面向輕量化的熱成形鋼白車身剛度分析

供稿|郭晶，宋博，王銘澤

內(nèi)容導(dǎo)讀 基于有限元分析，在滿足白車身設(shè)計(jì)規(guī)范的前提下，用熱成形鋼P(yáng)HS2000 替代部分傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼，進(jìn)行白車身輕量化的剛度分析研究。根據(jù)白車身結(jié)構(gòu)安全性能要求，建立彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度的有限元模型，以傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼材料白車身的剛度分析結(jié)果為基準(zhǔn)，進(jìn)行以熱成形鋼P(yáng)HS2000 為替代材料的白車身輕量化開發(fā)，保證車身性能符合相關(guān)要求。結(jié)果表明：在滿足白車身剛度設(shè)計(jì)規(guī)范前提下，熱成形鋼替代傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼能實(shí)現(xiàn)白車身減重5.28%，滿足輕量化設(shè)計(jì)要求。

氣候變化是人類面臨的全球性問題，汽車行業(yè)是全球溫室氣體排放的主要領(lǐng)域之一。隨著我國汽車保有量的不斷提升，如何減少汽車行業(yè)碳排放是實(shí)現(xiàn)碳中和、碳達(dá)峰目標(biāo)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[1-6]。汽車輕量化就是在保證汽車強(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(dòng)力性，減少燃料消耗，降低排放污染[7]。實(shí)驗(yàn)證明，若汽車整備質(zhì)量降低10%，燃油效率可提高6%～8%[8]。由于節(jié)能和環(huán)保的高要求，汽車的輕量化已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)[9-17]。

輕量化材料的應(yīng)用是汽車輕量化的主要方式之一，本文以PHS2000 熱成形鋼輕量化材料替代傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼，應(yīng)用Hyperworks 軟件對(duì)白車身進(jìn)行有限元仿真分析。通過建立彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度工況，最終獲取白車身的剛度分析結(jié)果，有限元分析數(shù)據(jù)為白車身輕量化設(shè)計(jì)提供參考。

輕量化材料

熱成形鋼材料在成形之前需要進(jìn)行加熱和保溫使其奧氏體化，再將加熱到一定溫度的板料送入帶冷卻系統(tǒng)的沖壓模具內(nèi)成形，并對(duì)其進(jìn)行淬火，熱成形鋼材料從奧氏體組織轉(zhuǎn)變成馬氏體組織，從而獲得超高強(qiáng)度。因此熱成形鋼及熱成形技術(shù)成功解決了鋼板屈服強(qiáng)度提高但成形性能變差的問題，通過對(duì)板厚減薄實(shí)現(xiàn)降重和節(jié)約耗材，熱成形技術(shù)消除回彈影響，成形件精度高和質(zhì)量好[18-22]。

本文應(yīng)用的PHS2000 熱成形鋼，厚度1.2 mm，依據(jù)GB/T228.1—2010 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)，得到其常溫下的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線及淬火后的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線，見圖1。

圖1 PHS2000 工程應(yīng)力應(yīng)變曲線

有限元模型建立

白車身模型建立

白車身有限元模型如圖2 所示，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1。該白車身共有170 個(gè)零件，在有限元模型中共有748473 個(gè)網(wǎng)格，760932 個(gè)節(jié)點(diǎn)，5545 個(gè)焊點(diǎn)。白車身用材共20 個(gè)牌號(hào)，28 個(gè)規(guī)格，優(yōu)化后熱成形鋼使用量占比25.3%（圖2（b）深色部分）。

表1 本鋼白車身基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

網(wǎng)格劃分使用的標(biāo)準(zhǔn)為10 mm×10 mm，控制其最小尺寸為3 mm，模型的連接包含縫焊、點(diǎn)焊、螺栓/鉚釘、膠粘、鉸接等連接方式裝配。對(duì)于此白車身模型，在剛度分析中采用2 種材料：碳鋼和焊點(diǎn)實(shí)體單元材料。焊點(diǎn)的密度設(shè)為7.85×10-9t/mm3，彈性模量為210000 MPa，泊松比為0.3。分配進(jìn)行相關(guān)零部件厚度，使有限元模型與零部件實(shí)際結(jié)構(gòu)相符合。

扭轉(zhuǎn)剛度工況

有限元分析中假設(shè)部件整體為扭轉(zhuǎn)剛度均勻分布的桿，由材料力學(xué)可得扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算公式為：

式中：GP為扭轉(zhuǎn)剛度，θ為扭轉(zhuǎn)角，F(xiàn)為扭轉(zhuǎn)力，D為加載點(diǎn)之間的橫向距離。

加載點(diǎn)之間的扭轉(zhuǎn)角示意圖如圖3 所示：

其中扭轉(zhuǎn)角計(jì)算公式為：

式中，Z1、Z2為加載點(diǎn)的垂直位移。

對(duì)該白車身在5000 N 的Z向載荷（加載位置為左右減震器處）下進(jìn)行扭轉(zhuǎn)剛度分析，具體約束情況如圖4 所示，在水箱橫梁Y向零點(diǎn)處約束YZ（23）方向的平面自由度，左右后減震塔點(diǎn)分別約束XYZ（123）平動(dòng)自由度和YZ（23）平面自由度。

圖4 扭轉(zhuǎn)剛度載荷和約束示意圖

彎曲剛度工況

白車身的彎曲剛度指部件受到垂向載荷作用時(shí)的垂向張力，用撓度值來衡量。在實(shí)際工程應(yīng)用中，彎曲剛度K通常用垂向加載到部件上的總載荷F與加載的垂向最大位移δ之間的比值來衡量，其計(jì)算公式為：

對(duì)白車身結(jié)構(gòu)在4000 N 垂向載荷作用下進(jìn)行彎曲剛度分析，在4 個(gè)座椅位置分別加載1000 N 的Z向作用力，合力為4000 N。白車身彎曲剛度約束與載荷如圖5 所示，在水箱橫梁Y向零點(diǎn)處約束Y（2）方向的平面自由度，約束左、右前減震塔的Z（3）方向平面自由度，在后減震塔位置分別約束XYZ（123）平面自由度和YZ（23）平面自由度。

圖5 彎曲剛度載荷和約束示意圖

結(jié)果與討論

扭轉(zhuǎn)剛度分析

采用傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼的白車身扭轉(zhuǎn)剛度的分析結(jié)果和最大力云圖如圖6 所示。由位移云圖可知，減震器處的最大垂向位移為2.36 mm，最小垂向位移為-2.25 mm，由公式（1）～（2）計(jì)算可得，扭轉(zhuǎn)角約為0.234°，左、右前減震塔距離1129 mm，因此力矩為5645 N·m，白車身結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度為24123.9 N·m/(°)。

圖6 優(yōu)化前白車身結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度分析：(a)垂向位移云圖；(b)最大力云圖

采用PHS2000 熱成形鋼替換部分傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼的白車身扭轉(zhuǎn)剛度的分析結(jié)果和最大力云圖如圖7 所示。由位移云圖可知，減震器投影點(diǎn)的最大垂向位移為2.68 mm，最小垂向位移為-2.76 mm，由上述扭轉(zhuǎn)角計(jì)算公式可得，扭轉(zhuǎn)角約為0.276°，左、右前減震塔距離1129 mm，因此力矩為5645 N·m，白車身結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度為20452.9 N·m/(°)。

圖7 優(yōu)化后白車身結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度分析：(a)垂向位移云圖；(b)最大力云圖

彎曲剛度分析

采用傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼的白車身的彎曲剛度分析結(jié)果和最大力云圖如圖8 所示。提取位移云圖中門檻節(jié)點(diǎn)的Z向位移，再經(jīng)過歸零處理可知，節(jié)點(diǎn)Z向最大（絕對(duì)值）位移為-0.185 mm，故白車身的彎曲剛度為21621.6 N/mm。

圖8 優(yōu)化前白車身結(jié)構(gòu)彎曲剛度分析：(a) Z 向位移云圖；(b)最大力云圖

采用PHS2000 熱成形鋼替換部分傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼的白車身的彎曲剛度的分析結(jié)果和最大力云圖如圖9所示。同樣提取相關(guān)節(jié)點(diǎn)的Z向位移可知，節(jié)點(diǎn)Z向最大（絕對(duì)值）位移為-0.197 mm，所以白車身的彎曲剛度為20304.6 N/mm。

圖9 優(yōu)化前白車身結(jié)構(gòu)彎曲剛度分析：(a) Z 向位移云圖；(b) 最大力云圖

輕量化效果評(píng)價(jià)

綜上所述，傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼和PHS2000 熱成形鋼這兩類材料在彎曲和扭轉(zhuǎn)工況下的剛度分析結(jié)果如表2。

表2 白車身輕量化前后剛度比較

傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼的厚度1.4 mm 時(shí)，白車身質(zhì)量為324.10 kg，采用PHS2000 熱成形鋼作為替換板材料后，厚度減薄0.2 mm，質(zhì)量下降到306.99 kg。雖然彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度略有下降，分別降低6.1%和10.7%，但仍能夠達(dá)到整車扭轉(zhuǎn)剛度大于20000 N·m/(°)和彎曲剛度大于20000 N/mm 的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)減重效果可達(dá)到5.28%，質(zhì)量降低17.11 kg，有非常顯著的輕量化效果。

結(jié)束語

1）試驗(yàn)獲得了熱成形鋼的常溫狀態(tài)和淬火后的靜態(tài)拉伸曲線。

2）熱成形鋼替代傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼，替換后白車身結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度為20160.7 N·m/(°)，彎曲剛度為20304.6 N/mm。厚度減薄后，剛度性能依然能夠達(dá)到整車扭轉(zhuǎn)剛度大于20000 N·m/(°)和彎曲剛度大于20000 N/mm 的設(shè)計(jì)要求。

3）熱成形鋼替代傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼，厚度減薄0.2 mm，減重效果可達(dá)到5.28%，輕量化17.11 kg，有非常顯著的輕量化效果。