摘要：汽车轻量化是汽车节能、减排的重要途径之一，世界各大汽车集团已纷纷将轻量化技术升级为企业战略，以提升自身竞争力。有资料统计显示，整车质量每降低10%，燃料消耗量可减少6%~8%，尾气排放减少5%~6%。车身是整车质量占比最大的总成，占比超过1/4，车身的轻量化还可带来底盘、动力总成等质量的螺旋式下降，对整车的轻量化至关重要。高强度钢具有低成本、高性能和生产制造技术成熟等优点，是目前车身轻量化的首选材料。高强度钢，如双相钢和热成型钢，已经广泛应用于车身结构件、安全件，同时一些新型的高强钢材料及成型、连接工艺也逐渐出现，进一步拓展了高强钢的应用范围。本文以某高强钢材料车身模型为研究对象，结合国内外高强钢材料应用现状，制定白车身高强钢材料方案，同时对车身部件进行料厚优化、安全性分析、冲压工艺研究，探究高强钢材料在车身轻量化应用中的若干问题。
关键词：车身；高强钢；分类
引言
随着绿色科技的发展，汽车的节能减排越来越受到人们的关注。经研究，约75%的油耗与汽车的整车质量有关，降低汽车的质量就可有效降低油耗及排放，即汽车轻量化是实现节能减排的有效手段之一。在汽车制造选用的材料中，钢铁材料用量占比超过60%，其中车身结构材料中，钢铁材料用量占比超过85%。使用高强度钢，既能优化车身零件结构达到轻量化的目的，又能满足车身性能达到可靠性要求，故而广泛地应用到车身制造中。
1高强钢的定义
高强度钢板指屈服强度（N/mm2反映材料抵抗变形的能力）大于210MPa的钢板，其高强度使它成为汽车轻量化后能够保证整车安全性能的主要材料，主要应用于汽车的车身、底盘等部位。
2开展汽车轻量化的意义
开展汽车轻量化的意义在于满足越来越严格的法规要求和市场需求，国六排放和双积分管理办法等法规的出台为整车厂技术升级提出了更高要求，而减重是其中重要措施。据测试研究，在NEDC工况下，整车减重100kg将节油0.39L，整车重量每下降10%，可降低油耗6%，排放值下降4%。在整车项目开发中，设定合理的重量目标并达成目标是重量管理的最终目的，跟踪项目开发过程的方案变化并制定减重方案是实现目标的重要手段。
3整车轻量化现状和发展趋势
3.1国外轻量化发展现状
当前全球能源环境形势使全球均制定了严格的乘用车（M1类）CO2排放法规，中国也面临巨大挑战。欧盟委员会在2015-2020年间，预测油耗技术升级带来的单车成本增加幅度为1000欧元，而轻量化成本远低于此。与国外品牌相比，自主品牌的面临巨大挑战（技术、成本、品牌等），但2015-2020年总体降幅比例却与欧洲相当（27%左右）。从美、日、欧、韩等国外主流车企来看，都在开展整车轻量化技术应用，行业协会或政府都发布了明确的轻量化发展路线和规划。
3.2国内轻量化现状
我国轻量化产业技术发展路线图也已经发布，分为两个阶段，第一个阶段目标为2014年到2017年国产乘用车实现减重8%。第二阶段为2017年到2020年实现减重7%的目标。按照国内汽车轻量化水平来看，高强钢仍将保持主导地位，多材料选择将进一步发展，铝镁合金、以塑代钢应用依然是未来汽车轻量化材料发展方向，并且伴随着先进制造技术和结构优化手段的发展，研究体系逐步深化。成本和轻量化技术研究储备依然是左右轻量化技术应用的两个主要因素。
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4高强钢在车身上的应用
高强钢一般应用在车身上需满足碰撞性能、法规要求、安装强度、刚度要求等部位加强用零件的材料上。例如梁架、门槛、立柱、安装加强板、防撞梁、外覆盖件等。以某A0级轿车为例，防撞梁由于碰撞强度要求材料为HC550/980DP（高强度双相冷连轧钢）；立柱加强板由于强度及轻量化要求材料为B1500HS（热成型件）；纵梁、立柱、门槛撑板等由于成型及强度要求材料为HC340/590DP（高强度双相冷连轧钢）；防撞梁碰撞盒、地板横梁、油箱后安装支架等由于型面不复杂且强度要求一般高，材料为HC260Y（高强度无间隙原子冷连轧钢）；外覆盖件（翼子板、门外板等）由于刚度要求应用了高强度烘烤硬化冷连轧钢。随着车型级别增加，车身尺寸增大，各项性能要求更高，高强钢尤其先进高强钢在车身钣金材料中的比例将应用更大。在车型开发时，通过CAE理论验证、法规试验及可靠性道路试验实车检验，将更好的验证高强钢的选用合理性。、
5高强钢车身材料方案
通过分析自身情况、车型定位以及对标分析，本文在某轿车白车身模型基础上，提出一种较为前瞻的高强钢车身材料方案。该车身材料方案制定遵循以下指导性原则：a.乘员舱重点考虑安全性，在门环、地板横梁、中通道、前围挡板等处采用热成型钢，控制乘员舱侵入量，保证驾乘人员安全。b.碰撞吸能区既要有的良好塑性以保证碰撞能量吸收，又要有一定的刚度来传递碰撞冲击力。前纵梁采用先进高强钢，前悬支撑座采用高强钢，后纵梁根据强度要求，可采用先进高强钢或者热成型钢。c.结构框架/节点重点考虑结构刚度，地板连接梁、顶梁、侧围加强板和搭接结构等选择成本适中的高强钢或先进高强钢，采用合理的结构和料厚，提升车身框架刚度。d.钣金件综合考虑性能、成本、工艺性、NVH性能等，前地板、顶盖选择软钢或高强钢，中/后地板、前围内板、流水槽、轮罩内外板、侧围外板等选择成型性好的软钢。应当说明的是，该方案为高强钢车身用材的指导性原则，具体车型开发时，应结合车型级别、目标成本、性能要求、生产资源、平台化战略等诸多条件平衡，进行具体材料选择。材料选择后还要结合结构设计、CAE仿真优化，才能最大化发挥材料的轻量化潜力。
6成型性能优化
目前，国内外各大钢厂已经开发了800~1500MPa的先进高强钢，进一步追求轻量化，但高强、减薄却是限制冲压工艺的两大因素。一方面，高强钢屈服强度提升，成型极限变小，冲压过程易出现起皱、开裂等缺陷；另一方面，冲压过程中产生较大的残余应力和回弹，零部件的几何尺寸不确定性增强。在满足车身强度、刚度、轻量化的条件下，如何保证冲压工艺可行是高强钢应用实践的一大难点。随着计算机技术的发展和冲压理论的不断完善，可以通过计算机模拟，较为准确地预测零部件在冲压过程中的所有问题，国外在预测冲压件缺陷方面已达到很高精度，并实现产品设计、模具开发的同步。本文以B柱为例，对高强钢材料替换、料厚减薄后的方案进行冲压工艺可行性研究，力求设计方案和成型工艺同步实现。
结语
通过灵敏度分析，可优化车身各部件的料厚，实现材料和结构的合理化匹配，尽可能实现车身轻量化。通过安全性分析，可以验证采用更高强度级别的钢种，在轻量化的同时，仍可有效保护乘员安全。通过冲压工艺分析，可预测高强钢冲压成型的可行性，使得设计方案和工艺同步实现。
参考文献
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[3] 汪家利. 基于车身刚度及变形分析方法的结构优化设计[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2010.
论文作者:邱国端
论文发表刊物:《建筑实践》2019年10期
论文发表时间:2019/9/2
标签：车身论文; 轻量化论文; 材料论文; 整车论文; 刚度论文; 强度论文; 高强度论文; 《建筑实践》2019年10期论文;