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行业动态>汽车车身技术的“六脉神剑”

汽车车身技术的“六脉神剑”

  • 中国汽车工业信息网
  • 2021-11-30

        汽车车身技术经过长期的发展和演化,已经形成了一系列的技术成果,并且在量产车型上得到了大范围的应用,实现了更好的安全性和轻量化效果,典型的技术成果包括环状结构车身、碰撞相容性技术、疲劳耐久设计、模拟仿真技术、压铸铝合金应用以及三角结构的应用六种。在已有技术成果的基础上,车身技术在“结构-材料-工艺”三要素螺旋式上升发展的过程中不断实现更高的安全性和轻量化目标。

        2009年,来自奥迪汽车的Dr. Klaus Koglin在“欧洲超轻汽车(Super Light Car)”项目总结会议上提出了关于汽车车身技术的经典的问题:“不同的车身设计是否存在统一的轻量化架构”来实现材料和结构的最佳匹配从而发挥出最佳的性能。这个问题其实引出了汽车车身技术发展中更为普适性的问题:“是否存在共性的车身设计技术来满足不断发展的安全性和轻量化要求”。

       根据近年来汽车车身技术发展应用的成果,我们总结了以下六种车身设计的共性技术。

       01 环状结构车身设计技术

         环状结构特征在飞机和潜水艇的结构设计中是为实现高性能、轻量化和低成本的一种非常直观的体现,而在汽车车身设计中环状结构特征需要汽车工程师进行特征的表达转换。环状结构车身的应用也回答了Dr. Klaus Koglin的问题,环状结构所表征的车身拓扑结构或框架设计能够适应不同的车身材料变化。

        环状结构车身有三个方面的要求,分别是连通性要求、连续性要求以及性能要求。连通性要求指的是车身骨架任意接头为起点,沿着较短路径回到起点,形成一个环状结构特征。环状结构不局限于圆形或者方形,同时可以是平面也可是空间的,只要形成一个封闭的结构就可以具备非常好的整体刚度和变形协调能力,从而实现“防御剑阵”的功效,实现载荷的快速分流。

        连续性要求指的是车身钣金焊接构成的封闭环状结构任意位置都具有一定的封闭或者半封闭截面,避免截面的突变造成刚度的降低,尤其是要考虑环状结构接头和路径连接处,保证在载荷传递方向上截面完全对接。

       如果车身骨架满足环状结构特征,并且每个环状结构都能满足连续性的要求,根据目标选择合适的车身材料,那么白车身结构将会实现理想的车身抗扭、抗弯、抗压和抗变形的能力。

车身上的环按照位置可以分为16个环,如图1所示。

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图 1  车身环状结构分布

        根据环状结构对车身性能的影响,可以将16个环分为四类。分类情况如表1所示。

表1  车身的环状分类

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典型环状结构如图2所示。

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图 2  典型的车身环状结构

        02 碰撞相容性车身设计理念

        碰撞相容性指的是两车发生碰撞时,提升自我保护性能的同时降低对方的伤害。这就对汽车前防撞梁、前纵梁和副驾部分的结构设计和材料选取提出更高的要求,一般在车辆发生正向或偏置碰撞的时候,纵梁、底梁和A柱等结构是碰撞力的主要传递路径。

        以本田思域为例,如图3所示。前纵梁采用多边形结构,使得有效碰撞压溃吸能;B位置的设计可以在偏置碰撞时避免错位,从而起到抵抗和大面积接触作用;C位置采用封闭结构能够有效吸能。

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图3  碰撞相容性结构

         03 车身疲劳耐久设计优化

         车身疲劳耐久设计优化能够有效改善大疲劳应力水平位置,而车身疲劳耐久设计优化不仅是车身铰链的设计,还包括车身疲劳耐久的模拟分析以及焊点的耐久性分析。车身疲劳耐久分析的一般流程如图4所示。

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图4  车身疲劳耐久性设计优化流程

        汽车车身的疲劳主要是高周疲劳,弹性应变会占主导地位,即加载过程中没有出现塑性变形。这样车身连接处的不平滑、焊点及工艺孔都可能成为疲劳破坏的开始点,因此应用疲劳耐久的设计优化方法能够通过优化结构以及确保连接有效性的方式提升车身的性能,同时考虑车身材料的强度也非常有必要,通过提高材料的屈服强度,确保材料屈服应力大于车身最大的疲劳应力。

        04 成型材料数据的模拟仿真技术

       整车性能模拟仿真的准确性的一个重要的影响因素即为输入材料数据的准确性,尤其是对于双相钢(DP钢)和相变诱导塑性钢(TRIP钢)而言。DP钢在加工硬化过程中,材料性能将得到大幅的提高,从而提升车辆的碰撞性能。例如DP钢2%的预应变可以提升40%~50%屈服强度,如图5所示。

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图 5  成形前后材料参数对比

        采用成形后材料数据替代材料的原始曲线数据作为整车性能模拟的输入,可以大幅提升CAE性能分析的准确性,尤其是对汽车整体性能的预测以及局部性能细节的预测。例如对于TRIP钢,在成形过程中发生了奥氏体转变,材料强度明显的提高,在做车身性能分析的时候,如果还采用原始材料数据显然会产生比较大的误差。除了获得成形后材料数据外,还应该使用正确的失效准则应变材料曲线,用失效准则优化焊点模型。

        05 压铸铝合金在车身上的应用

        在车身关键接头位置采用铸造铝合金构件强化设计应该说是车身领域的重大创新,这将能够显著提升NVH、碰撞安全、轻量化性能,同时减少零部件数量和降低成本。以A柱和B柱与门槛强化连接为例,铸造铝合金的使用可以节约6%的零件数量并减重10%,同时实现有效的防水功能,如图6所示。

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图 6  压铸铝合金连接构件的应用

       除了车身连接构件,压铸铝合金也已经在一体式车身上得到应用。特斯拉的一体铸造机的专利应用能够将车身的70多个零件减少到1个部件,大大减少了供应链复杂度,提升了生产效率。

       06 三角结构的应用

       三角结构主要应用在车身地板中,如地板纵梁和横梁中加入三角结构能够抵抗正面碰撞中地板和门槛的剪切破坏以及增加车身的刚度,除了正向碰撞力之外,三角结构在车辆发生侧面碰撞的时候也可以分散B柱和门槛受到的侧向力,如图7所示。

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图7  三角结构在车身中应用示例

       国内轻量化专家陈一龙针对汽车车身设计曾有非常精辟的表述:“结构是龙头,材料是基础,工艺是桥梁”,这也为未来车身技术的发展提供了提纲挈领的指导。在未来车身技术的发展中,将会有更多新材料的出现和成熟,相应地,适配新材料的车身结构和工艺也会不断发展和成熟,从而实现更高的安全性和轻量化目标。