商用車車門外板材料應用方案優化

冀鵬 戴關林 任小云 徐磊

摘 要：通過試驗設計方法（DOE），以材料種類、材料厚度為因子，以抗凹剛度、重量、成本為指標，確定影響各指標的主、次要因子，最終確定車門外板用材方案。結果顯示，材料選擇DC04，厚度0.75mm，此時在滿足車門外板剛度要求的前提下，達到重量最小，成本最低。

關鍵詞：試驗設計法;車門外板;抗凹剛度;重量;成本

中圖分類號：U445? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2019）12-167-03

Abstract： The final material precept for outer door panel was determined by the design of experiment， according to the indexes of main and secondary factors affecting， which factors are kinds of material and the thickness， the indexes are stiffness、weight and cost. The results show that preferred project is DC04 and the thickness is 0.75mm， which can meet the performance of outer door as well as has the weight and cost minimization.

Keywords： design of experiment; outer door panel; stiffness; weight; cost

1 引言

隨著國家節能減排、綠色環保政策法規的逐步實施以及治超限載力度的加大，商用車的輕量化勢在必行[1]。對于純電動城市載貨物流車，單位載質量能量消耗量（Ekg）為顧客關注的重要性能之一。為降低Ekg，除了增大電池能量密度，另一有效途徑為減輕整車重量。實現整車輕量化的途徑主要有三種，即結構優化、材料優化、新材料及新工藝應用，其中材料優化是減輕車身重量簡單而有效方法。對于商用車車門外板的材料選用方案各主機廠不盡相同，目前行業內應用最廣泛的材料主要為170P1、DC04、DC06。為減輕門外板重量，材料厚度由0.80mm減薄至0.75mm，也有減薄至0.70mm，厚度減薄必然導致外板剛度下降，不同的材料其價格也有差異，如何平衡性能、成本、重量，在滿足性能要求的情況下，達到減重降本的最佳效果？

正交試驗設計和分析方法是目前最常用的工藝優化試驗設計和分析方法，利用標準化正交表安排試驗方案，并對結果進行計算分析，最終迅速找到優化方案，是一種高效處理多因素優化問題的科學計算方法[2]。本文通過正交試驗方法，綜合考慮剛度、成本、重量，優化車門外板材料選用方案。

2 試驗方案

依據正交試驗方法，首先確定指標，即外板性能、成本、重量，其中性能對于車門外板主要為抗凹性，抗凹性的衡量指標有抗凹剛度、局部凹痕抗力、起伏載荷[3]。其中抗凹剛度顧客能夠直接感知，故本次試驗僅考察試樣的抗凹剛度，最后確定的指標為抗凹剛度、成本、重量。

其次確定各指標的因子及對應的水平。影響指標的因子分別為材料種類和材料厚度。材料種類選擇目前行業內常用的170P1、CD04、DC06三個水平，板材厚度選取0.80mm、0.75mm、0.70mm三個水平，因子及對應的水平見表1。

最后選擇正交表，此試驗方案中有二個因子，每個因子三個水平，故選擇L9（34）正交表，共需進行9次試驗，按正交表排列后，各試驗序號排列如表2所示，列A、B分別為表1中二個因子，1、2、3對應表1中因子的三個水平。

3 試樣及原理

3.1 試樣

試樣采用平板樣，通過剪板機剪切加工，尺寸為180mm×100mm的矩形。

3.2 抗凹剛度試驗原理

采用某鋼廠的抗凹性能試驗機，該裝置采用門框式結構，框架上的移動橫梁在絲桿傳動下可以上下移動，以確定加載位置[4]。試驗時，用壓板將試樣固定在試驗臺面上，通過壓頭在試樣中心施加載荷進行抗凹剛度試驗。試驗參數為壓邊力10KN，壓頭運行速度3mm/min，壓頭直徑15mm。試驗原理簡圖如圖1所示。

4 抗凹剛度試驗方法

采用單次加載的方式，預加載5N，然后將載荷、位移清零。隨后按壓頭運行速度加載至150N，然后卸載，抗凹剛度為載荷-位移曲線直線段的斜率[5]。下面以試驗序號1（材料牌號為170P1，板材厚度0.80mm）為例，說明計算過程。由設備導出載荷-位移曲線，使用origin9.0進行線性擬合，得出直線的方程，其斜率為抗凹剛度，即165.6N/mm，如圖2所示。

5 數據處理

5.1 計算指標值

依據上述試驗方法，可得出9組試驗序號對應的抗凹剛度。重量計算，鋼板的密度取7.85g·cm-3;成本計算，鋼板價格參考國內某鋼廠2019年1月份卷料含稅價，如表3所示。每組試驗序號對應的指標值如表4所示。

5.2 計算極差值

以抗凹剛度為例，Ⅰi=第i列數字“1”所對應的指標數值之和，Ⅱi=第i列數字“2”所對應的指標數值之和，以此類推。例如Ⅰ1=第1列數字“1”所對應的指標數值之和，即Ⅰ1=165.6+152.5+138.3=456.4。極差Ri=max{Ⅰi、Ⅱi、Ⅲi}-min{Ⅰi、Ⅱi、Ⅲi}，即R1=Ⅰ1-Ⅲ1=456.4-450.7=5.7[6]，各列數值計算結果如表5所示。R值越大，表示該列的因子對指標影響越大，對指標來說，如果值越大越好，則最優水平為該因子的最大水平，反之，則最優水平為該因子的最小水平。對于抗凹剛度，值越大越好，所以板材厚度選擇0.80mm，抗凹剛度值最大。

同理可計算出其他三個指標的R值，由此可得出影響各指標的主次要因子見表6。

6 結果分析

采用綜合平衡法，由表6可知，材料種類，對指標抗凹剛度、重量來說均為次要因子，對成本為主要因子，因此材料種類選擇較便宜的DC04;板材厚度，對于指標重量來說越小越好，應選擇0.70mm，但對抗凹剛度來說，板材厚度越厚越好，應選擇0.80mm，兩種選擇相互矛盾。因此，針對B因子需進行實際零部件試驗。

選擇已確定的材料DC04，分別由0.70mm、0.75mm、0.80mm的板材沖壓制成該車型車門外板，采用與試驗試樣時相同的試驗設備、試驗參數，測試點如圖3所示，檢測結果見表7。

根據設計要求，門外板板表面任意一點的抗凹剛度不低于45N/mm。由表7可知，對于抗凹剛度，位置二處板厚0.70m即可滿足要求，位置一處板厚要求0.75mm，因此應選擇板厚為0.75mm。

7 結論

經過試驗可知，車門外板的最佳用材方案為DC04，板材厚度為0.75mm。該方案與現用材方案（DC06/0.8mm）相比，單車減重約0.774kg，單車材料成本降低約12.36元，對比明細見表8，材料成本=（外板重量/材料利用率）×原材料價格，其中材料利用率對于車門外板按60%計算。

參考文獻

[1] 曹廣祥，張洋，等.屈服強度700MPa級高強度鋼在商用車輕量化中的應用[J].汽車工藝與材料，2017，2：60-61.

[2] 劉瑞江，張業旺，等.正交試驗設計和分析方法研究[J].實驗技術與管理，2010，9（9）：52-55.

[3] 俞寧峰，汪承璞，李川海.汽車鋼板抗凹性試驗方法及其應用[J].鍛壓技術，2004，1：51-53.

[4] 李東升，周賢賓，等.汽車板抗凹性評價體系及試驗機系統[J].北京航空航天大學學報，2003，29（5）：467-470.

[5] 汪承璞，俞寧峰，等.汽車鋼板抗凹性試驗研究[J].材料科學與工藝，2004，12（6）：622-629.

[6] 王乃坤，江樹華，等.正交試驗設計方法在試驗設計中的應用[J].黑龍江交通科技，2003，8（8）：89-90.