上汽自主品牌汽车车身轻量化现状及展望

ATM碘界上汽自主品牌汽车车身轻量化现状及展望摘要以“荣威”某车型的车身轻量化开发为例，介绍了该车型的高强度钢板应用，车身质量、轻量化系数、内部空间尺寸与同级别车型的对比，车身安全性、结构刚度和模态性能水平，以及该车型下一代产品的性能提升方案。关键词汽车车身轻量化自主品牌中图分类号U465文献标识码A1车身轻量化设计是系统的平衡设计车身设计的七大要素分别是安全、耐久、NVH、功能、工艺、成本及质量。车身设计质量高低的评价标准取决于这七大要素之间的平衡程度，即用最低的成本、减轻质量及工艺投入换来最优的安全性、NVH表现、耐久性并实现相应的车身功能。可见，车身轻量化设计并不是单纯的车身减重，而是与车身性能设计紧密联系的系统的平衡设计。2车身轻量化的3种实施方法车身轻量化设计需要综合考虑安全、耐久、NVH等性能与车身减重之间的平衡，通过结构设计、材料选择及优化制造工艺来实施。21结构设计1零件的结构优化零件的结构优化可以通过降低钢板厚度，同时在关键部位增加加强筋或适当增加材料强度来保证零件的强度、刚度性能。同时，也可以在非关键区域增加减重孔、切除多余翻边等。上海汽车集团股份有限公司技术中心羊军汪侃磊2零件的断面优化零件的断面优化主要是考虑断面惯性矩和断面面积之间的平衡，通过不断的优化分析来实现用最小的断面面积达到最大的惯性矩这一目标，从而提高车身结构刚度性能，减轻车身质量。3钢板厚度对性能提升的敏感度分析钢板厚度对性能提升的敏感度分析是通过将车身各个零件的钢材厚度作为变量来建立数学模型，以保证模态、刚度、耐撞性等工况的性能要求为前提，采用拓扑运算的方法，分析所有变量对这些工况综合性能的敏感程度，提高部分敏感零件的钢板厚度，降低其他不敏感零件的钢材厚度，最终实现降低车身总质量。22材料选择1提高高强度钢板的使用比例提高高强度钢板的使用比例不仅可大幅度减轻车身质量，同时也有利于提高车身碰撞和耐久性性能。目前，国际上的一些新车型，其屈服强度在550MPA以上的高强度钢板占30，并在碰撞关键路径，如A柱、B柱和门槛等区域采用热成形工艺，将零件的屈6L汽车工艺与材料ATM2011年第1期ATM碗界服强度提高到1000MPA以上，见图1。图1国际上某新车型大量采用高强度钢板2轻质材科替代传统的钢材轻质材料主要包括工程塑料、玻璃纤维复合材料见图2、铝合金、镁合金等见图3。其应用区域主要集中在外覆盖件及部分非碰撞的骨架和面板零件。由于这些轻质材料的成本相比传统的钢材会高出1倍甚至数倍，因此目前多用于高端产品。SMC和RTM工艺RTM和泡沫填充骨架GMT材料碳纤维零件图2复合材料在一些高端车型上的应用轻质材料牌号AIMG35MN霸ATMG45MN04一AIMG1A1MG57AIMGL豳A1MG04SI12口AISI06MNO5誓瞳AISL10MGMNFEAIMGSI图3铝、镁合金等轻质金属材料在某些高端车型外覆盖件上的应用3制造工艺优化传统的车身制造多采用中压工艺，其零件较多且焊接关系复杂。而一些国际上的高端车型已逐步采用型钢件和铸造件来替代冲压件见图4，配合轻质金属合金材料的应用，既保持了车身的轻量化，又能得到较好的安全和耐久性，以实现必要的安装功能。当然，这些工艺在普通车型上的应用目前仍很有限，主要受制造设备投入和成本上的限制。图4型钢件和铸造件在某高端车型车身骨架上的应用3“荣威某车型的车身轻量化解决方案车身结构设计优化和高强度钢板的合理应用，使得“荣威”某车型同时实现了受控的车身成本、更轻的车身质量及更高的车身性能。这三者的良好平衡是该车型车身设计上的最大亮点。31高强度钢板的合理应用及成本控制从图5可以看到，在该“荣威”车型的白车身上，超高强度钢板的应用比例为24，应用区域主要集中在性能敏感区域，21A柱、B柱、门槛和车门防撞杆上。这一比例明显高于之前上市的几款“荣威”产品，它们应用超高强度钢板的比例为515，低于目前国际上的一些新车型的水平。图5荣威某车型的车身钢材选用从目标市场定位所对应的成本控制角度考虑，目2011年第1期I汽车T艺与材料ATMI7IATM飙界前该“荣威”车型暂时并未采用热成形、铝镁合金等更高成本的轻量化技术。计划在下一代产品上逐步推进这些新技术的应用以实现更好的轻量化水平和更高的性能。32更轻的车身质量和更优的车身轻量化系数从表1可见“荣威”某车型与同级别的4款车型以竞争车型A、B、C、D代称的性能参数对比，该车型的白车身质量是最轻的，轻量化系数也在平均水平以上。车身轻量化系数的计算方法如下。1O。CTA式中，为轻量化系数，越小越好；MW为白车身无门盖、无前后风挡玻璃质量；为车身扭转刚度A为四轮间的正投影面积即前、后轮平均轮距乘以轴距。33更大的内部空间和更高的车身性能1同级别车型中最大的轴距及内部空间尺寸从图6和表2可以看到，该“荣威”车型在轴距上优于竞争车型B，与竞争车型A相当；在后排空间尺寸上则同时优于竞争车型A、B。具有同级别车型中最大的轴距及内部空间尺寸。2更高的车身性能该车型开发之初制定了必须达到中国CNCAP5星；N2010年ENCAP4星的碰撞性能目标，并对这一目标进行了细化，见图7。针对50KMH的正面碰撞、56KMHO64KMH的正面偏置碰撞、50KMH的侧碰、3OKMH的侧面柱碰，以及2010年ENCAP图6车身关键尺寸8J汽车I艺与材料ATM2011年第1期ATM褫界产品ABCDEFGHJKM的行人保护标；隹进行了多轮次JCAE分析与物理试验。最终，该车型在CNCAPJ官方测试中得到了5星的好成绩。1偏嚣正碰CNCAP56KMHODBCNCAP5星水平2完全正碰CNCAP50KMHFFBCNCAP5星水平3侧碰CNCAP50KMLHMDBCNCAP5星水平4偏置正碰ENCAP64KMHOO8ENCAP5星水平5柱碰ENCAP30KMHSIDEPOLEENCAP5星水平6行人保护满足PHASE1要求2010年ENCAP4星水平ENCAP5墨水平图7CAE碰撞仿真分析与物理试验为了应对2012年将要实施的新的ENCAP行人保护标准，详细的性能提升方案也在验证过程中。如图8所示，通过针对发动机罩盖、水箱横梁、前围上板等结构的一系列设计更改，CAE分析显示已达到了2012ZTENCAP5星的行人保护标准。图8针对车身的一系列设计更改的CAE分析此外，该车型的车身结构在刚度和模态方面也非常不错。如图9所示，车身扭转刚度达到了18598NM。；车身弯曲刚度达到了12898NMM；车身一阶扭转模态达到74336HZ，一阶弯曲模态达到了5072HZ。34下一代车型的性能提升目标如表3所示，“荣威”该车型的下代产品计划进一步提升车身轻量化水平，其中碰撞等级从目前的CNCAP5星和201O年ENCAP4星水平提高LJ2012年的ENCAP5星水平。下一代“荣威”车型的性能提升及轻量化控制方案见图1O。车身扭转刚度从18598NM。提升LJ20000NM。，一阶扭转模态从目前的4336HZ提升到45HZ，两厢车版本也需控2O11年第1期汽车工艺与材料ATM9525O4846醛44424038一阶扭转一阶弯曲A模态性能ATM碘界1OOOOO图9该荣威车型的车身刚度和模态性能_扭转弯曲B车身刚度产品白车身质量KG碰撞等级扭转刚度NM。一阶扭转模态HZ车身轻量化系数制在43HZ以上。但这一系列的性能提升可能会使车身质量增；BOBKG左右。为了实现更优的车身轻量化水平，拟通过采用铝合金发动机罩盖内外板、热成形B柱、车身结构优化等手段，目标为减轻车身质量14KG。这样，下一代产品的车身质量就能从目前的276KG减轻FJ270KG，相应地车身轻量化系数也会从目前图1O下一代“荣威”车型的性能提升及轻量化控制方案10L汽车T艺与材料ATMGJ364提升到330。圃第六届国际应用激光技术中国研讨会LPC2011研讨会主页WWW1PCCONFERENCEORG主办单位美国激光学会中国光学学会激光加工专业委员会德国慕尼黑国际博览集团会议主席ANDREASOSTENDORFJ授，德国