汽車車身 耐撞性 輕量化的案例
汽車側面碰撞試驗B柱耐撞性能優化及輕量化設計
摘要：為提高汽車碰撞后側面的安全性，對汽車B柱進行耐撞性能優化及輕量化設計。利用Hypermesh軟件劃分車輛網格，建立汽車有限元模型。采用LS-DYNA軟件分析優化結果，通過B柱加強版進行總成集合化處理，從而實現B柱加強板總成屬性轉移。采用CAE軟件進行仿真實驗，確定2k因子對性能造成影響的關鍵與非關鍵因素,通過B柱熱成型優化設計提高車輛輕量化效果。實驗結果表明：應用該方法優化后，車輛B柱輕量化比基礎模型升高了15.4%，車輛整體質量減輕了19%以上。通過對汽車側面碰撞試驗B柱進行耐撞性能實驗，可知汽車B柱幾乎沒有發生變形，車廂內假人胸腔未出現損傷。
關鍵詞：側面碰撞；B柱；耐撞性；輕量化；優化；CAE分析
隨著經濟快速發展，汽車已經成為人們日常生活的主要交通工具[1-2]。伴隨著市場需求與相關法規對汽車碰撞安全性能要求逐年提升，車身質量隨之增加。
汽車的側面位置是整車中最薄弱的部分，其可以分散沖擊力的部件極少，一旦發生碰撞，將給乘坐人員生命安全造成極大的威脅。門檻梁總成與A柱、B柱、C柱、前門及后門是轎車側圍的主要部件，其中B柱作為車身側面主要承力部件，在汽車發生側面碰撞時，不但要承受巨大的沖擊力還需要給車門與車欄等部件提供支撐[3-4]。同時，影響乘坐人員安全性的關鍵指標是B柱的入侵速度與入侵量[5-6]。由此可知，提高側面碰撞時汽車的安全性，首先要增強B柱的耐撞性。
我國自20世紀80年代開始對汽車側面碰撞進行研究，研究方向為改進門欄梁厚度、多角度改進B柱的受力結構。本文從提高汽車B柱耐撞性、汽車輕量化設計兩個方面對汽車車體進行優化設計，從而提高汽車安全性。
展開 汽車車身輕量化系數詳解
圖1
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白車身輕量化指數
Li=(L2-L1)/L1
式中，
Li為白車身輕量指數，無量綱；
L1為輕量化設計前的車身輕量化系數，單位Kg/[N·m/(°) ·m2]；
L2為輕量化設計后的車身輕量化系數，單位Kg/[N·m/(°) ·m2]；
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汽車輕量化
在保證汽車安全、剛度、NVH等性能提升或者不降低的前提下，通過結構設計和優化、合適的材料選用、合理的制造工藝等手段來達到整車重量降低，從而來達到節油和減排的工程過程，稱之為汽車輕量化。
行業水平
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ECB會議
EuroCarBody（簡稱ECB）歐洲汽車車身會議，每年10月份在德國舉行。ECB代表著全球汽車車身發展趨勢，近年來一直被譽為車身界的頂級峰會。我們可以從ECB大會的車型輕量化系數，側面看出車身發展的最新水平。
圖2
由于各年度參展車型的品牌與產品定位存在差異，所以車身輕量化系數變化趨勢并非逐年遞減，但總體的趨勢是下降的。
展開 汽車車身輕量化的關鍵工藝制造技術
來源 | 森蔚汽車
近年來，在我國汽車市場逐漸實現高速發展后，人們對汽車的要求已不再僅限于功能之上，對汽車的整體車身也有著較高的要求。以客戶群當前的需求來看，汽車車身輕量化是目前廣大客戶群所追求的，車身輕量化不僅能夠有效減輕車身的自重，還能實現節能減排，使汽車保持輕量化的同時達到環保的目的。
這也要求著當前汽車市場需改變發展戰略，改變市場方向，并利用工藝制造技術及輕量化材料來打造符合客戶群需求的汽車市場，以此提高汽車市場的整體發展速度。
汽車車身輕量化的關鍵工藝制造技術控制及研究
輕量化關鍵工藝制造技術
輕量化工藝制造技術主要分為熱成形技術與激光拼焊技術。
首先，熱成形技術是利用熱沖壓高強鋼板材加熱于奧氏體在接近溫度上，然后進行一段時間的保溫工作，使其均勻奧氏體化，再將其快速轉移至具備冷卻系統的模具當中進行沖壓，再對其開展保壓與冷卻工作，使該奧氏體能夠轉化為板條狀馬氏體，提高該材料的整體強熱成形的主要工藝技術如下圖所示。
熱成形技術原理
按照原理來說，高強度鋼在常溫環境下其形狀塑造范圍十分狹窄，并且成形較差，容易使材質出現開裂現象，材質回彈機率大，無法應對當前汽車碰撞所需的安全系數。
而熱成形工藝制造技術則是根據鋼強度鋼制造技術所具備的種種缺陷而發展起來的更完善的一項新型制造技術，該技術能夠使高強度鋼經過產熱沖壓后，將其材質的抗拉強度提升至1700MPa以上，使汽車車身整體重量得到減輕的同時，提高了車身的強度與鋼度，使車身整體更耐撞擊，也具備更高的安全性。
展開 汽車車身輕量化設計的技術困境
在基于仿真驅動的汽車研發技術2.0下，主機廠整車開發普遍深陷的技術困境是“低成本、短周期、高性能、輕量化”四個項目終極目標兩兩之間的相互牽制和相互沖突，其中，主要矛盾是不斷嚴苛的汽車排放法規及不斷增加的電動化續航里程所產生的輕量化技術需求，與不斷提升的產品競爭力需求所產生的汽車研發制造低成本要求之間的矛盾。
在汽車研發技術2.0的技術困境中，技術問題只是一個次要方面，核心問題在于跨專業的技術溝通與協調。每一個技術決策需要同時滿足所有技術部門的專業技術要求，即每個部門對技術方案擁有“一票否決”權，特別是設計邊界高度復雜的車身工程開發。
為什么說在技術2.0下玩不轉車身輕量化？假設每個專業部門都絞盡腦汁的投入車身輕量化設計，并且每個部門拿出十個在本專業內效果非常理想的改進方案，提供給項目組討論和決策，一般結果是：本部門花了九牛二虎之力制定的絕大部分方案將直接陣亡，自信心受到巨大打擊。以下通過換位思考，分析技術方案被否定的四種情況。
第一，沒有考慮到某個技術專業常識性判斷，結果是一旦被指出技術方案的專業性問題，方案提出部門的技術判斷能力會立馬減分。
第二，考慮到了其它專業的實施條件，但需要某個技術專業的配合，意味著相關部門的技術工作量增加、難度增加、風險增加，配合與不配合對自身部門一個樣，結果是直接夸大本專業的技術實施難度。
第三，考慮到了需要其它技術部門配合的技術實施難度是可以克服的，結果是相關部門本著“多一事不如少一事”的想法，直接說非常樂意配合，但是人手不夠、資源不足，需要項目組協調。
第四，不需要其它部門配合，本部門直接可以搞定，那就不需要拿出來討論了，拿出來的目的是浪費其它部門的時間。
展開 
【技術帖】基于有限元分析的某電動汽車車身輕量化設計
圖11 輕量化后1 階扭轉模態
Fig.11 Lightweight first-order torsional mode
圖12 輕量化后1 階彎曲模態
Fig.12 Lightweight first-order bending mode
根據企業要求，輕量化前后一階扭轉模態和一階彎曲模態的變化率不能超過3%。輕量化前后模態變化率對比如表6 所示。
表6 輕量化前后模態變化率對比
Tab.6 Comparison of modal deformation rates before and after lightweighting
通過表6 對比發現，一階扭轉模態頻率略微提升，一階彎曲模態頻率略微下降，輕量化后的模態變化率控制在3%以內，輕量化后車身模態狀況良好。
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結語
根據企業提供的汽車數據，首先建立了車身有限元模型，并對車身進行靜態剛度和模態仿真；根據有限元分析結果，通過靈敏度分析確定輕量化的鈑金件，在保證各項性能變化率較小的前提下進行輕量化，得到了性能良好的輕量化車身；對比輕量化前后的車身強度、剛度和模態性能均達到企業標準。
本文通過有限元仿真對車身進行輕量化，得到了性能良好的輕量化車身，為企業形成了一套完整的車身輕量化理念和方法，對企業的汽車研發流程具有重要參考價值。
展開 改性塑料在汽車輕量化上的應用
改性塑料在阻燃性、強度、抗沖擊性、韌性等方面的性能都優于通用塑料，下游應用領域廣泛，其中，汽車行業已經成為改性塑料需求增速最快的領域。預計2018年全球車用塑料市值有望增至461.12億美元，消費量預計增1130萬噸，預計未來幾年國內車用改性塑料需求年平均增速將在15%以上。這主要歸因于：一是全球汽車產量增速穩定;二是汽車輕量化使得單車改性塑料用量增大。改性塑料在汽車輕量化領域主要應用如下：
儀表板
目前儀表板主要有硬質儀表板和軟質儀表板兩種形式，軟質儀表板一般被比較高檔的汽車采用，而大客車、貨車等車型則基本采用硬質儀表板。儀表板一般用改性PP材料制作，改性PP中主要是以橡膠類的增韌劑和無機填充材料為主;儀表板表皮材料以PVC/ABS為主，PVC在耐沖擊和耐熱性上比較弱，ABS機械性能和成型加工能力比較好，并且與PVC能夠進行結合，將兩者進行組合可以形成互補。
門內板
目前比較常用的制造門內板的改性塑料是ABS、PP，用它們制作成骨架，并且表面帶有一層緩沖層，緩沖層采用PP發泡、TPU、針織滌綸等。在通用、雪佛蘭的一些車型中，骨架、面板都采用玻璃纖維增強不飽和聚酯片狀模塑料(SMC)材料，在有的汽車中也會采用天然纖維和PP熱壓制作而成，這種手段能夠有效減輕車門的重量，降低成本，隔音性能得到明顯提高。
車身覆蓋件與底盤
改性塑料制作車身覆蓋件，與金屬覆蓋件相比，車身更加光滑、尺寸更加精確，并且質量、噪聲、振動等條件上可以更加優化，所以改性塑料在車頂蓋、發動機罩、行李艙蓋等方面得到廣泛應用。
在汽車底盤中，由于需要承受的負荷較大，因此塑料化存在較大的難題。目前主要是在傳動懸掛系統、轉向制動系統的耐磨運動件方面應用改性塑料，例如改性PBT、改性POM等材料。
展開 汽車碰撞安全與輕量化研發中的若干挑戰性課題
針對點焊部件的碰撞失效，探明了隨加載速率和加載模式變化的點焊接頭失效模式轉變規律、內在機理及其與點焊工藝條件的關聯性，揭示了焊點排布對薄壁結構變形模式和吸能特性的影響規律[44]。
圖9 輕量化車身復合連接失效機理與復雜工況失效預測
基于我們開發的輕量化材料在復雜應力狀態下的大變形表征和斷裂預報、基礎材料數據和計算模型等理論、方法和技術[31-45]，我們與汽車企業合作，針對輕量化設計、工藝和成本等要求，靈活選擇材料并匹配連接方式，為實現高強鋼、鋁合金、復合材料、工程塑料、孔隙填充材料、點焊、膠粘、鉚接等多種材料混合的輕量化結構設計材料和連接的靈活組合提供優化設計方法和仿真計算模型，使企業在車型設計開發中具備可靠的方法和數據，CAE仿真能更加準確的預測材料和接頭的斷裂，并依此評估對碰撞力的傳遞路徑和碰撞吸能的影響，設計沖擊載荷下結構中材料和接頭失效的誘導和控制策略，實現對輕量化車身結構的大變形響應和斷裂控制的最優設計（圖10），在滿足碰撞安全性目標下實現結構的輕量化，提高了虛擬設計的可靠性和產品研發效率。
圖 10 高精度材料模型在汽車輕量化結構上的開發應用
2.8 材料大變形沖擊測試技術
中高應變率材料沖擊試驗中的載荷測量失真一直是材料沖擊力學性能測試中的難題，在102 /s應變率量級的材料力學性能測試中，載荷傳感器獲得的沖擊載荷信號耦合了傳遞路徑的系統響應，呈現明顯的振蕩，難以從中提取正確的材料自身力學響應，無法滿足車身結構耐撞性及輕量化的設計仿真分析需求。
展開 利用OptiStruct進行汽車懸架系統輕量化設計并提高其耐久性
行業 :汽車
挑戰 :如何減輕汽車后扭懸架梁系統的重量，同時提高其耐久性。
Altair 解決方案 :制定一套HyperWorks系列中的自定義工具,消除最初的“反復試錯”的設計循環。
優點 :縮短生產周期，同時生成具有競爭力的、低成本、低重量的后扭懸架梁。
項目介紹
后扭轉梁（RTB）懸架系統通常用于 A、B 和越來越多的 C 級車，其優點在于制造成本低，包裝要求小，與汽車操控性能有良好的兼容性。除了需要滿足一定的剛度和耐久性要求，當其彈性運動學特性也被納入考慮范圍時，RTB 的設計就變得困難。目前，采用實驗設計（DOE）和優化方法來探索可用的設計空間，同時減輕 RTB 的重量并降低設計成本是可行的方案。
Gestamp 公司是全球性的底盤零部件供應商，其客戶包括福特、大眾、寶馬和本田。它在英國、西班牙和德國設有技術中心，不斷擴大的全球業務促使其需要不斷地開發低成本，高容量的底盤產品。基于對零部件的質量和成本（與質量密切相關）的考慮， Gestamp 公司與其客戶從 2005 年開始引入 Altair 公司的優化驅動設計理念。通過形狀優化，形成了成本相對較低的 “U”形設計，既滿足 RTB 設計的剛性目標，又降低了反相滾動負載情況下關鍵焊縫的應力，從而提高了耐久性。
如今，這個耐久性要求已被確定為這種類型 RTB 設計的主要指標之一。
挑戰
一個“U”形的 RTB 設計通常需要考慮幾個相互關聯的目標。限定主要結構部件形狀的兩個關鍵目標是側傾剛度和側傾轉向。二者都受到扭轉元件（RTB 的橫向構件）形狀、位置、截面參數的影響。
“我們發現OptiStruct和HyperStudy提供的優化能力對于我們的RTB設計來說簡直是一 種財富。
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