吉大车身工程系出身的白车身钣金工程师谈高强度钢应用

作者毕业于吉林大学车身工程系，现为白车身钣金工程师，对汽车车身的了解也算专业。当然，学习是永无止境的。为了不让导师和学校丢脸，在写这篇文章之前，我特意翻看了自己以前的专业书籍。这些书我从长春一路背到上海，到现在还在我的身边。

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关于高强钢在白车身的应用，我整理了好几篇总结，每篇总结第一段比较精简，其他几段都是延伸部分，没有足够耐心的可以直接翻看每篇总结的第一段。

1. 什么是白车身（BIW）

2.高强度钢的定义

3. 白车身哪些部位需要高强度钢

4.高强度钢材及轻量化车身

1. 什么是白车身？

白车身的英文翻译是Body in white，是指焊接总成完成但还未经过涂装车间的车身结构，不包括四门两盖等覆盖件和运动部件。

相信大部分读者对“车身”已经有了大致的了解，除去这些覆盖件、装饰件、功能件，不就是车身了吗？那我要恭喜你，你说对了。不过白车身和车身的定义是不一样的，说得更直观一点，白车身就是经过喷漆工序，加上座椅、玻璃、仪表盘等内外装饰，以及电子元件、底盘、动力系统组装后的整车。

汽车车身主要分为承载式车身和非承载式车身两种，目前几乎所有轿车和大部分SUV车型都采用承载式车身，因为承载式车身舒适性更好，空间利用率更高，重心低时操控性更好，重量轻时燃油性能更好，但在强度方面略逊于非承载式车身。

白车身

2.高强度钢的定义

高强度钢（HSS）是指屈服强度在210～550MPaMPa之间，抗拉强度在270～700MPa之间的钢。

工程上，高强度钢、现行高强度钢、超高强度钢通常用两个参数值来定义：抗拉强度（Mpa）和屈服强度（Mpa）。抗拉强度很好理解，就是材料抵抗拉力的能力。简单来说，就是材料抵抗被拉断的能力。

抗拉强度图

屈服强度是指材料抵抗轻微塑性变形的能力。例如，如果钢板的屈服强度为350MPa，如果外力大于350MPa，钢板就会发生脆性变形，零件就会失效，并且永远无法恢复。

屈服强度示意图

高强度钢为什么有那么高的强度呢？原因就在于它经历了固溶强化、沉淀强化、细晶强化、组织相变强化四个强化过程。屈服强度和抗拉强度都很高，还具有抗碰撞、抗凹陷性能。高强度钢主要有碳锰钢、间隙原子钢、烘烤硬化钢等普通高强度钢；还有双相钢、相变诱导塑性钢、马氏体钢等先进高强度钢。由于高强度钢的力学性能更加均匀，回弹更小，抗碰撞性能和疲劳寿命更高，可以减少钢板厚度，同时起到强化作用。因此高强度钢在满足性能要求的同时，还能达到汽车轻量化的目的。

3.车身哪些部位会用到高强度钢

1.前后防撞梁、车门防撞梁、前后纵梁

2. 中央通道、座椅横杆、

3.门槛纵梁、车顶横梁

4.A柱加强板、B柱加强板、挡风玻璃柱加强板

汽车用高强度钢应用领域示意图

这些是车身对性能要求较为敏感的区域，例如中国的正面小偏置碰撞（Small Overlap）法规，以及侧面碰撞、后部碰撞、头部保护等各类碰撞性能要求，都要求这些区域有更高性能的零部件来保障乘客的安全。

高强度钢具有很大的屈服强度和抗拉强度，可以大幅度提高车身零件的变形能力和能量吸收能力，同时还可以扩大零件的弹性应变区。

高强度钢在车身的应用，可以大幅度提高车身的动态性能、动静态扭转刚度、固有频率、NVH性能及整车碰撞性能；高强度钢具有优异的强度性能，但也有自身的缺点，如密度大、质量大、不易变形、易开裂等，因此高强度钢通常应用在车身对碰撞性能比较敏感的区域。

4.高强度钢材及轻量化车身

前面提到，高强度钢的密度较大，也就是说同等体积的高强度钢的重量要比普通钢材大很多。那是不是说高强度钢不利于车身轻量化的目标呢？答案是否定的！

对于上述性能敏感区域，如果单纯考虑使用轻量化材料或者普通钢材，要想满足碰撞性能要求，那么必然要增加板材材料，从而导致车身重量的增加。反之，如果在这些区域采用高强度钢，则性能要求不需要很大的材料厚度来满足，但材料重量会减轻，对车身轻量化是有利的。

由于力的传导路径并不是固定的，不同项目方案的变更，或者项目不同阶段的变更，都会引起力的传导路径的改变，因此板材的厚度和轻量化通常需要进行多学科的优化，那么如何进行优化呢？

首先，我们需要一个优化模型……然后我们需要选择设计变量。我们不能选择太多的变量。毕竟，设计变量的增加会导致设计维度的增加和时间消耗的显著增加。例如，我们通常会选择两个与车身强度、碰撞安全性和NVH性能直接相关的参数：刚度和模态。我们使用不同的分析方法，例如基于刚度模态的钣金灵敏度分析，来找到最佳解决方案。

事实上，正面碰撞、侧面碰撞等不同的性能需求，需要不同的实验和解决过程，我们以满足静态和动态性能的轻量化优化为例：

1.选定算法：对于多目标问题的优化，通常可以采用在一个阶段内对多个目标进行优化的多目标遗传算法。多目标遗传算法是基于达尔文进化论和孟德尔遗传学的一种全局搜索和优化算法，它模拟了生物进化的发展和遗传机制。它具有高效性、并行性和全局搜索性的特点。

遗传算法流程图（NSGA）

2、分析与仿真模型定义：选定问题后，就可以定义问题模型，比如正面碰撞、侧面碰撞或者小偏置碰撞的实验方案、近似模型的建立等。

3.数学模型：根据确定的设计变量、优化目标、约束条件以及轻量化设计要求，将静动态性能轻量化优化问题通过数学模型来表达：

其中，Mass为车体各部件总质量，Torsion为扭转刚度，f1为顶盖平动频率及前端扭转频率，f2为一阶扭转频率，Bend为弯曲刚度，设计变量取值范围为0.8-2.5mm

4、计算及结果分析：通过多目标遗传算法求解问题后，可以看出参数设置对结果有一定的影响，经过多次迭代，目标函数逐渐收敛。多目标遗传算法可以给出多种满足约束条件的优化解决方案。没有唯一的最优解，因为重量和扭转刚度两个参数值是矛盾的。不可能同时获得最优解。扭转刚度越大，某些区域的钣金件需要越厚，导致重量增加。如果要求车身重量更好，钣金件厚度需要减小，相应的扭转刚度就会变低。

5. 多目标优化解决方案

车身轻量化设计要满足动静态、碰撞安全、疲劳寿命等多重性能要求，如何选择合适的材料、在哪个区域选择什么样的材料，需要CAE和白车身工程经过多重计算验证，才能够得到最优化的解决方案，并不是简单的越强越好，也不是越轻越好。轻量化是一门深奥的学问，毕竟从汽车本身的性能到消费者的切身利益，车身的减轻都能做出巨大的贡献。当然汽车轻量化不是简单的减轻重量，轻量化的真正意义是在成功减轻重量的同时，提升整车的性能。那么对于很多汽车厂商来说，如何在减轻车身重量的同时，保证静态扭转刚度和动态扭转刚度，从而保证车身扭转性能和整车的NVH性能；如何在减轻整车重量的同时，保证配置不降低甚至不升级； 如何在减轻重量的同时保证碰撞新能源有更好的主被动安全性，并能兼顾成本，将是未来各大主机厂的研究方向。如何在材料选择、优化设计和先进工艺三个方面同时进行改进和提升，是每个主机厂都应该认真研究的课题。可以说，谁真正掌握了轻量化技术，谁就能在激烈的竞争中脱颖而出，成为众人中的佼佼者！