熱成型零件在輕量化車身上的應(yīng)用方法研究

楊志強(qiáng)，麻桂紅，麻桂艷，陳詩雨

（1.華晨汽車工程研究院白車身工程室，遼寧 沈陽 110141；2.航空工業(yè)空空導(dǎo)彈研究院十三分廠，河南 洛陽 471099）

前言

環(huán)境污染和能源消耗已經(jīng)成為當(dāng)今世界亟待解決的社會(huì)問題，為解決以上問題，油耗法規(guī)日益嚴(yán)苛，通過車身輕量化降低汽車自重是一種降低汽車油耗的有效手段[1]；另一方面，日趨嚴(yán)格的碰撞法規(guī)又要求車身某些區(qū)域具有較高的強(qiáng)度以保證乘員的安全性[2]。熱成型零件因能同時(shí)滿足以上兩方面的要求，被越來越普遍地在車身設(shè)計(jì)中應(yīng)用。研究一種熱成型零件的應(yīng)用方法，能縮短項(xiàng)目開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本。

1 競(jìng)品分析

1.1 熱成型應(yīng)用比例分析

熱成新技術(shù)自從由瑞典的Hard Tech公司于20世紀(jì)80年代提出以來，被越來越來越廣泛的應(yīng)用，尤其是合資車型，對(duì)最近3年SOP的合資車型的熱成型材料的應(yīng)用情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如表1。

表1 合資車型熱成型材料的應(yīng)用情況統(tǒng)計(jì)

從表中可以看出，沃爾沃車型的熱成型應(yīng)用最多，高達(dá)30%，其他車型的熱成型應(yīng)用比例也都在15%以上。

近年來，國(guó)內(nèi)自主車型也越來越多的應(yīng)用熱成型材料，對(duì)最近3年SOP的自主車型的熱成型材料的應(yīng)用情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如表2。

表2 自主車型熱成型材料的應(yīng)用情況統(tǒng)計(jì)

從表中可以看出，自主品牌車型的熱成型應(yīng)用最多為13.3%，比合資品牌少16.7%左右。

1.2 熱成型應(yīng)用部位分析

針對(duì)60余款應(yīng)用熱成型材料的車型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，匯總熱成型材料的應(yīng)用部位，結(jié)果如表3：

表3

根據(jù)以上表格，在項(xiàng)目定義熱成型零件的選擇范圍。以上表格需根據(jù)資料收集情況日益完善，以備后續(xù)項(xiàng)目隨時(shí)使用。

2 等強(qiáng)度替代公式

以我公司某項(xiàng)目為例，根據(jù)車型定義，按照表3選擇熱成型零件定義范圍，現(xiàn)定義A柱外板、B柱外板、頂蓋側(cè)邊梁，防火墻橫梁及前縱梁加強(qiáng)梁5個(gè)零件為熱成型零件，對(duì)基礎(chǔ)車型的非熱成型零件進(jìn)行替換。

2.1 抗變形等強(qiáng)度替代公式

抗變形等強(qiáng)度替代公式如下：

式中：R1為被替換零件的屈服強(qiáng)度；t1為被替換零件的料厚；R2為替換零件的屈服強(qiáng)度；t2為替換零件的料厚。

根據(jù)上述公式推導(dǎo)得替換零件料厚：

利用抗變形等強(qiáng)度替代公式對(duì)駕駛室區(qū)域零件進(jìn)行計(jì)算，求得所應(yīng)用熱成型零件的料厚。以上公式同時(shí)適用于非熱成型零件的料厚換算。

2.2 吸能等強(qiáng)度替代公式

吸能等強(qiáng)度替代公式如下：

式中：S1為被替換零件的屈服強(qiáng)度；t1為被替換零件的料厚；S2為替換零件的屈服強(qiáng)度；t2為替換零件的料厚。

根據(jù)上述公式推導(dǎo)得替換零件料厚：

利用吸能等強(qiáng)度替代公式對(duì)碰撞吸能區(qū)域零件進(jìn)行計(jì)算，求得所應(yīng)用熱成型零件的料厚。以上公式同時(shí)適用于非熱成型零件的料厚換算。

3 CAE驗(yàn)證

對(duì)定義的熱成型零件，用2.1及2.2的公式進(jìn)行計(jì)算，求得熱成型材料的料厚，將該料厚及熱成型材料性能曲線帶入CAE模型對(duì)剛度、強(qiáng)度、碰撞及NVH性能進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)熱成型零件的料厚進(jìn)行微調(diào)。CAE結(jié)果表明，等強(qiáng)度替代公式準(zhǔn)確可靠。

使用等強(qiáng)度替代公式的好處是可以精準(zhǔn)確定替換材料的料厚，減少了反復(fù)料厚確定-CAE驗(yàn)證-料厚調(diào)整-CAE驗(yàn)證的過程，大大縮短了項(xiàng)目開發(fā)周期及項(xiàng)目資金投入。

4 成本分析

非熱成型零件的材料價(jià)格為：

式中：w1為零件重量，單位為 Kg；p1為鋼板的每公斤價(jià)格；r為零件的材料利用率。

熱成型零件的材料價(jià)格為：

式中：w2為零件重量，單位為Kg。

令材料替換后，零件價(jià)格保持不變，即P1=P2，推導(dǎo)材料減薄率：

由于熱成型材料與非熱成型材料密度相同，因此得減薄率（輕量化率）計(jì)算公式如下：

按照上述公式可初步估算替換為熱成型材料的成本變化情況。如減薄率大于上述公式計(jì)算的結(jié)果，那么替換為熱成型材料將帶來成本的降低；如減薄率小于上述公式計(jì)算的結(jié)果，那么替換為熱成型材料將帶來成本的增加。一般減重1Kg，成本增加10元為可接受的成本增加范圍[3]。

基于以上成本分析模型，并綜合重量目標(biāo)，對(duì)替換的零件進(jìn)行篩選，最終確定熱成型零件應(yīng)用范圍。

圖1 我公司某車型熱成型應(yīng)用情況

5 項(xiàng)目應(yīng)用

將本文的研究應(yīng)用于我公司的某個(gè)項(xiàng)目，最終確定該項(xiàng)目應(yīng)用熱成型零件的數(shù)量由最初篩選的5個(gè)變更為3個(gè)（左右共6個(gè)）為最佳，零件應(yīng)用情況如下圖1所示。該熱成型的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)整車減重 5.7Kg，整車熱成型零件的應(yīng)用率達(dá)7%，為行業(yè)的中上水平。

6 結(jié)論

本論文通過競(jìng)品分析確定了熱成型零件的定義范圍，通過等強(qiáng)度替代公式初步確定了熱成型零件的等效料厚，并經(jīng)CAE驗(yàn)證確定等強(qiáng)度替換公式的正確性。此外，通過本文的研究確立了成本分析模型，用于項(xiàng)目前期成本分析，保證項(xiàng)目準(zhǔn)確快速地進(jìn)行。通過本文的研究縮短了項(xiàng)目的開發(fā)周期，減少了項(xiàng)目投入。

參考文獻(xiàn)

[1] 韓維建.汽車材料及輕量化趨勢(shì).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2017.

[2] 中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì).中國(guó)汽車輕量化發(fā)展.北京:北京理工大學(xué)出版社 2015.

[3] 夏加力.板料熱成型技術(shù)及其應(yīng)用[J].連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào).2012 (01)馬寧.胡平.