某車型鋼板用材逆向分析

田少凱，任曉輝，盧曉薇，劉浩

（長城汽車股份有限公司，河北省汽車工程技術研究中心，河北 保定 071100）

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某車型鋼板用材逆向分析

田少凱，任曉輝，盧曉薇，劉浩

（長城汽車股份有限公司，河北省汽車工程技術研究中心，河北 保定 071100）

摘 要：解析某日本品牌皮卡車身、車架鋼板材質，分析其安全結構件用材、主要零部件材質及各種強度鋼板應用比例；簡述車型開發(fā)鋼板用材規(guī)劃。

關鍵詞：鋼板；逆向分析；車型開發(fā)；用材規(guī)劃

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.015

CLC NO.: U465.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-46-03

前言

中國汽車工業(yè)發(fā)展迅速，國內自主品牌在車輛安全性能、整車輕量化性能及抗腐蝕性能與國外品牌、合資品牌仍存在較大差距；通過提升車輛鋼板用材選用水平是縮小上述差距的重要手段。目前，各汽車生產廠商通常采用逆向設計與正向設計相結合的方法進行車身、車架設計，逆向設計即對標桿車進行分析，標桿車型的分析一般包括車型的結構、工藝、用材的特點，取其優(yōu)點去其不足，為新車型的開發(fā)提供技術支持[1]。本文通過逆向分析，解析某日本品牌皮卡車型（下文統(tǒng)稱為某車型）車身、車架鋼板材質，根據(jù)其用材特點制定車型開發(fā)鋼板用材規(guī)劃，為車型開發(fā)選材提供依據(jù)，提升整車性能。

1、分析思路

標桿車逆向分析工作通常在整車開發(fā)概念階段進行，首先對標桿車進行整車性能動態(tài)測試，其次對重點零部件進行測試，同時根據(jù)開發(fā)需要進行搭載試驗等。標桿車整車及零部件性能測試完畢后對車輛進行拆解分析。本文重點講述車身、車架的鋼板材質逆向分析。

首先對標桿車進行拆解、取樣，拆解過程應盡可能將車身、車架分解至最小零部件單元，對拆解零部件進行牌照、編號及記錄，以便于后期取樣測試；針對左、右對稱零部件取一側進行分析即可。為保證分析結果準確，通常需對樣品厚度、化學成分、硬度、拉伸性能及鍍層種類進行測量、分析，厚度測量結果用于輔助確定零部件厚度。由于國內外鋼板標準存在差異，需要將分析結果對應國內標準牌號及鋼板應用情況進行對照，確定“標桿車鋼板用材清單”。標桿車用材清單在車型開發(fā)過程中不斷優(yōu)化，在完成零部件數(shù)模工藝數(shù)據(jù)后經工藝、設計分化部門對整車及零部件性能進行CAE、SE、網格應變等分析，根據(jù)工藝數(shù)據(jù)分析結果進行優(yōu)化鋼板選材清單，形成第一版“車型開發(fā)鋼板選材清單”，后期隨零部件數(shù)模完善及凍結過程對選材清單進行不斷完善，最終確定“車型開發(fā)鋼板用材清單”。

1.1 逆向分析

1.1.1 厚度測量及取樣

1）厚度測量

測量工具：超聲波測厚儀（未拆解零部件）、游標卡尺；

測量方法：測量三次取平均值。

2）取樣尺寸及數(shù)量：拉伸試驗150mm*50mm*3，成分分析40mm*40mm*1，硬度測試40mm*40mm*1，拉伸試驗取樣數(shù)量可根據(jù)零件大小適當增加或減少；

3）取樣工具：角磨機、馬刀鋸等；

4）拉伸試驗取樣注意事項：取樣位置盡可能平整、遠離制件邊緣。

1.1.2 試驗分析

1）成分分析

普通鋼板成分檢測結果共分為兩大類，對應材料標準中化學成分，結合硬度、拉伸試驗結果確定材料牌號，具體如下：

a）C、Si、Mn及其它合金元素含量都比較低，初步判斷為普通碳素鋼，即DC01、DC03系列， C＜0.008判斷為IF鋼。

b）當Si＜1.0，Mn＞1.0其它合金元素較低判定為DP鋼。

1.1.3 成分分析，測試208個樣件，初步確定共有31個DP鋼，占總數(shù)的14.9%

2）硬度分析

所測量硬度值根據(jù)GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強度換算值》換算成抗拉強度，結合成分分析結果確認零部件材質牌號；因為材料產生加工硬化的原因由硬度值換算出的抗拉強度值可能比實測值偏高。

1.1.4 硬度試驗分析結果見表1

表1　車身、車架硬度分析結果

3）拉伸分析

根據(jù)拉伸試驗測試結果，對應相應材料標準，確定材料牌號；由于零件加工過程中發(fā)生變形，所取試樣測試的屈服強度結果較實際結果偏高。

1.1.5 拉伸試驗分析結果見表2

4）鍍層分析

通過進行掃描電鏡X射線能譜定量分析確定制件是否為鍍鋅板，通過掃描電鏡觀察零部件截面狀態(tài)確定鋅層厚度。

鍍層分析，測試208個樣件，鍍鋅板比例為89.4%，鍍鋅類型為熱鍍鋅鐵合金，鋅層厚度在（7-10）μm之間，鋅層重量大約為（50-70）g/m2。

2、標桿車用材分析

在汽車鋼板為主導材料的車型中，使用的汽車板主要分為軟鋼（Mild Steel）、高強鋼（HSS：HSIF、BH和HSLA）、先進高強鋼（AHSS：DP、TRIP）、超高強鋼（UHSS：CP、MS）、熱成形用鋼（PHS）和不銹鋼[2]；汽車用鋼板部件大致分為面板部件、結構部件、行走部件及增強部件，這些部件對應不同的用途要求，具有不同的性能。[3]汽車行業(yè)通常依據(jù)鋼板種類、強度比例及應用部位對車型用材進行評價。

2.1 安全結構件用材分析

車身及車架安全區(qū)域按照碰撞過程中變形情況分為前潰縮區(qū)、安全區(qū)、后潰縮區(qū)，車輛發(fā)生側碰是各區(qū)域受力傳遞，如圖1所示。

1）前潰縮區(qū)：為了減少碰撞過程中能量向乘員艙的傳遞，前潰縮區(qū)防撞梁等零部件采用了強度較高、吸能效果好的普通高強鋼340LA、SAPH440等牌號鋼種；車架縱梁前段內外板等安全結構件選用了強度很高的熱軋大梁鋼板，如610L等牌號鋼種，在保證吸能效果的同時，也達到了提高剛度的目的。

2）安全區(qū)：為了保證駕駛員及乘客的人身安全，此區(qū)域要求在碰撞過程中變形達到最小，因此對車體剛度要求很高。對于非承載式車身，車架為主要的受力和傳遞載荷部件，此區(qū)域選用了強度很高的熱軋大梁鋼板，如：610L等牌號鋼種；同時，B柱加強板、下邊梁等受力部件也采用強度較高的雙相鋼，保證了車體剛度。

3）后潰縮區(qū)：此區(qū)域主要為車架后縱梁等安全結構件，其用材情況與前潰縮區(qū)基本相同，如車架縱梁后段內外板、第六橫梁等部位都選用了較高強度的熱軋結構鋼，既保證了吸能效果，同時保證了車架整體剛度的平衡。

2.2 分析結論

1）本次共測試222個零部件，其中車身154個，車架68個，各種材質鋼種所占零部件比例如圖2，車身高強鋼（加磷鋼、低合金高強鋼、雙相鋼、馬氏體鋼）應用比例33.1% ，車架抗拉強度在400MPa以上（低合金高強鋼、雙相鋼、結構用熱軋鋼板）的鋼種應用比例92.7%。

圖2　車身、車架零部件用材比例

表3　車型開發(fā)鋼板用材規(guī)劃

2）車身車門加強板、C柱上加強板、部分地板橫縱梁及其加強板等采用了強度較高加磷鋼及低合金高強鋼，兩者比例分別為7.8%和4.5%；車架前防撞梁內板等采用低合金高強鋼，比例為1.5%。

3）車身頂蓋橫梁、部分地板橫縱梁、B柱加強板、前門車門防撞梁等安全結構件應用強度很高的雙相鋼，比例達到19.5%；車架縱梁前段內板左加強板等也采用強度很高的雙相鋼，比例達到1.5%。

4）車身左后門防撞梁等零部件采用了強度極高的馬氏體鋼，提高了安全性能，其馬氏體鋼應用比例為1.3%。

5）大量采用鍍鋅鋼板，鍍鋅板所占零部件比例在89%左右，提高了車身抗腐蝕能力。

3、車型開發(fā)鋼板用材規(guī)劃

為保證車輛安全性能，汽車板選材遵循以下原則，一是在駕駛員艙（如圖1中安全區(qū)）選擇強度相對較高的汽車板，選用600MPa、800MPa或更高的高強度鋼板，以便支持剛性駕駛艙的安全結構；二是在車型前部和后部（如圖1中前、后潰縮區(qū)）適當選用相對駕駛員艙強度較低材料，以便在正碰和后碰過程中發(fā)生變形產生吸能作用，減少對駕乘人員的傷害。

3.1 用材規(guī)劃

1）鋼板強度規(guī)劃

參考標桿車用材信息，考慮安全、輕量化、成本、平臺化等因素規(guī)劃不同級別鋼板應用部位及比例，車型開發(fā)用材規(guī)劃見表3。

2）鍍鋅板規(guī)劃

車門、車箱蓋板、頂蓋、底板等使用鍍鋅板, 規(guī)劃應用比例65%，提升整車耐腐蝕能力。

4、結語

標桿車逆向分析是一種簡單有效的設計方法，通過測量、桿分析得出標車車身、車架主要零部件用材料信息，用于指導零部件選材，保證車輛安全性、提升耐腐蝕能力，進而提升整車性能。

參考文獻

[1] 張建,等.從汽車車身進步看汽車板及深加工技術的發(fā)展[C].2014年全國鋼材深加工研討會論文集,2014.129-134.

[2] 李紅,等.基于逆向分析的變速器上安裝橫梁零件材料選擇[J].汽車工藝與材料，2013，(2)：56-58.

[3] 辛欣.國內汽車用剛強度鋼板的應用[J].汽車工程師,2011,(10)：58-60.

[4] GB/T 1172—1999黑色金屬硬度及強度換算值[ S].

A car plate material reverse analysis

Tian Shaokai, Ren Xiaohui, Lu Xiaowei, Liu Hao ( Great Wall motor Co., Ltd., automotive engineering technology research center in Hebei province, Hebei Baoding 071100 )

Abstract:Parsing a Japanese brand truck body, frame, steel material, analyzes its security structure material, main components and various strength steel sheet application proportion; Description model development plate material planning.

Keywords:Steel plate; Reverse analysis; Model development; Material planning

作者簡介：田少凱，大專、助理工程師，就職于長城汽車股份有限公司。

中圖分類號：U465.3

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)03-46-03