搜索車身輕量化與鋼鋁一體化結(jié)構(gòu)新技術(shù)的研究進(jìn)展
2013-06-10 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
綜述現(xiàn)代車身輕量化技術(shù)的研究進(jìn)展,包括新型鋼板與鋁合金的應(yīng)用、采用框架結(jié)構(gòu)車身、零部件整合與結(jié)構(gòu)優(yōu)化及新的制造工藝與成形技術(shù)等。基于先進(jìn)的車身骨架結(jié)構(gòu)與輕質(zhì)材料相結(jié)合的思想,提出鋼鋁一體化車身框架結(jié)構(gòu)車身。在現(xiàn)有鋼制車身骨架結(jié)構(gòu)上,應(yīng)用部分鋁材替代鋼材,通過合理的結(jié)構(gòu)組合實現(xiàn)一體化承載,充分發(fā)揮鋁合金板材在減重及強(qiáng)度剛度方面的優(yōu)勢,實現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)的整體優(yōu)化。關(guān)鍵技術(shù)包括新的成形工藝技術(shù)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化、連接技術(shù)、電化學(xué)腐蝕問題及基于安全的輕量化車身技術(shù)。
龍江啟 蘭鳳崇 陳吉清 來源:萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字:車身 輕量化 鋼鋁一體化
0 前言
著眼于可持續(xù)發(fā)展,節(jié)約資源、減少環(huán)境污染成為世界汽車工業(yè)界亟待解決的兩大問題。汽車每減重10%,油耗可降低6%~8%。因此減輕汽車重量是節(jié)約能源和提高燃料經(jīng)濟(jì)性的最基本途徑之一。車身質(zhì)量占汽車總質(zhì)量的40%左右,車身的輕量化對于整車的輕量化起著舉足輕重的作用,汽車輕量化正成為21世紀(jì)汽車技術(shù)的前沿和熱點。
實現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)輕量化主要有兩個途徑:一是選用強(qiáng)度更高、重量更輕的新材料,例如鋁合金、高強(qiáng)度鋼材等;二是設(shè)計更合理的車身結(jié)構(gòu),使零部件薄壁化、中空化、小型化、復(fù)合化以及對車身零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)和工藝改進(jìn)等。第一種途徑在目前看來應(yīng)該是車身輕量化的主流,針對規(guī)?；a(chǎn)的需要,已有很多輕質(zhì)材料應(yīng)用于車身制造工業(yè),如高強(qiáng)度鋼、鋁合金和碳纖維等。第二種途徑是利用有限元法和優(yōu)化設(shè)計等方法對車身進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計,以減小車身骨架和車身鋼板的質(zhì)量。
以上兩種途徑是相輔相成的,必須采取材料替換與結(jié)構(gòu)改進(jìn)相結(jié)合的方法,才可能在保證汽車整體質(zhì)量和性能不受影響的前提下,最大限度地減輕各零部件的質(zhì)量。鋼鋁一體化車身框架結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)的車身骨架鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)中,有些構(gòu)件或組件用鋁合金材料代替,且通過優(yōu)化設(shè)計和性能模擬方法確定鋼鋁的不同比例及以鋁代鋼的部位,實現(xiàn)車身框架結(jié)構(gòu)的輕量化和高強(qiáng)度。這種結(jié)構(gòu)是車身輕量化的兩種根本途徑結(jié)合的典型應(yīng)用,完全符合車身輕量化的發(fā)展技術(shù)路線。
1 國內(nèi)外車身輕量化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
1.1 新材料實現(xiàn)車身輕量化
自1973年石油危機(jī)以來,世界各汽車廠在轎車上進(jìn)行輕量化研究的進(jìn)展較為明顯?，F(xiàn)代汽車中占自重90%的6類材料大體為:鋼55%~60%,鑄鐵12%~15%,塑料8%~12%,鋁6%~10%,復(fù)合材料4%,陶瓷及玻璃3%。用新型板材及輕型材料(如鎂、鋁、塑料和復(fù)合材料等)替換車身骨架及內(nèi)、外壁板原有的鋼材來實現(xiàn)輕量化是車身輕量化技術(shù)重要途徑之一,主要體現(xiàn)在以下幾個方面。
1.1.1 新型鋼板
目前諸多的汽車工業(yè)企業(yè)致力于減輕汽車用鋼鐵材料的重量,以期達(dá)到汽車輕量化目的。汽車用鋼逐步向高強(qiáng)度化方向發(fā)展,當(dāng)鋼板厚度分別減少0.05、0.10、0.15mm時,車身減重分別為6%、12%、18%。采用先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼,增加了安全性,降低了噪聲和振動,提高了燃油效率,降低了汽車總質(zhì)量。成本沒有增加,而加速性、駕駛性能卻有所改善。
隨著鋼材品質(zhì)和性能大大提高,預(yù)計到2010年新型鋼材的使用將超過70%。日本三菱公司的帕杰羅(SPORT)為該公司最新的SUV型車設(shè)計了全新的車身結(jié)構(gòu),車身70%的構(gòu)件由高強(qiáng)度鋼板制成,整車的扭轉(zhuǎn)剛度甚至比大切諾基還要高45%,車身的承載能力可達(dá)2t以上。韓國現(xiàn)代公司的Sonata車身結(jié)構(gòu)也用高強(qiáng)度鋼板進(jìn)行了加強(qiáng),橫梁和立柱全部使用800MPa的高強(qiáng)度鋼。奔馳公司在SLK車身骨架中大量使用高強(qiáng)度鋼使扭轉(zhuǎn)剛度增加了70%,安全性大大提高的同時也減少了車身的質(zhì)量。1999年問世的寶馬3系列車身骨架其中使用了50%的高強(qiáng)度鋼。福特的Windstar車身骨架中60%是高強(qiáng)度鋼。豐田最新的車型Vitz的車身結(jié)構(gòu)中高強(qiáng)度鋼占了48%,比該公司生產(chǎn)的Starlet車減輕質(zhì)量17kg。美洲豹X.Type2.5在車身結(jié)構(gòu)上采用了整片式車艙結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了顯著的輕量化效果。
1.1.2 鋁與鋁合金
鋁作為汽車材料有許多優(yōu)點,如在滿足相同力學(xué)性能的條件下,比鋼減少質(zhì)量60%,且易于回收、在碰撞過程中比鋼多吸收50%的能量、無需防銹處理等。比強(qiáng)度和比剛度十分優(yōu)良的鋁金屬基復(fù)合材料的研究開發(fā)成功,為汽車輕量化的進(jìn)一步發(fā)展提供了途徑。據(jù)預(yù)測2008年每輛轎車的平均鋁使用質(zhì)量將進(jìn)一步上升到130kg,與1998年相比增長53%。世界鋁協(xié)會在日前發(fā)表的一項研究報告中宣布,鋁在汽車中的用量已超過(鑄)鐵,成為僅次于鋼的第二大汽車材料。北美、歐洲和日本汽車的單車平均用鋁質(zhì)量如圖1所示,其中北美汽車鋁的應(yīng)用水平最高,乘用車每車平均用鋁質(zhì)量目前已達(dá)145kg,歐洲平均每車用鋁118kg,日本情況與歐洲比較接近。
圖1 北美、歐洲和日本汽車的單車平均用鋁量
1.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化實現(xiàn)車身輕量化
1.2.1 鋁合金車身框架結(jié)構(gòu)
從各國汽車制造商推出的概念車看,在車體結(jié)構(gòu)上大多數(shù)采用無骨架式結(jié)構(gòu)和空間框架式結(jié)構(gòu),而且大多數(shù)以鋁擠壓型材為主。如圖2所示,盡管鋁材的強(qiáng)度和剛度比鋼材小很多,但是通過框架結(jié)構(gòu)設(shè)計及采用更厚的板材,補(bǔ)償了這個不足,使用鋁材后的車身空間框架式結(jié)構(gòu)質(zhì)量下降47%,同時采用改進(jìn)的斷面形式,使車身抗扭抗彎能力增加了13%。
圖2 框架結(jié)構(gòu)圖例
奧迪公司的A2型轎車,采用了全鋁骨架車身和鋁合金蒙皮結(jié)構(gòu),使總質(zhì)量減少到895kg,車身由車身框架、剛性型材、鑄鐵接頭和罩殼板組成,比傳統(tǒng)鋼體車身輕43%,力學(xué)性能提高40%。另外,奧迪A8系列良好的碰撞安全性也是基于它的ASF(鋁合金空間框架結(jié)構(gòu)1車身結(jié)構(gòu)。這種車身采用高強(qiáng)度鋁合金骨架,包圍整個乘員室,就像一個防護(hù)的籠子。寶馬Z8型車也采用了骨架結(jié)構(gòu)和鋁合金蒙皮車身,不僅提高了整車的剛度而且減少了汽車的振動,使z8成為寶馬家族中最受歡迎的一種車型?？梢姴捎娩X合金骨架以及其蒙皮車身在增加整個車身的剛度,提高汽車被動安全性的同時,大大降低了車身的總重量。
但是,由于鋁材料的回彈大且易出現(xiàn)裂紋,使鋁板在沖壓時比鋼板難度大,還沒有大批量完全采用鋁板生產(chǎn)汽車。目前采用全鋁制車身一般是年產(chǎn)量在幾千輛的小批量生產(chǎn)的汽車,大批量生產(chǎn)的中型轎車車身.中鋁結(jié)構(gòu)的比重只占3%~7%。
1.2.2 零部件整合和結(jié)構(gòu)優(yōu)化
整合零部件,減少其數(shù)量也是實現(xiàn)零件結(jié)構(gòu)輕量化的有效途徑。某些車型的車身骨架零件數(shù)已由400個減到了75個,質(zhì)量減輕達(dá)到30%左右。由于減少了零部件之間的連接,車身剛度得以加強(qiáng),在提高車身舒適性的同時,達(dá)到減重的目的。奧迪A6采用了整體式發(fā)動機(jī)罩蓋結(jié)構(gòu)(發(fā)動機(jī)罩蓋與散熱器罩做成了一個整體),由厚度為1.1mm的鋁板制成,在保留了奧迪車造型特征的同時,具有質(zhì)量輕耐腐蝕等優(yōu)點。
結(jié)合有限元法與結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法,對零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,也是實現(xiàn)零部件輕量化的一個重要研究方向。目前結(jié)構(gòu)斷面優(yōu)化的理論和方法已比較成熟,形狀優(yōu)化有了很大發(fā)展,人們已經(jīng)把研究重點轉(zhuǎn)向拓?fù)鋬?yōu)化等更高層次的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題。
結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化研究方法目前有解析方法和數(shù)值方法。解析方法不大適合工程應(yīng)用,工程應(yīng)用中常采用數(shù)值方法。連續(xù)體結(jié)構(gòu)目前已成為結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的主要研究對象。連續(xù)體結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計具有兩個不同的求解體系,國內(nèi)學(xué)者主要研究局部應(yīng)力約束下的強(qiáng)度拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計,而國外學(xué)者主要研究全局體積約束下的剛度拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計。
在汽車輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中已普遍采用拓?fù)鋬?yōu)化的方法。YANG等114J研究了基于有限元軟件MSC/NASTRAN和CSA/NASTRAN的汽車車身、底盤、焊點位置等的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計問題。WANG等利用有限元法與拓?fù)鋬?yōu)化方法對汽車車身的加強(qiáng)筋部分進(jìn)行了優(yōu)化,通過優(yōu)化設(shè)計,在既定成本下汽車車身的整體剛度能夠得到充分的提高。FREDRICSON等對拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計在汽車設(shè)計中的應(yīng)用作了綜述,重點介紹了車身設(shè)計中的拓?fù)鋬?yōu)化進(jìn)展。EOM等117J對車身焊點配置進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化,在確保車身整體剛度要求的情況下,得到焊點最佳位置,使得焊點數(shù)量最少。VOLZ掣紹了在產(chǎn)品開發(fā)的初期應(yīng)用線性拓?fù)鋬?yōu)化及非線性形狀優(yōu)化相結(jié)合研究車身碰撞性能的方法。LYU等應(yīng)用多目標(biāo)遺傳算法的拓?fù)鋬?yōu)化方法研究了鋁合金空間框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化問題。石琴等在結(jié)構(gòu)設(shè)計的開始階段引入拓?fù)鋬?yōu)化理論,先對結(jié)構(gòu)進(jìn)行布局優(yōu)化,以獲得較合理的初始結(jié)構(gòu)方案,再通過結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計,得到滿足其強(qiáng)度和剛度及設(shè)計工藝要求的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。楊樹凱等用變密度法建立了汽車支架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型,利用有限元法進(jìn)行了結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計。王宏雁等采用拓?fù)浞椒▋?yōu)化、改進(jìn)結(jié)構(gòu),并通過有限元結(jié)構(gòu)模擬計算,對汽車發(fā)動機(jī)罩進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。高云凱等把拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計理論引入某電動改裝車的承載式車身設(shè)計,實現(xiàn)了多工況、多狀態(tài)變量條件下的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計,確定了下車身的最佳結(jié)構(gòu)方案。陳茹雯等利用基于有限元法的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)設(shè)計車身大骨架的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),經(jīng)拓?fù)鋬?yōu)化后的車身大骨架各項特性參數(shù)指標(biāo)均有不同程度的提高。
可見,拓?fù)鋬?yōu)化正成為車身輕量化設(shè)計中結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要手段,更廣泛的應(yīng)用還有待進(jìn)一步研究。
1.3 新的制造工藝與成形技術(shù)
在繼續(xù)推進(jìn)汽車輕量化的進(jìn)程中努力開發(fā)新的制造方法,并對傳統(tǒng)的制造工藝與成形技術(shù)進(jìn)行變革,也是汽車車身結(jié)構(gòu)輕量化的研究方向之一。針對目前所開發(fā)的新型材料高強(qiáng)度鋼板、超高強(qiáng)度鋼板、輕金屬材料如鎂鋁合金、塑料以及復(fù)合材料等,新的成形方法主要有拼焊板成形、液壓成形以及針對輕金屬材料開發(fā)的半固態(tài)成形等。國際鋼鐵協(xié)會成立了由18個國家35家鋼鐵公司組織的ULSAB.AVC項目,它通過車輛的整體設(shè)計來實現(xiàn)車身的輕量化,在成形工藝方面,其中有30%以上的零部件采用拼焊板成形,20%以上的部件采用了液壓成形技術(shù)。大力發(fā)展和推廣內(nèi)高壓成形技術(shù)、管件液壓成形技術(shù)和塑料中空成形技術(shù)等新工藝應(yīng)用于車身制造,使車身的一些結(jié)構(gòu)件和附件,通過有效的斷面設(shè)計和合理的壁厚設(shè)計形成復(fù)雜的整體式結(jié)構(gòu),不僅減小了結(jié)構(gòu)質(zhì)量,同時強(qiáng)度、剛度及局部硬度都得到了相應(yīng)的提高,并且具有較強(qiáng)的成形自由性和設(shè)計工作的靈活性。例如本田公司的Insight采用了擠壓成形鋁合金的前縱梁結(jié)構(gòu),其斷面為正六邊形,整個前縱梁結(jié)構(gòu)只需一次擠壓成形,與原鋼結(jié)構(gòu)相比,省去了焊接工藝過程,在保證原有剛度及吸能特性的同時,減重效果達(dá)37%。
制造工藝的改進(jìn)和成形技術(shù)的發(fā)展,促進(jìn)了車身構(gòu)件的大型化以及車身表面平整化,減少了車身結(jié)構(gòu)件的數(shù)量,降低了噪聲與振動,改善了舒適性,提高了車身的剛性,最終實現(xiàn)了車身結(jié)構(gòu)的輕量化。
2 鋼鋁一體化車身框架結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展
鋼鋁一體化車身框架結(jié)構(gòu)是高性能輕質(zhì)材料與優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)相結(jié)合路線的典型應(yīng)用,國外雖然已經(jīng)有少數(shù)公司研究并開始試用這種技術(shù),也僅見2004年寶馬公司推出世界第一個采用創(chuàng)新的鋼鋁混合結(jié)構(gòu)技術(shù)的車身及2006年奧迪公司在其新款TT跑車上應(yīng)用鋼鋁混合車身結(jié)構(gòu)。但是應(yīng)用還處于起步階段,沒有開發(fā)方法、設(shè)計規(guī)范和制造工藝方面的文獻(xiàn)介紹,仍有很多工作迫切需要開展。國內(nèi)尚無人開展這方面的工作,在鋼鋁一體化框架車身的輕量化方向研究方面沒能有自主的創(chuàng)新技術(shù),積極開展該項工作對于提升國內(nèi)汽車自主研發(fā)水平有著極其重要的意義。
2.1 鋼鋁一體化車身框架結(jié)構(gòu)的概況
現(xiàn)代車身輕量化過程中,普遍采用新型材料應(yīng)用與優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)相結(jié)合的技術(shù)方案,應(yīng)用更先進(jìn)的車身骨架結(jié)構(gòu)以及輕質(zhì)材料,使得強(qiáng)度合理分配到車身上,可以實現(xiàn)在既定成本內(nèi),提高整個車身強(qiáng)度剛度的同時,減輕車身的重量。這種思想正逐步為國內(nèi)各開發(fā)人員所接受,如2006年北京車展上,一汽自主研發(fā)的奔騰汽車,在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計上采取了4H車身結(jié)構(gòu),如圖3所示。這種結(jié)構(gòu)雖然為全鋼材料,但在不同部位采用不同強(qiáng)度級別的材料,主要的骨架部分也就是構(gòu)成4H結(jié)構(gòu)形狀的部分采用高強(qiáng)度鋼板,在發(fā)動機(jī)底架、車身的門窗等部分采用更高強(qiáng)度的鋼板,而在正面、后面、側(cè)面等碰撞接觸部位如前后保險杠等部位則采用最高級別強(qiáng)度鋼板,其余部位采用的主要是普通鋼板。
基于類似的思想,鋼鋁一體化車身框架結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)的車身骨架鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)中,有些構(gòu)件或組件用鋁合金材料代替,且可以通過優(yōu)化設(shè)計和性能模擬方法確定鋼鋁的不同比例和以鋁代鋼的部位,實現(xiàn)車身框架結(jié)構(gòu)的輕量化和高強(qiáng)度。鋼鋁一體化結(jié)構(gòu)的設(shè)計及其參數(shù)優(yōu)化對于整車的輕量化起著舉足輕重的作用,同時也對車身和整車的其他性能有重要的影響。如何確定框架結(jié)構(gòu)中哪些部分用鋼、哪些結(jié)構(gòu)用鋁以及它們本身的斷面和板厚等參數(shù)是開發(fā)中的關(guān)鍵。目標(biāo)是降低重量的前提下,提高車身的承載能力。在鋼鋁一體化車身框架結(jié)構(gòu)的開發(fā)過程中,存在著許多問題急待研究解決,比如鋁的成形工藝技術(shù),鋼與鋁的連接方法,電化學(xué)腐蝕問題,基于安全的車身技術(shù)及鋼鋁一體化車身框架結(jié)構(gòu)的開發(fā)方法等。
圖3 奔騰汽車框架圖
2.2 新的成形工藝技術(shù)
現(xiàn)代車身特別是轎車車身的骨架及覆蓋件大都采用冷沖壓成形工藝加工制造。冷沖壓工藝具有生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品互換性好及批量生產(chǎn)成本低等諸多優(yōu)點。但成形過程會導(dǎo)致沖壓件的厚度及力學(xué)性能發(fā)生變化,同時還會引起不同程度的殘余應(yīng)力。這些都會直接影響到車身結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、耐久性等可靠性指標(biāo)。由于這些改變設(shè)計者無法預(yù)測也無法控制。因此,在以往的計算機(jī)輔助工程(Computeraided engineering。CAE)分析中也無法予以考慮,使仿真分析的精度與可靠性都收到一定程度的影響,特別是對車身結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度的影響可能更大。這些方面已經(jīng)有一些研究。1998年菲亞特公司的VALENT等提出了一個改善車身結(jié)構(gòu)分析精度的方法,他們用一個T形鋁合金沖壓件研究了成形過程對其靜強(qiáng)度特性的影響,研究表明,對T形沖壓件而言,不考慮成形引起的厚度減薄將使其彎曲剛度比實測值高10%左右;HUB等的課題組針對成形過程對車身結(jié)構(gòu)件碰撞特性的影響問題進(jìn)行了一系列研究,并用前縱梁、S形梁等典型件進(jìn)行了試驗對比,發(fā)現(xiàn)如果在碰撞模擬中不考慮成形過程的影響可能會引起高達(dá)20%的計算誤差。蘭風(fēng)崇等對汽車覆蓋件的毛坯形狀設(shè)計及沖壓成形的回彈控制問題進(jìn)行了仿真研究,得到了更精確估計拉伸件毛坯尺寸的算法及一套包括前處理和后處理的設(shè)計系統(tǒng),建立了有限元網(wǎng)格節(jié)點列經(jīng)過處理構(gòu)造NURBS標(biāo)準(zhǔn)曲面的方法,板料成形FE中網(wǎng)格大量節(jié)點數(shù)據(jù)重構(gòu)參數(shù)曲面提供了回彈控制、光滑復(fù)雜模具型面重構(gòu)方法。
鋁材料已廣泛應(yīng)用在發(fā)動機(jī)、車門、內(nèi)外發(fā)動機(jī)罩、擋泥板、輪圈、儀表板裝飾及其他零部件上,但在車身制造上還是少見,主要是受到加工技術(shù)和成本的約束。如何從根本上解決鋁合金板成形性能差的問題,從而獲得穩(wěn)定可靠的成形工藝,逐漸成為各汽車制造商和眾多學(xué)者的研究熱點。
鋁合金板本身力學(xué)和力學(xué)性能是決定其可成形性能的根本問題。從前人的大量研究結(jié)果中可以看出,提高鋁合金板的成形溫度,以增強(qiáng)鋁合金板的塑性,改善成形性能,已成為各大汽車制造商和學(xué)者們的共識。另外的一些研究也表明,除了成形溫度外,成形速度(應(yīng)變速率)也會對鋁合金板的可拉深性能產(chǎn)生影響。但是,鋁合金板的成形性能除了受到外在因素(如成形溫度和變形速率等)的影響外,根本上還是取決于鋁合金板本身的性能。因此,眾多學(xué)者對不同鋁合金板的化學(xué)成分、晶粒大小、熱處理方式等對成形性能的影響進(jìn)行了大量的研究,并得出了許多有益的成果。但是,鋁合金板作為一種用于汽車覆蓋件成形的新型材料,其成形工藝所涉及的許多關(guān)鍵技術(shù)還有待于進(jìn)一步研究解決。
2.3 鋼與鋁的連接技術(shù)
車輛的主要承載構(gòu)件多是由空間薄壁梁結(jié)構(gòu)組成。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已很少改變。因此,鋼鋁一體化車身框架結(jié)構(gòu)也不例外地由薄壁梁結(jié)構(gòu)組成。相對而言,輕金屬鋁、鎂和復(fù)合材料對連接技術(shù)的要求較高,而多種材料組合的要求就更高。在復(fù)合材料車體中,多種材料的連接很難由傳統(tǒng)的點焊來完成,為了車身的多方面要求,需采用多種現(xiàn)代連接方法。因此,開發(fā)新的連接技術(shù)是擴(kuò)大鋁合金應(yīng)用的前提,研究鋼與鋁等不同材質(zhì)零件之間的連接技術(shù)是鋼鋁一體化車身框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)。
車身的連接技術(shù)一般為焊接、粘接、機(jī)械連接(包括鉚接)。在鋼鋁一體化車身框架結(jié)構(gòu)中,鋼與鋁的連接機(jī)理研究將圍繞這三種連接形式展開。
焊接的種類比較多,目前常用的主要有電阻點焊、電弧焊、激光焊、攪拌摩擦焊和等離子電弧焊等。對于鋁及鋁合金的連接,這些焊接方法都各有其優(yōu)缺點,沒有哪種焊接方法是完美無缺的,尤其是鋼與鋁之間的連接,正成為研究的熱點。傳統(tǒng)的汽車車身沖壓件的材料大都是具有良好焊接性能的低碳鋼,焊接是應(yīng)用最廣泛的連接方式,其中電阻點焊又占據(jù)了焊接工作量的70%以上,有的車身幾乎全部采用電阻點焊。因此,在研究鋼與鋁的連接技術(shù)時,首先從電阻點焊的連接性能開始研究。點焊接頭的種類有很多種,但是在設(shè)計汽車車身電阻點焊工藝時,根據(jù)需要常采用三種接頭形式,即搭接、折邊、搭折,如圖4所示。在建立精確的CAE仿真分析模型時將分別對這幾種接頭形式進(jìn)行建模分析與試驗研究。
圖4 點焊接頭形式示意圖
粘接連接的優(yōu)點已經(jīng)為多數(shù)汽車生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)的許多產(chǎn)品所證明,如美洲豹XJ220、福特AIV、羅孚ECV3、Lotus Elise及本田NSX等。由于粘接采用面接觸而非點接觸,與點焊及鉚接相比,有改善連接剛度與強(qiáng)度,減少應(yīng)力集中,提高密封性,減少受潮及臟物等進(jìn)入,通過接合處的合理設(shè)計能很好地吸收能量,對起到減少振動與降低噪聲的效果等優(yōu)點。但是,異種金屬粘接的強(qiáng)度、剛度、疲勞度和可靠性等都是通過試驗驗證,數(shù)值規(guī)律研究及粘接連接CAE分析模型,未見報道。研究探索鋼與鋁的連接時,粘接也是重點研究的形式,粘接連接的5種基本承載情況如圖5所示,在考慮粘接連接時,將圍繞這5種加載情況進(jìn)行CAE分析及試驗研究。
圖5 粘接連接的5種基本承載情況
機(jī)械連接也是車身連接技術(shù)中常用的方法,對于鋁合金車身連接裝配時常采用技術(shù)被稱為自沖鉚,是一種冷壓成形鉚接方法,圖6為自沖鉚基本過程示意圖降1。與電阻點焊相比,具有成本低、強(qiáng)度高、質(zhì)量可靠等優(yōu)點。因而能夠用于輕質(zhì)車身特別是鋁合金車身的制造,如奧迪A8、美洲豹XJ8等,是鋁合金車身連接裝配的主要方法。但是這種自沖鉚連接的效率、質(zhì)量控制、強(qiáng)度剛度及可靠性分析等都還沒有理論支持。
圖6 自沖鉚基本過程示意圖
此外,還有一些擴(kuò)散連接技術(shù)也常被用于異種金屬之間的連接[431。由于鋼與鋁的連接技術(shù)尚屬起步階段,還沒有形成成熟理論與技術(shù)工藝,因此鋼鋁連接機(jī)理與技術(shù)的研究對開發(fā)鋼鋁一體化框架結(jié)構(gòu)車身具有重大意義。
2.4 電化學(xué)腐蝕問題
由于鋼和鋁具有不同的電化學(xué)效能,鋼、鋁間的電極電位相差較大,且鋁的電極電位更負(fù),因此兩者混合連接時可能發(fā)生嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕:電偶腐蝕、縫隙腐蝕、絲狀腐蝕、膏狀腐蝕、晶間腐蝕及應(yīng)力腐蝕。鋼鋁一體化車身結(jié)構(gòu)如果采用鉚接工藝,車身的電化學(xué)腐蝕比全鋼焊接車身更為嚴(yán)重。相比而言,影響最大的腐蝕形式為電偶腐蝕、縫隙腐蝕以及沖擊腐蝕。
針對鋼鋁一體化車身結(jié)構(gòu)的腐蝕特點,在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時,應(yīng)在既定成本內(nèi),從以下幾個方面綜合考慮:選擇耐腐蝕性好的鋼板、選擇合適的連接方式、對緊固件及標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行防腐處理、選擇合適的涂裝工藝。通過合理的防腐設(shè)計,保證鋼鋁一體化框架結(jié)構(gòu)車身開發(fā)的順利進(jìn)行。
2.5 基于安全的輕量化車身技術(shù)
輕量化必須以保證車輛的安全性為最基本的前提,應(yīng)該通過車身結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、制造工藝的優(yōu)化來取得。采用更先進(jìn)的車身骨架結(jié)構(gòu)以及輕質(zhì)材料16J,使得強(qiáng)度合理分配到車身上,可以在提高整個車身強(qiáng)度剛度的同時,減輕車身的重量。
車身結(jié)構(gòu)設(shè)計必須具備如下功能:車輛發(fā)生碰撞時,其碰撞能量必須能被車身結(jié)構(gòu)的指定部位吸收,從而保證碰撞后車身座艙的生存空間。減少碰撞造成的乘員傷害,防止由于碰撞作用導(dǎo)致的乘員與室內(nèi)部件的撞擊,必須利用車身結(jié)構(gòu)的變形來吸收碰撞能量,從而盡可能緩和吸收車輛及乘員的運(yùn)動能量。車身輕量化不能盲目地減重,應(yīng)在保證汽車整體質(zhì)量和性能不受影響的前提下,最大限度地減輕各零部件的質(zhì)量。通過對車輛碰撞時的減速度、車身伸縮變形長度和狀態(tài)、碰撞力吸收能狀況等重要指標(biāo)的分析對比,評價輕量化方案的可行性。評價車身輕量化的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還包括空氣動力學(xué)性能、減振降噪舒適性、可制造性及零件的合理布局等方面的指標(biāo)。
2.6 鋼鋁一體化車身框架結(jié)構(gòu)開發(fā)方法的形成
鋼鋁一體化車身是在傳統(tǒng)的車身骨架鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)中,有些構(gòu)件或組件用鋁合金材料代替,且可以通過優(yōu)化設(shè)計和性能模擬方法確定鋼鋁的不同比例和以鋁代鋼的部位,實現(xiàn)車身框架結(jié)構(gòu)的輕量化和高強(qiáng)度。但是具體在哪部分零件,哪些部位換成鋁,換成鋁后的車身強(qiáng)度、剛度及動態(tài)特性結(jié)果如何,將是鋼鋁一體化車身框架結(jié)構(gòu)的開發(fā)方法形成的關(guān)鍵。不同的鋼鋁比例,不同的鋼鋁部位,不同的連接方法,不同的斷面結(jié)構(gòu)等都將影響車身的整體性能,因此采取先通過計算機(jī)精確的CAE分析,排列組合出各種不同情況進(jìn)行分析,得出大量數(shù)據(jù),從中選取在既定成本內(nèi)減重最明顯、性能最可靠的方案進(jìn)行制作實物模型,然后建立對其進(jìn)行試驗分析的技術(shù)路線。建立精確的CAE分析模型的技術(shù)路線如圖7所示。
圖7 建立鋼鋁一體化車身框架結(jié)構(gòu)CAE精確模型流程圖
完成初步實物試驗后,得出改進(jìn)方案,對結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),再進(jìn)行CAE分析及試驗,直到得到滿意的結(jié)果。在這種設(shè)計開發(fā)及研究的過程中,形成相對完善的鋼鋁一體化車身框架結(jié)構(gòu)的開發(fā)方法與規(guī)范。
3 結(jié)論
綜合國內(nèi)外已經(jīng)開展的研究,足見汽車車身結(jié)構(gòu)輕量化的理論研究和實際應(yīng)用都取得了重要的進(jìn)展。
(1)車身骨架在保證強(qiáng)度、剛度和吸能安全性的基礎(chǔ)上,通過使用高強(qiáng)度鋼板或部分采用高強(qiáng)度鋼構(gòu)成組合式車身骨架已經(jīng)成為當(dāng)代汽車車身設(shè)計時的必備技術(shù)。
(2)車身覆蓋件零件中已經(jīng)開始采用普通鋼板以外的新型材料,如高強(qiáng)度鋼板、不等厚拼焊鋼板、夾層鋼板等,收到了減重和提高強(qiáng)度的雙重效果。大量的研究成果已經(jīng)逐步地得到應(yīng)用。
(3)鋁制零件在車身結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用是未來汽車輕量化的重要方向。其中,鋼鋁一體化框架結(jié)構(gòu),更有利用實現(xiàn)車架的不同強(qiáng)度和剛度梯度要求,設(shè)計出吸能要求合理的安全車身框架,是具有重要理論研究和應(yīng)用前景的新結(jié)構(gòu)理念。
(4)各種不同材料的力學(xué)性能、連接技術(shù)及成形規(guī)律的研究還很欠缺,致使車身新型結(jié)構(gòu)開發(fā)、材料選用以及CAE工作尚待完善。
當(dāng)前最迫切的研究工作應(yīng)該圍繞以下幾方面。
(1)開展關(guān)于鋼鋁一體化框架結(jié)構(gòu)車身關(guān)鍵技術(shù)的研究,包括鋼與鋁的連接技術(shù),鋁的成形技術(shù),鋼與鋁組合的電化學(xué)腐蝕問題等。
(2)開展關(guān)于鋼鋁一體化框架結(jié)構(gòu)車身設(shè)計和分析方法的研究,逐步建立鋼鋁聯(lián)合框架結(jié)構(gòu)的開發(fā)規(guī)范。
(3)在此基礎(chǔ)上逐步推進(jìn)鋼鋁一體化框架結(jié)構(gòu)車身在企業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用,首先嘗試在小批量生產(chǎn)中加以采用,以考驗這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計與分析方法以及實際應(yīng)用效果。不斷積累鋁合金材料在車身結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用的經(jīng)驗,同時也為其他輕質(zhì)材料如鎂合金、碳纖維及其塑料的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
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