有成型的白车身产品设计,并具备了一系列的白车身性能指标。所以在此阶段进行的减重首先应针对这一系列现有的白车身性能指标进行评估,并将这一系列白车身性能指标作为选取减重对象的依据;而在减重过程中,也同样需要依据白车身性能满足目标设定的原则进行优化,通常根据减重前后的轻量化系数进行减重成效对比。

车身结构轻量化系数越小,说明单位性能指标付出的重量成本越低,其定义为:

其中:M是白车身重量(kg),CT是白车身静态扭转刚度(N·m/deg),A是由轴距、轮距决定的白车身投影面积(m2),如图1所示。

1 白车身减重设计实例

1.1 白车身减重设计流程

某车型开发的车身结构轻量化设计流程如图2所示。该流程以车身刚度、模态性能为导向,能够充分考虑对已经满足设计要求的强度和碰撞安全等性能尽可能影响小。在此减重设计流程中,我们将选取的需要减重的零部件命名为减重设计变量,以此车型为例,通过白车身一系列性能指标的评估,共选取55个零件作为减重设计变量。

1.2 车身减重方法介绍

制定完减重设计变量后,减重过程中不仅要考虑设计变量重量的降低,同时需要兼顾设计变量刚度、强度等性能,从而保证减重后的设计变量在整个白车身系统中能够发挥有效结构性。以某款车型减重设计为例,主要减重方法有:(1)整体优化设计,提高结构的连续性,减少多余重量;(2)零件局部优化,通过增加减重孔达到减重目的;(3)优化零部件厚度,运用薄板替代厚板达到减重目的;(4)利用激光拼焊工艺,减少零件多余重量。

(1) 整体优化设计,提高车身结构的连续性,减少多余重量

以某车型A、B柱形成的乘员舱加强结构为例,通过对A、B柱重要结构件的优化,共完成4.8kg的减重,如图3所示。

备注:设计变量(1)优化板厚与材料强度;设计变量(2)优化几何尺寸与厚度;设计变量(3)优化几何尺寸;设计变量(4)进行分件优化,去处多余结构。

(2) 零件局部优化,通过增加减重孔达到减重目的

以某车型部分设计变量增加减重孔为例,如图4所示。通过对部分设计变量增加减重孔,通常能够完成设计变量5%~10%的减重量,增加减重孔在减重设计中是最常用的减重手段。

(3) 优化零部件厚度,运用薄板替代厚板达到减重目的

在薄板替代厚板的减重设计过程中,为了减少减重盲目性,可以通过CAE辅助设计,找到各设计变量厚度在白车身整体刚度与模态中的贡献度,针对负贡献设计变量的合理优化,达到减重目的。

通过CAE计算,各性能指标灵敏度数据将设计变量分为四类[4]:

1)影响显著件:尽量提高其厚度,如同时是质量影响显著件尽量减薄其厚度;

2)一般件:根据相对灵敏度系数(性能灵敏度系数/质量灵敏度系数)综合取舍;

3)影响不显著件:减厚,特别同时是质量灵敏度显著件;

4)负贡献件:减厚。

根据计算弯曲刚度、扭转刚度、第一阶弯曲模态、第一阶扭转弯曲以及零件重量的灵敏度数据,对零件进行分类。图5和图6列出了弯曲刚度和扭转模态的灵敏度数据结果。

值得注意的是,在对负贡献量的设计变量进行板厚优化设计过程中,需要综合考虑碰撞、疲劳强度等性能指标,不能一味的对负贡献量进行板材厚度的替换,同时需要考虑采用更改强度等级的板材。

(4) 利用激光拼焊工艺,减少零件多余重量

以白车身侧围加强板为例,如图7所示。用6片板料将P1~P6共6个设计变量集成到一件激光焊接板中,维持原始材料和板厚,设计焊缝线后去除相应的搭接面和焊点。该方案减重达到1.428kg,左右侧围加强板则可以减重2.856kg。

1.3 车身减重成效

减重完成后需要对车身进行一轮完整的CAE计算来确定车身第一阶模态、白车身扭转刚度、白车身弯曲刚度、碰撞安全、疲劳耐久等一系列车身性能满足设计目标,同时与减重前的性能指标作对比,并通过减重前后的轻量化系数进行减重成效确认。以本文提的车型为实例,减重前后的对比如表1所示。减重前轻量化系数为3.5,减重后轻量化系数为3.22,轻量化系数降低8%。

2 车身轻量化技术展望

随着汽车制造技术的发展,更多的轻量化技术将逐渐推广,主要呈现的趋势如下。

(1)随着热成型工艺的发展,超高强度钢板在车身上的应用日益广泛。

(2)随着车身连接技术的发展,密度较低的金属材料将逐渐替代钢板在车身上的应用。例如铝合金、镁合金、钛合金等金属材料的应用。值得一提的是,德国大众公司的“奥迪A8”以及美国福特公司的“捷豹XJ8”等车型已实现全铝车身的应用,可谓车身轻量化发展历程的一个里程碑。

(3)碳素纤维材料、玻璃纤维材料、复合材料等低密度的非金属材料在车身上逐渐开始应用。碳纤维作为汽车新型材料在德国宝马公司的“MCV”车型上的大面积使用且批量生产是一次革命性的创新。

3 结论

通过采用本文介绍的减重设计流程,能够高效选取减重对象,解决车身组成部件繁多而造成的盲目性,采用本文介绍的减重方法能够有效解决在常规车身开发过程中的车身轻量化问题,合理控制重量与性能之间的关系,得到较好的轻量化系数。

参考文献

[1]柏建仁.轿车车身与高强度钢[A].2006年全国低合金钢、微合金非调质钢学术年会论文集[C],2006.

[2]Benedy J.C.Light metals in automotive applications[J].Light Metal Age,2000,10(1):34-35.

[3]田浩彬,林建平,刘瑞同,等.汽车车身轻量化及其相关成形技术综述[J].汽车工程,2005,27(3):382-355.

某运动型汽车车身骨架轻量化设计 篇9

随着现代汽车技术的发展,如何节能减排成为每一个汽车厂商都关注的问题[1]。运动型汽车车身骨架是各个总成的安装基体,同时又承受汽车行驶过程中各种负载和动载荷,其轻量化程度一方面直接影响到整车质量,另外一方面也影响到汽车的油耗和排放。本文以某企业项目为依托,建立某运动型汽车的车身骨架有限元分析模型,利用现代优化设计方法,在保证原车身骨架性能的基础上对其进行轻量化设计[2,3,4]。

1 结构分析模型的建立

运动型汽车车身骨架由一些不同截面形状的管型梁焊接而成,本文运用CATIA建立车身骨架的三维模型,运用Hypermesh软件中的四边形壳单元对其进行离散,车身骨架各部分之间的连接方式为两部件共用,建立的三维有限元分析模型如图1所示。

为了检验车身骨架有限元分析模型是否合理可信,在自由状态下,将实车车身利用四根橡皮筋悬挂,利用正弦波扫频信号,采用单点激振方法做模态试验,测出该车身骨架前九阶固有频率,与仿真模拟结果相对比如表1所示。

根据表1中数据,试验得出的固有频率数值与仿真模拟计算出的数值相差一般在10%以内,从而验证该车身骨架有限元模型正确可信,可以用来进行下一步优化。

2 车身结构轻量化优化方案设计

满载下的弯曲和弯扭工况是运动型汽车行驶过程中的两种典型工况。通过对车身骨架在两种工况下的静力分析发现,车身上除了个别零件的应力水平较高外,大部分构件的应力水平低,强度富余大,因此有必要对该运动型汽车车身骨架进一步减重。本文从优化车身骨架截面参数以及采用轻质材料两方面入手,采用优化设计方法,通过两种方案的对比分析确定最优方案。

2.1 车身骨架截面参数优化

2.1.1 约束条件的确定

车身结构优化的同时,要保证其强度、刚度和耐撞性能,本次优化选取车身骨架在弯曲、扭转工况下的最大变形及最大应力为约束条件;由于汽车的平顺性和疲劳寿命会受到车身骨架自振激励的影响,因此在优化车身结构的时必须控制车身模态频率的大小。

2.1.2 目标函数和状态函数的确定

选取车身骨架的质量Weight为目标函数。在弯曲和弯扭两种工况下,分别选取代表车身骨架弯曲刚度的最大变形Disp(max),代表车身骨架强度的最大应力Stress(max)及一阶扭转模态频率(Model1)为状态函数。

2.1.3 设计变量的选定

设计变量的选择原则是对车身骨架强度刚度影响不大,但是却使车身骨架显著增重的杆件。根据计算结果选定车身骨架前段及后段的型材为优化对象,编号为1～13,共有21个设计变量,其中13个独立变量,如图2所示。

2.2 材料特性的确定

汽车轻量化中广泛应用Al-Mg-Si系(6000系)和Al-Zn-Si系(7000系)铝合金。这些型材多为“口”、“日”字型形状,具有较强的机械性能和良好的抗冲击性能。本文所用材料及其性能参数如表2所示。

2.3 轻量化方案的确定

根据以上分析,确定最后的两套优化方案。如表3所示。

2.4 轻量化优化方案的实施

方案1和方案2中相关参数的设置及优化结果分别见表4、5。

方案一中弯曲和弯扭工况下,车身骨架体积收敛曲线如图3(a),(b)所示。弯曲和弯扭工况下设计变量1、11、12的收敛曲线如图4(a),(b)所示。方案二兼顾截面优化和轻质材料,在方案一的基础上,将原材料Q235置换为铝合金6061-T6进行计算。

3 优化结果分析

分别对两种方案优化后的车身骨架在弯曲和弯扭工况下进行强度和刚度分析,下面列出方案一的分析结果如图5所示。原型车和两种方案优化后的车身主要性能参数对比如表6所示:方案1车身质量下降16.6%,弯曲最大变形基本保持不变,最大应力及一阶扭转频率变化也很小;方案2车身质量下降25.9%,弯曲变形增大3.1%,最大应力下降3.1%,一阶扭转频率提高5.8%,较原车有所改善。方案1和方案2的设计变量相同,2种方案都能在轻量化的基础上保持其整车原有的强度、刚度水平和低阶模态频率,变化很小。

方案2中车身骨架部分零件采用铝合金材料,故其轻量化效果显著。但是由于钢铝两种金属连接工艺复杂,铝合金价格昂贵,导致企业制造成本增加较多,实施难度较大。方案1在实现车身减重的同时,能够基本保持原车的强度、刚度和动态特性,降低企业制造成本,具有较强的现实意义。

4 结语

针对运动型汽车的车身骨架自重优化问题,本文提出了2种优化方案,分别基于截面参数和材料2个因素来考虑轻量化设计。将原车与两种方案在弯曲和弯扭工况下的车身性能参数进行比较,最终得出可实施方案。该方案能够在保证原车骨架强度、刚度的同时有效减重,为该车的改进及同类车型的优化提供借鉴。

摘要：建立了某运动型汽车车身骨架有限元分析模型,根据车身骨架特点,确定了车身轻量化设计的设计变量;根据车身骨架静态分析,确定了轻量化设计的约束条件,从而建立了运动型汽车车身轻量化设计的数学模型;并通过轻量化设计给出了车身骨架的优化设计方案。

关键词：车身骨架,强度,刚度,轻量化设计

参考文献

[1]赵韩,钱德猛.基于ANSYS的汽车结构轻量化设计[J].农业机械学报,2005,36(6):12-15.

[2]刘建中.摩托车车架的最优化设计[J].摩托车技术,1994(2):1-5.

[3]Fuh-Kuo Chen,Jia-Hong Liu.Analysis of designs for the stamping of an automobile rear floor panel[J].Jour nal of Materials Processing Technology Volume.55,Is sue:3-4,December,1995:408-416.

基于碰撞安全性的车身轻量化研究 篇10

依据建模规则, 使用ANSA软件作为网格划分工具, 按动力总成、底盘系统、车身系统、四门两盖等分总成划分好网格后, 使用前处理工具Medina装配模型, 其中节点数1586789, 单元数1624974。

2 基于正面碰撞仿真与试验的验证

在进行碰撞安全性的车身轻量化研究之前, 本文首先进行了正面碰撞仿真与试验的验证工作, 以确保有限元模型的可靠性, 在此后的轻量化设计过程中, 以基于有限元计算的结果为基础来指导设计工作, 以减少设计开发过程中相关的试验费用。

2.1 正面碰撞变形验证

碰撞有限元模型是一个极其复杂的系统结构, 模型中对于焊点、螺栓、胶等的模拟都会对计算结果产生误差, 如实际模型的焊点在碰撞时存在失效、断裂等情形, 而有限元模型通常采用PLINK单元来模拟焊点, 由于失效机理十分复杂, 定义失效参数较为困难;由于车身大部分零件为冲压件, 零件经过冲压后不同厚度处的初始应力、应变是不同的, 而在仿真模型中通常不考虑由于冲压工艺带来的物理量的变化。总之, 要通过仿真计算来百分之百预测试验过程, 是不科学的, 也是不必要的。从工程应用的角度讲, 模型的可信度达到85%则可认为有限元模型是可信的。

2.2 正面碰撞侵入量验证

汽车发生正面碰撞时, 乘员室的侵入变形量是衡量整车安全性能的一个重要指标, 在发生碰撞时, 只有乘员室不发生过大的侵害乘员生存空间的变形时才能确保乘员室乘员的安全。图1所示为相应的测点位置以及侵入量云图。从试验值及相应的仿真结果来看符合的较好, 同时这些点的侵入量均在可接受范围, 并未对乘员构成大的伤害, 即在正面碰撞发生时, 乘员具备安全的生存空间。

通过仿真与试验的变形时间历程、碰撞终了时零部件变形量以及侵入变形量的对比可验证该整车碰撞模型的有效性, 因而在今后的优化及验证分析中可以有限元模型为研究基础模型, 以验证优化方案的可行性。

3 基于碰撞安全的轻量化研究

本文进行了轻量化后整车正面及侧面碰撞仿真计算, 从数值模拟计算的角度验证了轻量化方案的可行性。正面碰撞主要对比了轻量化前后车身加速度值;侧面碰撞主要对比了轻量化前后的侵入变形量值。

3.1 轻量化后的整车正面碰撞计算

正面碰撞发生时, 车身加速度曲线是衡量整车安全性能的一个重要标志。正面碰撞通常测试B柱加速度值。

由于B柱测点临近质心位置, 且此处变形较小, 因而常在此处设置测点来测试整车的加速度值。由图四可知, 轻量化后加速度峰值存在小幅上升, 与试验值接近。

3.2 轻量化后的整车侧面碰撞计算

在驾驶员后侧第二排座椅上放置了一个假人。整车侧面碰撞主要考查B柱侵入量及侵入速度、前后车门处的侵入量及侵入速度以及门槛处的变形量等。此外, 还可考查B柱、白车身等处的塑性应变, 以此来评定整车结构的好坏。

(1) B柱侵入量。B柱对于汽车发生侧面碰撞时乘员的损伤程度有着直接的影响, B柱结构及内部加强件既不能过硬, 也不能过软。若B柱过硬, 则会使能量迅速转移到乘员身上, 不能通过车身变形来吸收大部分能量;相反, 若B柱过软则会使其变形过大, 挤压乘员的生存空间, 从而对车内乘员造成更大的伤害。图3所示为仿真得到的B柱Y方向侵入量对比图。由图可知, 轻量化前后B柱变形趋势及侵入量大小基本能够保证乘员舱空间。

(2) 前后车门侵入量。车门在车辆发生侧面碰撞时起着保护乘员安全的重要作用, 车门结构件若强度不够, 则容易导致在发生侧碰时车门变形过大, 从而挤压其他零件如门护板、电机等侵入乘员室, 造成乘员的伤害。如图4为前车门在轻量化前后的侵入量图。

由图4可知, 轻量化后前车门侵入量略有增加。从变形云图可以看出, 变形较大的区域集中在车门防撞梁中间位置附近, 相比较而言, 门锁处的变形量相对较小, 由此可最大程度地保护门锁不被破坏, 从而保证发生侧面碰撞时车门的也能够开启。

图5为轻量化前后后车门侵入量图。由图八可知, 后车门在轻量化前后的侵入量变化不大, 变形趋势基本一致, 最大变形区域位于车门防撞梁附近, 且门锁处变形较小。

通过对比侧面碰撞时车门在轻量化前后的侵入量及侵入速度可知, 前后车门的耐撞性能在轻量化前后基本一致, 可论证轻量化方案的可行性。

4 结束语

通过正面碰撞试验的变形时间历程及整车结构变形验证了整车碰撞有限元模型的有效性后, 首次将正面碰撞与侧面碰撞的数值仿真联合应用于车身轻量化设计前后的整车结构抗撞性能研究。通过对比正面碰撞试验与轻量化前后B柱加速度曲线以及轻量化前后侧面碰撞前后车门侵入量, 验证了车身轻量化结果的可行性, 确保了轻量化后车身结构的抗撞性能。

参考文献

[1]《汽车轻量化:材料、设计与制造》P.K.迈利克等 (作者) 机械工业出版社 (2012-05) .