基于Benchmark的白車身材料解析規(guī)范與替代方法研究

王立新，劉雪峰，康醫(yī)飛

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

引言

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，競(jìng)品車解析已成為了解行業(yè)現(xiàn)狀、掌握技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的主要手段[1]。通過(guò)正向與逆向設(shè)計(jì)相結(jié)合的手段進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)技術(shù)快速積累，縮短開發(fā)周期[2]。競(jìng)品材料解析是打破競(jìng)品分析中尺寸、結(jié)構(gòu)分析的局限，是競(jìng)品車深層次的分析，材料解析獲得的材料信息和性能數(shù)據(jù)，為整車新技術(shù)、新工藝以及輕量化的研究提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)也為正向設(shè)計(jì)提供專業(yè)的技術(shù)支持，能夠降低產(chǎn)品的研發(fā)成本，加快新技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用進(jìn)度，從根本上提升行業(yè)水平和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力[3]。

我國(guó)自主品牌整車開發(fā)技術(shù)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，在碰撞安全、NVH、輕量化及腐蝕等技術(shù)仍有較大的提升空間。提高車輛用材水平是縮小技術(shù)差距的重要手段，自主品牌在材料解析雖然有一些數(shù)據(jù)積累，但在解析過(guò)程中仍存在以下問(wèn)題：

1）競(jìng)品材料解析技術(shù)能力不足，流程體系不完善。

材料逆向是一項(xiàng)復(fù)雜的解析工程，我國(guó)汽車材料基礎(chǔ)研究起步較晚，逆向解析能力相對(duì)不足，難以支撐深入研究。此外，從整車解析流程到材料的取樣、制樣及評(píng)價(jià)，行業(yè)仍未形成統(tǒng)一的規(guī)范流程，亟需建立。

2）解析成本高，限制研究的廣度和深度。

競(jìng)品車解析不僅需要購(gòu)置競(jìng)品車，還需要投入大量的人力、物力、財(cái)力和時(shí)間成本進(jìn)行解析，投入產(chǎn)出比相對(duì)不高。經(jīng)費(fèi)限制只能將解析工作局限于小范圍車型，此外，數(shù)據(jù)分析管理經(jīng)驗(yàn)不足，也難以支撐企業(yè)開展深入研究。

3）缺少行業(yè)大數(shù)據(jù)的對(duì)標(biāo)分析等問(wèn)題。

無(wú)行業(yè)平臺(tái)資源及大數(shù)據(jù)的分析比對(duì)能力，行業(yè)信息及技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)獲取相對(duì)滯后。

本文基于競(jìng)品車白車身解析，編制適用于我國(guó)汽車行業(yè)的白車身材料競(jìng)標(biāo)分析基礎(chǔ)信息采集規(guī)范和性能測(cè)試規(guī)范。從材料成分、組織和性能逆向解析金屬材料，確定逆向分析應(yīng)參考的關(guān)鍵要素及影響裕度，從而建立科學(xué)適用的競(jìng)品車白車身近似材料替代的推薦工具，根據(jù)其用材特點(diǎn)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 競(jìng)品材料解析流程與規(guī)范研究

競(jìng)標(biāo)規(guī)范建立是材料競(jìng)標(biāo)工作開展的基礎(chǔ)，是競(jìng)品解析規(guī)范化、數(shù)據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)化的重要保證。為規(guī)范和明確白車身競(jìng)品材料解析流程和內(nèi)容，通過(guò)對(duì)標(biāo)國(guó)內(nèi)外優(yōu)秀企業(yè)材料競(jìng)標(biāo)規(guī)范、材料及零件性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，制定符合國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)現(xiàn)狀的規(guī)范體系。

1.1 競(jìng)品材料解析流程規(guī)范

圖1 競(jìng)品材料解析整體流程

競(jìng)品材料解析流程規(guī)定解析相關(guān)要求、職責(zé)權(quán)限、操作流程等，是提升工作效率和解析準(zhǔn)確性的重要前提。白車身材料解析整體流程如下圖1所示。

1.2 競(jìng)品材料基礎(chǔ)信息采集規(guī)范研究

1.2.1 零部件基礎(chǔ)信息采集

競(jìng)品材料基礎(chǔ)信息采集規(guī)范涵蓋解析零部件范圍、信息采集內(nèi)容和數(shù)據(jù)管理的要求。綜合參考行業(yè)一般采集經(jīng)驗(yàn)，明確采集內(nèi)容和數(shù)據(jù)信息，為企業(yè)產(chǎn)品性能設(shè)計(jì)和材料選擇提供重要的信息參考。車身系統(tǒng)解析重要零部件如下表1所示，涵蓋白車身所有重要的安全部件。

表1 車身系統(tǒng)解析零部件名稱

競(jìng)品車拆解過(guò)程中應(yīng)按照“整車-系統(tǒng)-零部件-材料”的方式對(duì)整車進(jìn)行拆解，盡可能將白車身分解至最小零部件單元，對(duì)零部件總成和子零件進(jìn)行編號(hào)和記錄。以圖片方式記錄整車原始狀態(tài)、拆解過(guò)程、零部件狀態(tài)信息，每個(gè)零件至少有兩張不同角度的拍攝圖片。零部件重量、尺寸等測(cè)量應(yīng)選取合適量程的設(shè)備，多次測(cè)量取平均值。根據(jù)零部件結(jié)構(gòu)形式以及材質(zhì)信息，判定零部件的工藝信息，包括成型工藝、連接工藝等。

表2 零部件成型工藝、連接工藝規(guī)范示例

1.2.2 輕量化信息采集

白車身作為汽車輕量化設(shè)計(jì)中最為重要的環(huán)節(jié)之一，其輕量化設(shè)計(jì)方法受到廣泛關(guān)注，具有重要研究意義。競(jìng)標(biāo)車輕量化信息采集主要針對(duì)白車身零部件的輕量化結(jié)構(gòu)、材料和工藝，參照基本信息采集方法進(jìn)行詳細(xì)的記錄，并通過(guò)車四輪投影面積以及白車身扭轉(zhuǎn)剛度的測(cè)量，計(jì)算白車身的輕量化系數(shù)。車身輕量化系數(shù)越小說(shuō)明單位性能指標(biāo)付出的重量成本越低，其定義為：

其中L為車身輕量化系數(shù)，m為白車身骨架質(zhì)量(kg)，CT為車身靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度（N·m/deg），A是由軸距、輪距決定的車身投影面積（m2）。

圖2為歐洲車身會(huì)議歷年轎車車身輕量化系數(shù)變化趨勢(shì)圖[4]，從圖中看出車身輕量化系數(shù)變化趨勢(shì)總體上是遞減的，由于每年參展車型各有差異，所以結(jié)果上輕量化系數(shù)變化趨勢(shì)并非逐年遞減，但是總體趨勢(shì)是下降的。競(jìng)品車車身輕量化系數(shù)求解之后可與行業(yè)平均值對(duì)比，評(píng)估白車身輕量化的定位，進(jìn)而指導(dǎo)制定輕量化策略。

圖2 歐洲車身會(huì)議歷年轎車車身輕量化系數(shù)變化趨勢(shì)

1.2.3 數(shù)據(jù)信息記錄

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集后，經(jīng)過(guò)詳細(xì)審核和確認(rèn)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于競(jìng)品材料數(shù)據(jù)庫(kù)中。

表3 白車身競(jìng)品材料基礎(chǔ)信息采集表

1.3 競(jìng)品材料性能測(cè)試規(guī)范研究

競(jìng)品車材料解析是汽車產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中非常重要的環(huán)節(jié)，通過(guò)逆向判定競(jìng)品車用材，為新車型開發(fā)提供技術(shù)支撐。為保證判定結(jié)果準(zhǔn)確性，競(jìng)品車白車身材料解析過(guò)程中，需要經(jīng)過(guò)車身材料一系列試驗(yàn)進(jìn)行牌號(hào)的判定。本文通過(guò)構(gòu)建化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織、硬度四種測(cè)試方法的取樣、制樣與測(cè)試規(guī)范，綜合考慮取樣位置、取樣方法和樣料尺寸對(duì)測(cè)試結(jié)果影響，保證測(cè)試和判定結(jié)果精度。

圖3 零部件取樣位置

1.3.1 化學(xué)成分分析

首先通過(guò)手持式 XRF設(shè)備對(duì)金屬材料類別和成分進(jìn)行初步判定。在定性分析基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)零部件材料進(jìn)行化學(xué)分析，按照GB/T 20066《鋼和鐵化學(xué)成分測(cè)定用試樣的取樣》進(jìn)行零部件的取樣與制樣，參照GB/T223系列標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于鋼中化學(xué)元素的測(cè)定方法進(jìn)行材料的測(cè)試，主要分析元素C、Si、Mn、P、S、V、Cr、Ni、Mo、Als、Ti、Nb、B、N 等。

1.3.2力學(xué)性能分析

金屬材料取樣及制樣方法，按照GB-T2975 《鋼材力學(xué)性能及工藝性能試驗(yàn)取樣規(guī)定》進(jìn)行，硬度測(cè)試采用宏觀維氏硬度計(jì)，依據(jù) GB/T4342-1991《金屬顯微維氏硬度試驗(yàn)方法》進(jìn)行。拉伸試驗(yàn)按照GB/T228《金屬材料室內(nèi)拉伸試驗(yàn)方法》，采用萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，準(zhǔn)靜態(tài)拉伸推薦試驗(yàn)尺寸如下圖4所示，由于板材的規(guī)格多種多樣，盡量選取相同的樣件尺寸進(jìn)行測(cè)試。由于零件加工過(guò)程中發(fā)生變形，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量的材料屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率與原材料相比結(jié)果偏高。

圖4 靜態(tài)試驗(yàn)推薦尺寸

1.3.3 金相分析

金屬材料金相測(cè)試取樣及制樣方法，滿足 GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》的相關(guān)要求，金屬材料金相組織測(cè)試方法，按照GB13298《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》進(jìn)行。汽車板材常見的組織如下圖5所示。

圖5 汽車板常見組織類型

綜合材料化學(xué)成分、力學(xué)性能和金相組織測(cè)試結(jié)果，考慮零部件試樣成形過(guò)程中的硬化影響，依據(jù)材料力學(xué)中卸載定律與冷作硬化原理，判斷測(cè)試結(jié)果與原材料測(cè)試結(jié)果差異。利用車用材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)（AMASS）的材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為材料牌號(hào)的確定提供依據(jù)，進(jìn)一步確定未知材料的牌號(hào)。

2 近似材料替代系統(tǒng)工具開發(fā)

汽車零部件選材時(shí)，材料性能應(yīng)滿足零部件的適應(yīng)性的工作條件，有良好的加工工藝性與經(jīng)濟(jì)性，保障產(chǎn)品的綠色環(huán)保。競(jìng)品材料逆向解析需要依靠大量的試驗(yàn)測(cè)試和技術(shù)判別，尤其分析的部件都是經(jīng)過(guò)加工變形，測(cè)試的結(jié)果與原材料的性能具有一定的差別，所以逆向解析結(jié)果往往只為選材提供參考。競(jìng)品車材料涉及范圍廣、精確定位某一供應(yīng)商材料難度大。基于車用材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)（簡(jiǎn)稱 AMASS）開發(fā)材料替代系統(tǒng)工具，依據(jù)逆向解析結(jié)果推薦企業(yè)認(rèn)可的替代材料，對(duì)于整車選材設(shè)計(jì)具有重要的意義。

圖6 化學(xué)成分的條件檢索界面

圖7 檢索結(jié)果中不同材料牌號(hào)的物化性能對(duì)比

材料替代系統(tǒng)工具能夠依據(jù)指定的單一或多個(gè)關(guān)鍵性能數(shù)參數(shù)，創(chuàng)建近似材料推薦清單，以供企業(yè)初步選材使用。首先根據(jù)競(jìng)品車材料測(cè)試的化學(xué)成分、力學(xué)性能和金相組織數(shù)據(jù)，選擇限制條件進(jìn)行近似材料檢索，檢索過(guò)程中參數(shù)值盡量選擇合理的范圍區(qū)間，如下圖6為化學(xué)成分的條件檢索界面。在檢索結(jié)果中可以查看更為全面的材料信息，包括供應(yīng)商信息、應(yīng)用部件、材料的物化性能、力學(xué)性能、環(huán)保性能等信息。同時(shí)工具支持不同材料牌號(hào)的力學(xué)、物化、工藝、環(huán)保等性能的對(duì)比，如圖7所示。企業(yè)綜合材料各項(xiàng)性能指標(biāo)，結(jié)合材料的應(yīng)用部件特征選擇合適的材料用于整車開發(fā)。

3 結(jié)論

材料逆向解析是一項(xiàng)集技術(shù)性、開拓性和綜合性于一體的系統(tǒng)工程[5]，需要綜合材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織、硬度等材料性能，通過(guò)解析規(guī)范和替代工具開發(fā)解決行業(yè)競(jìng)品解析準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)對(duì)標(biāo)分析能力。

構(gòu)建競(jìng)品材料解析的材料解析流程規(guī)范、信息采集規(guī)范、性能測(cè)試規(guī)范，詳細(xì)規(guī)范解析的零部件范圍、基礎(chǔ)信息采集內(nèi)容等，將材料解析工作按其內(nèi)在聯(lián)系形成有機(jī)整體，解決材料解析依靠經(jīng)驗(yàn)和流程體系不完善的難題，用于指導(dǎo)企業(yè)新車型開發(fā)中的零部件選材，提升整車碰撞安全性和耐腐蝕能力，進(jìn)而提升整車性能。

基于車用材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)（AMASS）開發(fā)了競(jìng)品材料近似替代系統(tǒng)工具，通過(guò)已知的競(jìng)品材料性能數(shù)據(jù)自動(dòng)創(chuàng)建出近似材料匹配清單，有效的提升選材效率，通過(guò)大數(shù)據(jù)對(duì)標(biāo)分析，選擇合適的替代材料。

由于競(jìng)品車板材沖壓后進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，所得測(cè)試值與未沖壓前板材的力學(xué)性能值存在一定差異，具體預(yù)應(yīng)變對(duì)材料的強(qiáng)度、延伸率的影響有待進(jìn)一步研究[6]。

[1] 田少凱,任曉輝,盧曉薇,等.某車型鋼板用材逆向分析[J].汽車實(shí)用技術(shù),2016(3):46-48.

[2] 李紅,崔長(zhǎng)友,孫磊.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] Malen D E, Hughes J. Mass Benchmarking Using Statistical Methods Applied to Automotive Closures[J].Sae International Journal of Materials & Manufacturing,2015,8(3).

[4] 李軍,陳云霞,孫衛(wèi)健,等.乘用車輕量化評(píng)價(jià)方法研究[J].汽車工藝與材料, 2014(9):1-5.

[5] 應(yīng)陳勇,鞠魯粵,林成輝.逆向工程在車身設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].機(jī)械與電子,2009(2):30-32.

[6] 王金輪,蘭鳳崇,陳吉清.沖壓成形導(dǎo)致材料性能的變化對(duì)耐撞性的影響[J].汽車工程, 2012, 36(4):367-372.