汽车车身轻量化结构与轻质材料2.2.ppt

1、4.3 激光焊接,几种用于激光拼焊板工艺的焊接方法比较,YAG固体激光器,CO2气体激光器,快速激光焊接接头凝固裂纹的形成,4.3 激光焊接,激光焊接热循环，焊接裂纹，焊接接头的软化是激光焊应用需要进一步研究的方向 。,4.4 胶焊,粘合剂在汽车上的应用主要部位,4.4 胶焊,粘合剂在越来越多的汽车上应用,与老款相比： 一阶弯曲刚度提高34 扭转刚度增加20 质量减少7kg,4.4 胶焊,新、老奥迪A6应用粘接剂前后的比较,从功能来分，车用胶可分为结构胶、半结构胶、密封胶和修补胶；从使用的部位来看，其又可分为车身、内饰、发动机和底盘零部件等工艺用胶。,4.5 电弧焊,熔化极惰性气体保护电弧焊,

2、熔化极氩弧焊,钨极惰性气体保护焊,激光MIC复合焊接机头,电弧复合焊接的原理图,铝合金的连接多采用熔化极惰性气体保护电弧焊和激光电弧焊，其焊接电流大，焊接速度快，热影响区小，生产效率高，可焊接厚件，工业上应用广泛。,4.6 胶接,胶接剂,4.6 胶接,胶接接头,胶接接头受力方式为剪切、拉伸、剥离和不均匀扯离。,胶接接头的基本形式是搭接,铝合金表面上的氧化膜，增强了与合适的金属胶粘剂牢固和持久的支持。故连接容易及比强度高是广泛用胶粘剂连接铝组合件的原因。,4.7自冲铆接,全铝车身连接技术和生产成本的关系,工艺简单，连接可靠，抗振，耐冲击，不会引起热变形，质量易检查，成本低是铆接的特点。它是铝合金

3、或镁合金车身使用上最多的连接方式。,4.8复合材料的连接工艺,胶接,焊接,成型连接,在结合处铺上浸有树脂的玻璃布或其他材料的垫片，然后将它固化，而使零件与垫片连接起来。,连续连接,4.8复合材料的连接工艺,复合材料的 机械连接,螺纹连接,铆接,螺纹-螺栓连接,自楔紧连接,机械连接,4.8复合材料的连接工艺,金属同复合材料的胶-铆接头,复合材料结构连接方法中，螺纹连接、胶接、铆接和螺栓连接得到了广泛应用。,凸缘连接,绪论,车身用轻质材料,轻质车身结构的成型工艺,轻质车身结构的连接工艺,应用多种材料的轻质车身设计,车门的轻量化设计示例,第五章 应用多种材料的轻质车身设计,随着新技术，新工艺的不断应

4、用，传统钢结构车身正在被新材料所取代。铝、镁合金制成的车身几乎要比传统车身轻50%，而高强度的碳纤维复合材料要比传统钢制件大约轻60%。采用新型材料尤其是碳纤维复合材料对于减轻汽车自重量和降低制造成本具有不同寻常的作用。,不同材料车身的自质量对比,5.1 轿车车身结构,白车身由覆盖件、梁或支柱以及结构加强件组成,车身前部结构设计结构,是敞开的发动机舱，承受比较大的集中力，主要由前纵梁支撑，并尽可能吸收纵向碰撞能量。,5.1.1 车身构造,5.1 轿车车身结构,车身中部结构设计结构,是乘坐舱，结构强度要求很高，主要起到承受侧面撞击力，保护乘员生存空间的作用。,是行李箱舱，主要承受燃油箱、备胎和行

5、李的重力。后纵梁承担和吸收纵向撞击载荷。,轻质车身结构设计的新观点： “将合适的材料应用于合适的部位” 。,5.1 轿车车身结构,5.1.2 车身结构特点,优点：,缺点：,提高车身寿命；提高舒适性； 提高安全性；便于协作生产。,不利于轻量化；不利于上下车； 制造、装配技术需提高。,适用于大、中型，批量小的车型,适用于中、小型批量大的车型,5.1 轿车车身结构,优点：,缺点：,减重量、降成本；有效空间增大； 上下车方便；装配问题减少。,影响舒适性；影响车身强度； 改变车身制造变形车困难。,5.1 轿车车身结构,一定程度上改善乘坐舒适性,优点：隔振、隔音、轻量、底板较低、空间利用率高。,5.1 轿

6、车车身结构,车身结构的革新所带来的好处不言而喻，但整体式车身结构给汽车设计与制造带来的却是整个设计理念、制造方法和消费方式的巨大变革。 。,模块化车身结构,5.2 车身结构设计要求,5.2.1 结构强度与刚度要求,车身结构刚度和动力学性能设计的过程,分析具有竞争力的同类车型的性能指标,对新设计提出具体的目标要求,实施车身拓扑构造技术，选择结构方案,建立CAE模型进行结构强度分析计算,结构优化 ，得到最佳方案,试验验证,产品设计的全面评估,不断完善,车身在各种行驶条件下承受各种载荷时，要求既不许变形也不许损坏，对可变动载荷也不能产生裂纹等疲劳破坏。,结构强度与刚度设计应满足的条件,没有物理学上或

7、理论力学上的“平面性”承载结构,由骨架构件连接成的承载及传力结构,承载结构任何地方受力，应通过承载结构“网络”，迅速传递至整个车身,尽量避免存在不会受力的非承载构件,车身承载结构必须有足够的刚性 .,所有机组必须尽量悬置于车身承载结构的几何节点处,不允许车身薄板有较大的振幅,5.2 车身结构设计要求,5.2 车身结构设计要求,5.2.2 振动与噪声要求,噪声的产生,（1）轿车驱动系统噪声 （2）轮胎与路面接触噪声 （3）环绕车身的气流噪声,噪声的传递,（1）空气传声 （2）固体传声,降噪的措施,（1）连接处隔绝 （2）有目的的增加车身刚度 （3）适当部位设置隔音件 （4）多级密封,汽车上的振动

8、主要包括由路面不平度引起的车身垂直方向的振动、发动机不平衡往复惯性力产生的车身振动、转向轮的摆振和传动系的扭转振动等。振动特性与车身刚度密切相关。高刚度车身不仅有利于悬架的支持，使汽车系统正常工作，而且有利于改进振动特性，降低噪声。,5.2 车身结构设计要求,5.2.3 耐久性要求,疲劳的产生,汽车在行驶过程中，由于路面不平整及路面使用过程中造成的缺陷等因素的影响，车身结构会受到交变载荷的作用,疲劳破坏,在交变载荷重复作用下，应力值没有超过材料的强度极限，材料或结构所发生的破坏现象,影响疲劳强度的因素,材料本身的性质、零件几何形状、表面质量、工作条件、表面处理及参与内应力等,材料或构件疲劳性能

9、用疲劳强度来衡量，它指材料或构件在交变载荷作用下的强度，采用在一定循环特征下，材料或构件可以承受无限次应力循环而不发生疲劳破坏的最大应力和疲劳失效时所经受的应力或应变的循环次数作为疲劳极限评价指标。疲劳寿命取决于材料的力学性能和所施加的应力水平。,5.2 车身结构设计要求,5.2.4 安全性要求,考虑乘客最优化的碰撞保护的安全性设计基本要求,有安全带等保护装置,高强度的乘坐舱,车身前后部有大的碰撞变形区域,地板及车门具有碰撞承载结构,车身前部有高强度的横向连接件 .,车门有极坚固的防撞梁,乘座舱内构件表面光滑及柔软,顶盖有加强结构,纵向结构从前至后变形阻力逐大,碰撞后起火燃烧的可能性最小,承受

10、速度为50km/h的碰撞，乘员无伤害,雨刮器应几乎完全被发动机罩遮盖,白车身外的零件修理价格合宜,车身刚度合理分级,5.2 车身结构设计要求,前后两个碰撞吸能区,车身的刚度分配是碰撞安全性的决定因素。安全车身前后部位的刚度应低于中间乘坐舱的刚度。轻微事故时保险杠系统及其碰撞变形元件能吸收冲击能量，减少损失。重大事故时，乘坐舱变形应尽量小，让乘客有足够的生存空间。乘坐舱以外的部件应尽量参与变形并吸收冲击能量。,安全车身,5.2 车身结构设计要求,5.2.5 轻量化要求,轻量化的前提,保证安全性,结构合理化,（1）减薄板厚 （2）形状合理 （3）刚度最佳,轻量化的途径,(1)缩小车身尺寸 (2)采

11、用前置前驱布置型式 (3)车身结构合理化 (4)使用高强度钢板或其他轻质材料,轻质替代材料,（1）高强钢 （2）铝、镁合金 （3）复合材料,车身质量（包括白车身和装备件）对整车质量的影响很大。车身轻量化能有效地减轻簧上质量，使得悬架及传动系统的负荷减小，从而亦可相应地减轻该部分的质量，有利整车轻量化要求，最终达到节能环保要求。,5.2 车身结构设计要求,5.2.6 密封性要求,固定可靠、易装、美观、耐用，接触平稳、振动小，不漏雨、不积水,罩盖密封,升降玻璃密封,动态密封,静态密封,5.2 车身结构设计要求,5.2.7 通风性要求,布置通风装置应考虑车身结构和行驶中车身的表面压力分布特性,5.2

12、 车身结构设计要求,5.2.8 防腐性要求,达到车身外板穿孔腐蚀为10年，表面锈蚀为5年，发动机罩内和地板下表面锈蚀为2年的 “10-5-2”车身防腐蚀目标,5.3 车身结构轻量化的技术路线,5.3.1 车身结构轻量化设计特点,轻质车身结构分析系统集成框图,5.3 车身结构轻量化的技术路线,车身轻量化结构设计需要满足车身刚度、模态、碰撞安全性、疲劳寿命和NVH特性等诸多方面的性能要求和相关的法律、法规及标准，结构优化分析是根本手段,5.3 车身结构轻量化的技术路线,5.3.2 车身结构轻量化设计方法,5.3 车身结构轻量化的技术路线,轻量化结构设计就是以强度高、抗振性好、弹性模量高的材料为基础

13、，高强度的连接、优化的部件几何结构为条件，实现车身强度、刚度、稳定性以及振动和声学性能的保证。,5.3 车身结构轻量化的技术路线,5.3.3 结构轻量化的途径,结构轻量化,5.3 车身结构轻量化的技术路线,a）分散型结构(焊接的冲压件) b）混合型结构(金属与复合材料的混合) c）整体型结构(压铸的泡沫铝合金) 应用轻质结构的车门,a）分散型结构（AUDI A2） b）整体型结构（VW LUPO） 应用轻质结构的车身,选择密度较小 力学性能接近于钢材的材料,5.3 车身结构轻量化的技术路线,材料轻量化,5.3 车身结构轻量化的技术路线,目前尚未发现具备所有要求品质的材料,EP-玻璃,EP-聚酰

14、胺,EP-碳纤维,特定的刚度,特定强度,5.3 车身结构轻量化的技术路线,采用材料的轻量化参数为零部件选择最优材料提供有效帮助.综合极限长度和线性应变，可以对不同材料进行轻量化效果分析。,极限长度：体现质量和抗拉强度之间的相互作用。,线性应变：将部件的质量和结构的拉应力变形结合起来。,5.3 车身结构轻量化的技术路线,线性应变,极限长度,极限长度lR/km,线性应变lE/km,5.3 车身结构轻量化的技术路线,典型的基于多种材料设计的车身,宝马6系Coupe的白车身材料成分,5.3 车身结构轻量化的技术路线,合适的材料应用于合适的部位是由零件的特性决定的：要求满足刚度的零件，弹性模量刚性参数和

15、E A或者E I的比例最为关键；要求满足强度的零件，静力学中的ReH或者Rm，或者动力学中的A（耐久性）是具有决定性意义的；要求具有临界损坏值的零件，撕裂阶段中取决于可持续受力值Ni = F(ai)，裂纹扩展阶段中取决于裂纹扩展的速度da/dn = F(Kc)；对于有吸能要求的零件，起决定性作用的是材料变形过程内部吸收的弹/塑性变形能。,5.3 车身结构轻量化的技术路线,5.3.4 结构轻量化的技术难点,5.3 车身结构轻量化的技术路线,轻量化设计的难点真正还在于，它的设计过程的复杂性，以及结构、材料、工艺之间的相关性，只有在三者间找到交集的集合，才能完成轻量化设计。,成本 生产 运营 维护保

16、养 维修 废弃物处理,设计 减法/加法/混合 造型自由度 功能集成（传感器/执行机构） 表面设计,质量 使用寿命 尺寸稳定性/相容性 抗腐蚀性 舒适性（声、视觉、触觉）,制造 批量生产/单件生产 成型加工 连接/分割 表面处理 质保,设计制造过程仿真验证,德累斯顿模型 功能集成的多材料的系统化轻量化设计,迭代的过程,安全 强度 刚度 稳定性 运行强度 冲击/碰撞,环境 环境相容性 能耗 噪音 材料回收利用 生命周期分析,5.4 车身结构轻量化技术经济性分析,5.4 车身结构轻量化技术经济性分析,5.4 车身结构轻量化技术经济性分析,待解决的矛盾：经济性 安全性 负载能力 质量 个性化 成本 多

17、样化 制造,最有智慧的轻量化，是“以合适的价格把合适的材料运用到合适的位置”。轻量化的成本控制中必须解决四大矛盾：经济性与安全性之间、负载能力与重量之间、个性化与成本之间、多样化制造之间的矛盾，最终达到成本利润重量权衡的统一。,绪论,车身用轻质材料,轻质车身结构的成型工艺,轻质车身结构的连接工艺,应用多种材料的轻质车身设计,车门的轻量化设计示例,第六章 车门的轻量化设计示例,车门是车身设计中比较特殊的部件，它在某种程度上说可以独立于车身结构之外，不受整车结构的限制。而它又是车身设计中结构最为复杂的零部件之一，设计要求比较高。故轻质车门设计具有典型性。,6.1 轻质车门方案,6.1.1 一般车门

18、结构,优点：,缺点：,零件少、组装方便； 刚性好、便于设两道密封条。,压床台面和吨位大、造型受限； 刚、强度要求高；难实现轻量化。,内外板结构形式的车门，由薄板冲压的外板和内板翻边焊接或粘结而成 。内板是车门的主要零件，冲有各种形状的窝穴、加强筋和孔洞，以便安装附件。,内、外板式车门,6.1 轻质车门方案,6.1.2 轻量化车门结构,提高刚度，降低厚度,框架式车门,6.1 轻质车门方案,零件数减少、 可采用轻质材料、降低维修费用,模块化车门,从结构上实现车门的轻量化有两种方法：一是降低占车门大部分面积的内板和外板厚度；二是减少车门零件数量。框架式车门带有框架，框架为主要承载件，因此可降低内、外

19、板板厚；模块化车门的零件进行模块化设计和生产，其零件数量可减少。,6.1 轻质车门方案,6.1.3 轻质车门的设计方案,框架式车门,6.1 轻质车门方案,模块化车门,采用高强钢、铝合金，和钢-铝混合等三种材料，及框架式和模块化两种结构形式组成轻质车门的六种设计方案。,6.2 车门设计评价标准,6.2.1 车门结构设计要求,更大的减重空间,车门质量要求,结构性能要求,6.2 车门设计评价标准,评价试验,6.2 车门设计评价标准,车门质量,法规要求,密封要求,结构性能要求,外观要求,防腐要求,通风要求,成本要求,生产技术要求,法规要求,维修技术要求,回收利用要求,结构设计要求,车门作为一个综合的转动部件，和白车身一起构成乘员的生存空间，其应具有足够大的强度、刚度和良好的振动特性，