汽车轻量化：高强钢车身材料优化与安全性分析

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摘要：以某高强钢车身模型为研究对象，对车身高强钢材料方案进行优化并进行安全性分析。通过计算车身部件厚度灵敏度来优化厚度匹配，并通过车身部件冲压成形分析来保证高强钢工艺的可行性。优化后白车身一阶振型提高0.7%，弯曲刚度提高1.8%，扭转刚度提高2.1%，安全性能得到提高，制造工艺可行，白车身实现减重11.7 kg，轻量化效果显著。

关键词：轻量化 高强度钢 车身敏感性

1 简介

轻量化是节能减排的重要途径之一，全球各大汽车集团均将轻量化技术上升为企业战略，提升竞争力。数据显示，汽车自重每减轻10%，燃油消耗可降低6%至8%，尾气排放可减少5%至6%[1]。

车身是汽车最大的部件，占汽车总重的1/4以上。车身轻量化还能带动底盘、动力总成等部件重量螺旋式下降，对整车轻量化至关重要[2]。高强钢具有成本低、性能高、生产制造技术成熟等优势，是目前车身轻量化的首选材料。双相钢、热成型钢等高强钢在车身结构件、安全件等方面得到了广泛的应用。同时，一些新型高强钢材料及成型、连接工艺也逐渐涌现，进一步扩大了高强钢的应用范围。

本文以某高强度钢车身模型为研究对象，结合国内外高强度钢材料的应用现状，制定白车身高强度钢材料方案，同时开展车身零部件的材料厚度优化、安全性分析、冲压工艺研究，探索高强度钢材料在车身轻量化应用中的若干问题。

2 基于车身安全的高强度钢材料解决方案

高强钢车身轻量化的技术路线主要是提高车身钢板的强度和塑性，结合先进的成形、连接技术，在保证性能（主要是安全性能和结构性能）的前提下，减少车身零部件的厚度，从而实现减轻重量。

2.1 高强度钢材料的分类

目前，高强钢材料的分类主要有两种方式：按材料强度分类，普通高强钢的屈服强度一般为210～550 MPa，先进高强钢的抗拉强度一般为500～1500 MPa；按钢材的金相组织和冶金类型分类，欧洲车身会议按照此方法进行分类，并有相应的车身材料配色标准，如表1所示。

2.2 基于安全理念的高强度钢材应用

安全性是车身最重要的性能，各大汽车集团都有各自的安全设计理念和方案，但其主要的设计原则是“前后碰撞区变形吸能+车厢高强度”（见图1），即车身前部和后部必须能够吸收碰撞能量，并将剩余能量进行分流和传导，以减轻对乘员的冲击。车厢在碰撞过程中必须保持较高的强度，并将变形控制在有限的范围内，以保证乘员的生存空间[3]。

表1 按冶金类型划分的车身用钢牌号

图1 车身安全设计理念

高强度钢兼具较高的强度和良好的塑性，有利于碰撞时吸收能量，在保证安全的前提下，可以实现最大程度的轻量化。不可否认，热成型钢应用的比例越来越大。在第三代高强度钢冷冲压应用技术全面突破之前，热成型钢依然是车身安全材料的主流趋势，并衍生出贴片板热成型、焊接板热成型、差别厚度板热成型、分段强化热成型等多种新技术，以进一步实现轻量化。图2为沃尔沃车型热成型钢使用情况统计，其新一代车型热成型钢使用比例超过30%，不少自主车型也在逐步增加热成型钢的使用量。

图2：沃尔沃车身热成型钢应用比例

与普通钢板相比，高强钢的泊松比和弹性模量相差无几，进行等强度设计时，保持结构形式一致，仅对构件材料厚度进行等效替代计算，等效替代后的构件材料厚度可粗略确定为：

式中，t1、t2分别为等强度置换前后构件厚度；σs1、σs2分别为等强度置换前后构件材料的屈服强度。

安全是后续材料计划制定、材料厚度优化等工作的前提。

2.3 高强度钢车身材料解决方案

本文通过分析自身情况、车型定位及对标分析，针对某轿车白车身车型，提出了更具前瞻性的高强度钢车身材料解决方案，如图3所示。

图3 某车型白车身材料方案示意图

主体材料方案按照以下指导原则制定：

a. 乘客舱注重安全性，门环、地板横梁、中控通道、前围挡板等均采用热成型钢，控制对乘客舱的侵入，确保驾乘人员的安全。

b.碰撞吸能区必须具有良好的塑性以保证碰撞能量的吸收，又要有一定的刚度以传递碰撞冲击力。前纵梁采用先进高强度钢，前悬架支撑座采用高强度钢，后纵梁根据强度要求可采用先进高强度钢或热成型钢。

c.结构架/节点注重结构刚度，楼板连接梁、车顶梁、侧加强板、搭接结构等应采用价格适中的高强钢或先进高强钢，并采用合理的结构和材料厚度，提高车体架刚度。

d.对于钣金件，应综合考虑性能、成本、工艺性、NVH性能等，前地板、车顶应采用软钢或高强度钢，中/后地板、前内板、沟槽、车轮拱内外侧板、侧围外板应采用成形性好的软钢。

需要说明的是，该规划是对高强度钢车身材料使用的指导原则，在具体车型开发时，需要结合车型级别、目标成本、性能需求、生产资源、平台策略等诸多条件的平衡进行具体的材料选择，并在材料选择后结合结构设计、CAE仿真优化等，最大限度发挥材料的轻量化潜力。

3.基于车身灵敏度的高强度钢厚度优化

长期以来，高强钢“强韧化、减薄化”的轻量化技术路线已比较清晰，但车身是一个庞大的系统，减薄位置、减薄程度、材料厚度变化对车身性能的影响等问题尚不明确。

3.1白车身有限元模型的建立

在前处理软件中完成白车身有限元建模，车身材料如图3所示，各部件初始厚度为原型车对应部件厚度，白车身模型信息如表2所示。

表2 白车身网格模型

3.2 车身灵敏度分析

3.2.1 原型车性能分析

车身模态与刚度是评价车身性能的重要指标，经过计算，材料厚度优化前原白车身模型的模态、弯曲刚度、扭转刚度如表3所示，振型如图4所示。

表3 白车身性能计算结果

图4 白车身性能振型示意图

3.2.2车体灵敏度计算模型的建立

3.2.2.1 建立设计变量

根据筛选原则，选取88对变厚度零件作为设计变量，厚度变化范围控制在±20%以内，以免影响装配。质量敏感度较大的前15个变量如表4所示。

表4 白车身钣金设计变量

3.2.2.2 设置约束

优化后车辆性能应不低于或略高于现有水平，设定模态频率(1阶扭转)不小于31 Hz，模态频率(1阶弯曲)不小于39 Hz，弯曲刚度不小于17 kN/m，扭转刚度不小于12.5 kN·m/(°)。

3.2.2.3 优化目标

优化目标是最小化白车身质量。

3.2.3 车体灵敏度计算模型求解

本文采用OptiStruct软件进行灵敏度计算，该软件采用最小步长迭代法，是工程中常用、稳定、快速的求解方法[4]。通过对白车身灵敏度计算模型进行求解，得到以下结论：对模态频率（一阶扭转）影响较大的前5个零件分别为侧围加强板截面I、前围上内板、前围上内板加强板、前围挡板、侧围加强板截面II，如图5所示；对弯曲刚度影响较大的前5个零件分别为轮罩内板、轮罩外板、门槛内板、前围上内板、门槛外板，如图6所示；对扭转刚度影响较大的前5个零件分别为顶盖外板、侧围内板截面I、前围上内板、前围挡板、轮罩外板，如图7所示。

3.2.4 阀体材料厚度优化结果

根据灵敏度计算结果、公式（1）及常用板料供货规范，对88对可变材料厚度进行重新赋值计算，结果如表5所示。在保证车身模态和刚度略有改善的前提下，重量分别减轻11.7 kg和3.4%，白车身平均材料厚度减少0.04 mm。若各部件再搭配相应的轻量化结构设计和先进制造工艺，轻量化潜力更大。

图 5：对模式影响最大的组件顺序

图6：对弯曲刚度影响较大的部件排名

图 7：对扭转刚度影响较大的部件排名

表5 优化前后结果对比

4.安全性能验证

B柱是汽车侧面碰撞中的重要承重部件，也是车身材料应用强度最高的部位之一，目前热成形方案是较为主流的应用方案。本文以B柱为例，验证了材料厚度优化结果的安全性能。

图8为原型车B柱改进方案，原方案为激光焊接冷冲压，改进方案为热成形。根据材料厚度优化结果减小材料厚度，材料性能如表6所示。

图8 原型车B柱高强度钢优化方案

表6 高强钢材料性能比较

参照C-NCAP标准，采用简化的B柱侧面碰撞模型进行计算，对比B柱优化方案前后的安全性能。侧面壁障移动速度为50 km/h，模拟碰撞时间为80 ms。B柱侧面碰撞计算模型及失效模式如图9所示。碰撞过程中的变形区域主要位于B柱底部与门槛结合处。

图9 B柱碰撞及失效模型

图10、11为两种方案在碰撞过程中的最大侵入体积与侵入速度曲线，80 ms内的最大侵入体积分别为75.2 mm和69.1 mm，最大侵入速度分别为2.4 m/s和2.3 m/s，热成型方案的最大侵入体积与最大侵入速度均有所减小。从对比结果可以看出，采用更高强度等级的钢材以及合理的减薄材料厚度可以在一定程度上提高安全性能，在轻量化的同时，依然能够有效保护乘员的安全。

图10 两种方案最大入侵量对比

图11 两种解决方案入侵速度对比

通过热成型方案的实施，原型车B柱材料厚度降低，性能略有提升，重量减轻1.314公斤。若结合贴片板热成型、差别厚度板热成型等先进工艺，轻量化仍有较大空间。

5. 成型性能的优化

目前，国内外各大钢厂均已开发出强度为800～1500MPa级的先进高强度钢，进一步追求轻量化。但强度高、薄型化是限制冲压工艺的两大因素[5]。一方面，高强度钢的屈服强度提高，成形极限降低，在冲压过程中易产生起皱、开裂等缺陷；另一方面，冲压过程中会产生较大的残余应力和回弹，增加零件几何形状的不确定性。如何在满足车身强度、刚度及轻量化要求的同时保证冲压工艺的可行性，是高强度钢应用的一大难点。

随着计算机技术的发展和冲压理论的不断完善，利用计算机仿真可以更准确地预测零件在冲压过程中的各种问题。国外对冲压件缺陷的预测精度已达到较高水平，并实现了产品设计与模具开发的同步。本文以B柱为例，对替代高强度钢材料、减小材料厚度的方案进行冲压工艺可行性研究，力求达到设计方案与成形工艺的同步实现。

图12为提取的B柱模型的冲压分析结果，该B柱采用热成型钢，厚度为1.6 mm。若按原结构进行设计冲压，由于B柱底部轮廓复杂，两侧翼缘处的减薄率达到-0.206，存在开裂风险。同时皱褶筋不足，导致皱褶产生。

图12 B柱热成形冲压分析结果

根据热成形工艺特点，采取以下改进方法：采用开放式设计，尽可能采用折弯成形，降低法兰边缘起皱、减薄、撕裂的风险；在有起皱倾向的区域（如B柱部位底部）应设置吸皱筋。改进后的结构及成形分析结果如图13所示，成形性良好，无开裂、起皱风险。

图13 结构改进后的热成形冲压分析结果

与冷冲压相比，热成形应尽量采用规则形状，不规则结构会增大板料的定位差异，成形过程中模具与板料的冷却效果差，影响材料流动和淬火冷却，造成强度分布不均匀。

工程实践证明，成形性优化所涉及的结构变化多为微调，不涉及大幅度的结构截面调整，对零件整体安全性能的影响十分有限，可以认为之前的安全性能分析仍然有效。

六，结论

高强度钢的应用主要考虑车辆的安全性能，其中热成形是当前技术条件下基于车身安全性的首选材料。通过灵敏度分析可以优化车身各部位材料厚度，合理匹配材料与结构，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等级的钢材在减轻重量的同时可以有效保障乘员安全。通过冲压工艺分析可以预测高强度钢冲压成形的可行性，使设计方案与工艺同步实现。

结尾

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