應(yīng)用熱成型技術(shù)實(shí)現(xiàn)白車身輕量化實(shí)踐案例

周槿楓　孔嬌龍　耿娟

摘 要：隨著現(xiàn)代汽車工業(yè)節(jié)能環(huán)保思想與汽車新四化方針的推進(jìn)，輕量化技術(shù)越來越廣泛應(yīng)用于乘用車領(lǐng)域。汽車工程師在不犧牲汽車整體性能、整車操縱性的前提下，通過輕量化手段降低車身重量，不僅僅是給汽車生產(chǎn)商帶來成本上的收益，對于整車性能、安全、動力的優(yōu)化與操縱性的提升，同樣可以帶來十分明顯的提升。據(jù)統(tǒng)計(jì)白車聲的重量占整車質(zhì)量的三分之一，在駕駛者使用過程中，將近一半以上的油耗用到了車身質(zhì)量上。本文將重點(diǎn)闡述某車型在白車身輕量化項(xiàng)目過程中，通過應(yīng)用熱成型技術(shù)實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的過程，其白車身輕量化進(jìn)程主要內(nèi)容大概可以概括為俗語“摸、排、滾、打”，即白車身性能摸底、排查、分析選代、最終打價(jià)格戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：熱成型技術(shù) 白車身輕量化 有限元分析 性能指標(biāo)

A Practical Case of Applying Thermoforming Technology to Achieve Lightweight Body-in-white

Zhou Jinfeng，Kong Jiaolong，Geng Juan

Abstract：With the advancement of the modern automobile industry's energy conservation and environmental protection thinking and the new four automotive principles， lightweight technology is increasingly widely used in the field of passenger cars. On the premise of not sacrificing the overall performance of the vehicle and the handling of the vehicle， the automotive engineer reduces the weight of the vehicle body by lightweight means， not only bringing cost benefits to the automobile manufacturer， but also for the optimization of the performance， safety， and power of the vehicle. The improvement of maneuverability can also bring an obvious improvement. According to statistics， the weight of the white car sound accounts for one-third of the vehicle's mass. During the driver's use， nearly half of the fuel consumption is used on the body's mass. This article will focus on the process of applying thermoforming technology to realize the light weighting process of a certain model in the body-in-white lightweight project. The main content of the light weighting process of the body-in-white can be summarized as the sayings "touch， row， roll， hit"， that is， the body-in-white performance survey， investigation， analysis and selection， and finally a price war.

Key words：thermoforming technology， lightweight body-in-white， finite element analysis， performance index

1 車身輕量化設(shè)計(jì)背景

汽車的發(fā)展從當(dāng)初的富人玩具，逐漸優(yōu)化演變，從代步工具一步一步變成與我們消費(fèi)者生活密不可分的生活必需品。隨著人們消費(fèi)水平的提高，汽車已經(jīng)逐漸從消費(fèi)者的代步需求向個性化、娛樂性和舒適性邁進(jìn)，同時對汽車碰撞安全性、強(qiáng)度耐久性與NVH性能要求的不斷提高，必然會導(dǎo)致在車身上加裝各種功能的零部件，提高相應(yīng)的配置致使汽車的重量不斷增加，這導(dǎo)致汽車的整車整備質(zhì)量較過去二十年來持續(xù)上升。

1.1 車身輕量化的主要設(shè)計(jì)原則

汽車輕量化設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循的原則如下：

1.1.1 引入空腔原則

設(shè)計(jì)過程中，多采用開孔結(jié)構(gòu)，例如工藝孔、減重孔的廣泛應(yīng)用。

1.1.2 輕盈結(jié)構(gòu)原則

在滿足我們結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度的前提下，通過密度較輕的材質(zhì)、薄壁的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)輕量化。

1.1.3 利用曲率原則

設(shè)計(jì)過程中，若需要大面積平板結(jié)構(gòu)，通常設(shè)計(jì)帶有曲率的結(jié)構(gòu)來增加剛度。

1.1.4 放大面積慣性矩原則

設(shè)計(jì)構(gòu)成中，多使用空心腔體結(jié)構(gòu)，在滿足慣性矩的性能前提下，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。

1.1.5 一體化原則

輕量化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時，俗稱為零件合并，類似厚度的零部件可已通過設(shè)計(jì)成一個零件的手段，減少連接單元，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。

1.2 車身輕量化的計(jì)算方法

輕量化零件的單元受力分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在整個輕量化優(yōu)化工作中占很多的比重，具體工作內(nèi)容主要是求解內(nèi)力變量或者變形的微分方程或者方程組。隨著目前計(jì)算機(jī)性能的提升與普及應(yīng)用，實(shí)際工作中已經(jīng)越來越多地采用仿真計(jì)算方法。迄今為止，有限元法應(yīng)用最為廣泛。有限元法是面向計(jì)算的方法，借助力學(xué)單元（梁、殼、板、塊等）的儲存，提供用于軟件技術(shù)的匯編算法與解析算法，通過計(jì)算程序求解該方程組，輸出結(jié)果為節(jié)點(diǎn)的變形、應(yīng)力與支撐的反作用力。

2 熱成型技術(shù)在汽車上的應(yīng)用

2.1 TWB拼焊不等厚

將不同厚度的單件拼接到一起，實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域性能要求下的不用厚度需求，節(jié)省材料，實(shí)現(xiàn)車身輕量化。

2.2 TRB柔性軋制板

可以通過變厚的材料板材設(shè)計(jì)，根據(jù)不同承受的受力區(qū)域來設(shè)計(jì)板材的厚度和形狀，通過定制產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重，最終實(shí)現(xiàn)輕量化需求。

2.3 TTP軟區(qū)

根據(jù)對硬度的不同需求，設(shè)計(jì)不同區(qū)域不同的硬度分區(qū)。

2.4 補(bǔ)丁板Patchwork Blank

多針對于需要局部加強(qiáng)強(qiáng)度的安裝點(diǎn)優(yōu)化，例如座椅安裝點(diǎn)、懸架固定安裝點(diǎn)等，多應(yīng)用于螺母板結(jié)構(gòu)的拓展。

3 基于某乘用車車型輕量化實(shí)踐及思路

3.1 整車摸底

該項(xiàng)工作主要對性能、質(zhì)量分布、材料分布厚度組成等進(jìn)行摸底，對現(xiàn)有車型進(jìn)行初步的了解工作。汽車輕量化設(shè)計(jì)的主要思路就是在確保穩(wěn)定性能的基礎(chǔ)上，優(yōu)化性的設(shè)計(jì)各總成零部件，持續(xù)的優(yōu)化車型結(jié)構(gòu)，在保證汽車的強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動力性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性，降低燃油與電力，所以對目前階段車型各項(xiàng)性能的了解程度和性能拆解是輕量化工作的核心內(nèi)容。

3.1.1 性能摸底

主要針對整車安全碰撞、強(qiáng)度耐久性能、NVH性能三方面進(jìn)行整車性能摸底，針對基礎(chǔ)車型CAE有限元分析，對靈敏度、弱點(diǎn)區(qū)進(jìn)行方向性確定。

3.1.2 厚度分布摸底

考慮到設(shè)計(jì)周期的時間成本，修模成本等，當(dāng)前國內(nèi)的主要汽車輕量化措施是提高材料等級減薄車身板厚度。通過對車身厚度的逐一篩查，進(jìn)一步接近輕量化目標(biāo)。

3.1.3 材料分布摸底

隨著碳纖維、鎂鋁合金、鈦合金等新材料的飛速發(fā)展，具有密度低，強(qiáng)度高的零件材料日益增加，但是對于鋼材領(lǐng)域，熱成型件的高性價(jià)比，簡單的工藝優(yōu)勢，仍然在輕量化領(lǐng)域占有很重要的比重。到目前為止，熱成型件在汽車輕量化設(shè)計(jì)中，仍被廣泛應(yīng)用。

3.2 整車排查

3.2.1 有限元性能排除工作

根據(jù)初步篩選的零部件集，在確保穩(wěn)定性能的基礎(chǔ)上，重新設(shè)計(jì)零件厚度并進(jìn)行性能評估。篩選因零件變動而影響的工況，主要涉及碰撞安全，結(jié)構(gòu)耐久、NVH。如下表1。

3.2.2 成型工藝限制排除工作

熱成型零件雖然具有強(qiáng)度較高的材料屬性，但是其延伸率與冷沖件進(jìn)行比較，在碰撞潰縮區(qū)域表現(xiàn)并不理想。一些冷沖件可以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)熱成型零件很難實(shí)現(xiàn)，所以在冷沖件替換熱成型的過程中，還需要進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在優(yōu)化時應(yīng)以經(jīng)濟(jì)效益為基礎(chǔ)，考慮該零件在集成中的邊界條件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.3 滾動式分析

經(jīng)過一輪排查后，涉及的零部件并不能完全滿足性能要求，針對未滿足性能需求的零件進(jìn)行相應(yīng)的產(chǎn)品優(yōu)化。這部分工作主要集中在CAE仿真以及成型工藝的分析上，其次產(chǎn)品更改后成本需要重新校核。

3.4 打價(jià)格戰(zhàn)

通過完成整車性能包括：強(qiáng)度耐久分析、安全碰撞及NVH、焊裝可行性、基地及分包焊裝線改制、涂裝可行性、尺寸精度控制、供應(yīng)商開發(fā)等工程可行性分析，鎖定預(yù)開發(fā)件，由采購及商務(wù)進(jìn)行最終一輪整體收益核算與定點(diǎn)，最終鎖定開發(fā)零件，實(shí)現(xiàn)車身輕量化。

4 總結(jié)與反思

目前，能源短缺與可持續(xù)化發(fā)展早已成為全球焦點(diǎn)問題，石油消耗帶來的汽車尾氣排放污染，已成為大氣環(huán)境污染主要的根源之一，給我們環(huán)境保護(hù)帶來了嚴(yán)重的壓力。為了解決目前世界環(huán)境問題，世界各國尤其是發(fā)達(dá)國家都在不斷制定嚴(yán)苛的汽車環(huán)保法規(guī)。在節(jié)能、環(huán)保的雙重壓力下，汽車產(chǎn)業(yè)必須承擔(dān)社會責(zé)任，設(shè)計(jì)并研發(fā)低排放、零排放的汽車產(chǎn)品，汽車輕量化也正是在這種背景下成了世界汽車發(fā)展的潮流。

參考文獻(xiàn)：

[1]王登峰.車身參數(shù)化與輕量化設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2019.