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高強鋼材料車身輕量化研究

2019-08-23 23:48:53·  來源：汽車技術(shù)研究所  作者：馬廷濤  
　
本文以某高強鋼材料車身模型為研究對象，結(jié)合國內(nèi)外高強鋼材料應用現(xiàn)狀，制定白車身高強鋼材料方案，同時對車身部件進行料厚優(yōu)化、安全性分析、沖壓工藝研究，探

本文以某高強鋼材料車身模型為研究對象，結(jié)合國內(nèi)外高強鋼材料應用現(xiàn)狀，制定白車身高強鋼材料方案，同時對車身部件進行料厚優(yōu)化、安全性分析、沖壓工藝研究，探究高強鋼材料在車身輕量化應用中的若干問題。

2 基于車身安全的高強鋼材料方案

高強鋼材料車身的輕量化技術(shù)路線主要是通過提升車身鋼板的強度和塑性，配合先進成型與連接工藝，在保證性能（主要是安全性能、結(jié)構(gòu)性能）的前提下，減薄車身部件料厚，進而實現(xiàn)減重。

2.1 高強鋼材料分類

目前，高強鋼材料主要有兩種分類方式：按照材料強度分類，普通高強鋼屈服強度一般為210～550 MPa，先進高強鋼抗拉強度一般為500～1 500 MPa；按照鋼中的金相組織和冶金類型分類，歐洲車身會議按照此方法分類，并有相應的車身材料配色標準，如表1所示。

2.2 基于安全理念的高強鋼材料應用

安全性是車身最重要的性能，各大汽車集團有各自的安全設(shè)計理念和方案，但主要遵循的設(shè)計原則均為“前、后碰撞區(qū)變形吸能+乘員艙高強度”（見圖1），即車身前、后區(qū)域既要能吸收碰撞能量，又要將剩余能量進行分流和傳導，減少對乘員的沖擊力，而乘員艙要保持高強度，在碰撞時將變形控制在有限范圍內(nèi)，保證乘員生存空間[3]。

表1 按照冶金類型分類的車身鋼種類別

圖1 車身安全設(shè)計理念

高強鋼兼具高強度和良好的塑性，有利于碰撞過程中的能量吸收，在保證安全的前提下，能夠最大程度實現(xiàn)輕量化。不可否認的是，熱成型鋼應用的比例越來越高，在第三代高強鋼冷沖壓應用技術(shù)全面突破前，熱成型鋼仍是車身安全用材的主流趨勢，并衍生出補丁板熱成型、拼焊板熱成型、差厚板熱成型、分段強化熱成型等多種新技術(shù)，進一步實現(xiàn)輕量化。圖2所示為沃爾沃車型熱成型鋼用量統(tǒng)計，其新一代車型熱成型鋼應用比例均在30%以上，許多自主車型也逐漸加大熱成型鋼應用量。

圖2 熱成型鋼在沃爾沃車系白車的身應用比例

高強度鋼與普通鋼板相比，泊松比和彈性模量幾乎一致，進行等強度設(shè)計時保持結(jié)構(gòu)形式一致，僅將部件料厚進行等效計算。等效替代后的部件料厚可大致確定為：


式中，t1、t2分別為等強度替換前、后的部件厚度；σs1、σs2分別為等強度替換前、后部件材料的屈服強度。

安全性是后續(xù)材料方案制定、料厚優(yōu)化等工作的前提。

2.3 高強鋼車身材料方案

通過分析自身情況、車型定位以及對標分析，本文在某轎車白車身模型基礎(chǔ)上，提出一種較為前瞻的高強鋼車身材料方案，如圖3所示。

圖3 某車型白車身材料方案示意

該車身材料方案制定遵循以下指導性原則：

a.乘員艙重點考慮安全性，在門環(huán)、地板橫梁、中通道、前圍擋板等處采用熱成型鋼，控制乘員艙侵入量，保證駕乘人員安全。

b.碰撞吸能區(qū)既要有的良好塑性以保證碰撞能量吸收，又要有一定的剛度來傳遞碰撞沖擊力。前縱梁采用先進高強鋼，前懸支撐座采用高強鋼，后縱梁根據(jù)強度要求，可采用先進高強鋼或者熱成型鋼。

c.結(jié)構(gòu)框架/節(jié)點重點考慮結(jié)構(gòu)剛度，地板連接梁、頂梁、側(cè)圍加強板和搭接結(jié)構(gòu)等選擇成本適中的高強鋼或先進高強鋼，采用合理的結(jié)構(gòu)和料厚，提升車身框架剛度。

d.鈑金件綜合考慮性能、成本、工藝性、NVH性能等，前地板、頂蓋選擇軟鋼或高強鋼，中/后地板、前圍內(nèi)板、流水槽、輪罩內(nèi)外板、側(cè)圍外板等選擇成型性好的軟鋼。

應當說明的是，該方案為高強鋼車身用材的指導性原則，具體車型開發(fā)時，應結(jié)合車型級別、目標成本、性能要求、生產(chǎn)資源、平臺化戰(zhàn)略等諸多條件平衡，進行具體材料選擇。材料選擇后還要結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計、CAE仿真優(yōu)化，才能最大化發(fā)揮材料的輕量化潛力。

3 基于車身靈敏度的高強鋼料厚優(yōu)化

長期以來，高強鋼“高強、減薄”這一輕量化技術(shù)路線較為明確，但車身是一個龐大的系統(tǒng)，減薄位置、減薄程度、料厚變化對車身性能的影響等問題尚未清晰。

3.1 白車身有限元模型建立

在前處理軟件中完成白車身的有限元建模，車身材料見圖3，各零部件初始厚度為原型車相應零部件的厚度，白車身模型信息如表2所示。

表2 白車身網(wǎng)格模型

3.2 車身靈敏度分析

3.2.1 原型車性能分析

車身模態(tài)、剛度等是評價車身性能的重要指標。經(jīng)計算，料厚優(yōu)化前原白車身模型的模態(tài)、彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度如表3所示，振型如圖4所示。

表3 白車身性能計算結(jié)果

圖4 白車身性能振型示意

3.2.2 車身靈敏度計算模型建立

3.2.2.1 建立設(shè)計變量

根據(jù)篩選原則，選擇88對（個）可變厚度的部件料厚作為設(shè)計變量，控制料厚變化范圍為±20%以內(nèi)，以不影響裝配。其中前15個質(zhì)量靈敏度較大的變量如表4所示。

表4 白車身鈑金設(shè)計變量

3.2.2.2 設(shè)定約束條件

優(yōu)化后整車性能應不低于或稍高于目前水平，設(shè)定模態(tài)頻率（一階扭轉(zhuǎn)）不小于31 Hz，模態(tài)頻率（一階彎曲）不小于39 Hz，彎曲剛度不小于17 kN/m，扭轉(zhuǎn)剛度不小于12.5 kN·m/(°)。

3.2.2.3 優(yōu)化目標

優(yōu)化目標為白車身質(zhì)量最小。

3.2.3 車身靈敏度計算模型求解

本文應用OptiStruct軟件進行靈敏度計算。軟件采用最小步長迭代法，是目前工程上通用、穩(wěn)定、快速的求解方法[4]。該白車身靈敏度計算模型求解后得到如下結(jié)論：對模態(tài)頻率（一階扭轉(zhuǎn)）影響較大的前5個零件是側(cè)圍加強板I段、前圍上部內(nèi)板、前圍上部內(nèi)板加強板、前圍擋板、側(cè)圍加強板II段，見圖5；對彎曲剛度影響較大的前5個零件依次是輪罩內(nèi)板、輪罩外板、門檻內(nèi)板、前圍上部內(nèi)板、門檻外板，見圖6；對扭轉(zhuǎn)剛度影響較大的前5個零件依次是頂蓋外板、側(cè)圍內(nèi)板I段、前圍上部內(nèi)板、前圍擋板、輪罩外板，見圖7。

3.2.4 車身料厚優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)靈敏度計算結(jié)果、式（1）和常用板材供貨規(guī)格等條件，對88對（個）變量料厚重新賦值并計算，結(jié)果如表5所示。在保證車身模態(tài)、剛度稍有提升的前提下，僅靠料厚減薄實現(xiàn)降重11.7 kg，降重3.4%，白車身平均料厚下降0.04 mm。若各部件配合相應的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計和先進制造工藝，輕量化潛力更大。

圖5 對模態(tài)影響較大的零部件排序

圖6 對彎曲剛度影響較大的零部件排序

圖7 對扭轉(zhuǎn)剛度影響較大的零部件排序

表5 優(yōu)化前后結(jié)果對比

4 安全性能驗證

B柱是汽車側(cè)碰中重要的承載部件，也是車身材料應用強度最高的位置之一，目前，熱成型方案是比較主流的應用方案。本文以B柱為例，對料厚優(yōu)化結(jié)果進行安全性能驗證。
圖8所示為原型車B柱改進方案，原始方案為激光拼焊冷沖壓成型，改進方案為熱成型，根據(jù)料厚優(yōu)化結(jié)果減薄料厚，材料性能如表6所示。

圖8 原型車B柱高強鋼優(yōu)化方案

表6 高強鋼材料性能對比

參考C-NCAP標準，采用簡化B柱側(cè)碰模型進行計算，對B柱優(yōu)化前、后方案的安全性能進行對比。側(cè)面壁障的移動速度為50 km/h，模擬碰撞時間為80 ms，B柱側(cè)碰計算模型及失效模式如圖9所示，碰撞過程變形區(qū)域主要位于B柱底部與門檻交界處。

圖9 B柱碰撞與失效模型

圖10 和圖11分別為碰撞過程中兩種方案的最大侵入量、侵入速度隨時間的變化曲線，80 ms內(nèi)最大侵入量分別為75.2 mm和69.1 mm，最大侵入速度分別為2.4 m/s和2.3 m/s，熱成型方案的最大侵入量、最大侵入速度均有所降低。由對比結(jié)果可知，采用更高強度級別的鋼種，合理減薄料厚，安全性能有一定提升，在輕量化的同時，仍可有效保護乘員安全。

圖10 兩種方案最大侵入量對比

圖11 兩種方案侵入速度對比

原型車B柱通過熱成型方案的實施，料厚降低，性能略有提升，實現(xiàn)降重1.314 kg，若結(jié)合補丁板熱成型、差厚板熱成型等先進工藝，還有更大輕量化空間。

5 成型性能優(yōu)化

目前，國內(nèi)外各大鋼廠已經(jīng)開發(fā)了800～1 500 MPa的先進高強鋼，進一步追求輕量化，但高強、減薄卻是限制沖壓工藝的兩大因素[5]。一方面，高強鋼屈服強度提升，成型極限變小，沖壓過程易出現(xiàn)起皺、開裂等缺陷；另一方面，沖壓過程中產(chǎn)生較大的殘余應力和回彈，零部件的幾何尺寸不確定性增強。在滿足車身強度、剛度、輕量化的條件下，如何保證沖壓工藝可行是高強鋼應用實踐的一大難點。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和沖壓理論的不斷完善，可以通過計算機模擬，較為準確地預測零部件在沖壓過程中的所有問題，國外在預測沖壓件缺陷方面已達到很高精度，并實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計、模具開發(fā)的同步。本文以B柱為例，對高強鋼材料替換、料厚減薄后的方案進行沖壓工藝可行性研究，力求設(shè)計方案和成型工藝同步實現(xiàn)。

圖12所示為提取的B柱模型沖壓分析結(jié)果，材料為熱成型鋼，料厚1.6 mm。若按照原結(jié)構(gòu)進行設(shè)計并沖壓，由于B柱底部型面復雜，兩側(cè)翻邊處減薄率達-0.206，有開裂風險，同時，吸皺筋不足，會出現(xiàn)褶皺。

圖12 B柱熱成型沖壓分析結(jié)果

根據(jù)熱成型工藝特點，采取以下改進方法：采用開放式設(shè)計，盡可能采取彎曲成型，減少翻邊邊產(chǎn)生起皺、減薄以及拉裂的風險；有起皺傾向的區(qū)域（如B柱零件底部）應該設(shè)置吸皺筋。改進后的結(jié)構(gòu)及成型分析結(jié)果如圖13所示，成型性良好，無開裂和起皺風險。

圖13 結(jié)構(gòu)改進后熱成型沖壓分析結(jié)果

相對于冷沖壓，熱成型應盡量采取規(guī)則的形狀，不規(guī)則的結(jié)構(gòu)會增加板料定位差，在成型過程中，模具與板料冷卻效果差，影響材料流動和淬火冷卻，導致強度分布不均。

工程實踐證明，成型性優(yōu)化涉及的結(jié)構(gòu)改動多為微調(diào)，不涉及大的結(jié)構(gòu)斷面調(diào)整，對零件整體的安全性能的影響極為有限，可以認為前文的安全性能分析仍然有效。

6 結(jié)論

高強鋼的應用主要考慮車輛的安全性能，其中，熱成型是目前技術(shù)條件下，基于車身安全的材料首選。通過靈敏度分析，可優(yōu)化車身各部件的料厚，實現(xiàn)材料和結(jié)構(gòu)的合理化匹配，盡可能實現(xiàn)車身輕量化。通過安全性分析，可以驗證采用更高強度級別的鋼種，在輕量化的同時，仍可有效保護乘員安全。通過沖壓工藝分析，可預測高強鋼沖壓成型的可行性，使得設(shè)計方案和工藝同步實現(xiàn)。
 
 
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