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            輕量化技術和材料在汽車工程中的應用

            結構輕量化的技術路徑

            01 結構優化技術

            結構優化技術是指在原經驗設計的基礎上,利用計算機輔助工程(Computer Aided Engineering, CAE)的方法,對材料的承載狀態、工藝特性進行仿真,進一步指導對原結構的設計優化,主要包括拓撲優化、尺寸優化、形狀優化、形貌優化等。引入CAE仿真方法,對零部件及整車進行結構優化,可明顯提高車輛的輕量化設計水平。

            整車開發流程中一般會對初始設計進行多輪的結構優化。拓撲優化是在零部件概念設計階段,基于零部件的主要載荷狀態,使材料在設計空間內進行優化分布,以獲得最優的拓撲結構。尺寸優化及形狀優化是在拓撲優化的基礎上,進一步調整局部的材料分布、形狀、形貌等詳細設計,以獲得最終的結構方案。各種結構優化原理如圖1所示。

            結構優化技術已在汽車結構設計中有了較多應用。莊海濤等對某車型轉向節進行了優化設計,轉向節的材質為40Cr,質量為4.29 kg,優化后質量為3.9 kg,減重0.39 kg,減重比例為9%。王振東等[5]對某乘用車后下控制臂進行了拓撲優化設計,優化前控制臂質量為7.5 kg,拓撲優化后控制臂質量為5.5 kg,減重2 kg,減重比例為26.6%。干年妃等基于北京現代索納塔前車門,將單一鋼制車門內板重新設計為多材料分塊式車門內板,并進行了拓撲優化,原車門內板質量為6.171 kg,優化后質量為4.761 kg,減重1.41 kg,減重比例為22.8 %。馬芳武等針對汽車某車型后副車架,通過多目標優化方法,并將副車架縱梁材質由低碳鋼S550MC變更為鋁合金6061,使副車架總成的質量由16.6 kg降低至14.19 kg,減重2.41 kg,減重比例為14.5%。陳瀟凱等通過將控制臂由原鋼材均質結構變更為殼/多材料填充結構,如圖2所示,原鋼制控制臂主體部分質量為2.19 kg,殼/多材料控制臂主體部分為1.9 kg,減重0.29 kg,比鋼制結構減重13.2%。

            在汽車零部件設計過程中,結構優化設計的同時,一般會結合輕量化材料的合理使用,可以獲得更好的減重效果。

            02 輕量化結構材料

            目前,汽車輕量化材料主要包括超高強度鋼、鋁合金、鎂合金、工程塑料、碳纖維復合材料(Carbon FiberReinforced Plastics, CFRP)等,典型材料的強度對比如表1所示。在汽車車身結構中,使用最多的仍然是鋼材和鋁材,但鎂合金和復合材料的用量在逐步增加,車身由鋼鋁混合車身向多材料混合車身發展。

            輕量化材料在汽車零部件中的應用已有較多的研究,技術路線以“以鋁代鋼”和“以塑代鋼”為主線,劉陽等對比了塑料和鋼制前翼子板的質量,鋼制翼子板材質為DC04,塑料翼子板采用PP+EPDM,通過結構集成設計,塑料翼子板可減重48.5%,同時可以明顯減少零部件數量,如表2所示。楊菲菲等分析了某純電動SUV復合材料后背門總成的輕量化情況,后背門總成主要包括內板、下外板及上擾流板,內板材質為PP+GF40,下外板及上擾流板材質為PP+EPDM,內板、下外板及上擾流板之間用A/B結構膠進行粘合。鋼制材料約為29.1 kg,復合材料約為20.9kg,實際減重8.2 kg,減重比例達28%。郭迎福等對純電動汽車電池包外殼進行了多材料優化設計,其中低碳鋼、低碳鋼-鋁合金混合、碳纖維3種材質的減重情況如表3所示。鋼鋁混合設計可以實現減重42%,碳纖維可以實現減重71%。

            在汽車設計及制造中,從成本、工藝成熟度、性價比等角度考慮,鋼鐵材料仍會在一段時間內占據車用材料的很大比例,從表1中也可以看出,先進高強度鋼的比強度已不低于甚至高于某些鋁合金和鎂合金。汽車的許多零部件都開始采用高強度鋼進行制造,例如翼子板、地板、頂蓋等位置;在B柱、門檻梁、頂蓋橫梁等重要安全件,部分安全件已開始采用超高強度鋼或熱成形鋼。

            03 輕量化工藝技術

            汽車輕量化相關的工藝技術主要有熱沖壓成形、激光焊接、液壓成形、結構膠粘接等,熱成形和液壓成形零部件應用較為廣泛。在汽車制造中,熱沖壓成形工藝主要用于鋼鐵材料的加工,Mn-B系鋼應用最為廣泛,如22MnB5、38MnB5等;液壓成形主要應用于管類零件的生產加工。

            熱沖壓成形工藝是將熱沖壓成形用鋼加熱至奧氏體化,在奧氏體溫度區間保溫一段時間后,快速轉移至熱沖壓模具中進行成形和淬火,工藝過程如圖3所示。最終零件組織一般為完全的馬氏體組織,抗拉強度可達到1500 MPa甚至更高。熱沖壓成形工藝結合了沖壓和熱處理過程,奧氏體組織塑性好、變形抗力小,在零件成形后奧氏體轉變為馬氏體,使零部件回彈小、強度高。目前,熱成形件主要應用在 汽 車 安 全 件上,如車門防撞梁、B柱加強板、地板縱梁、門檻梁 等 零 部 件。汽車車身典型熱沖壓零件如圖4所示。

            液壓成形通過對管形件內腔施加液壓力,使其在模具型腔內發生塑性變形,從而得到所需形狀,其工藝過程如圖5所示。與沖壓成形零部件相比,液壓成形件可以直接得到具有封閉內腔結構的零部件,減少了焊接工序,可以達到減少零部件數量的效果,同時能提高零件強度和剛度,輕量化效果明顯。崔禮春等將管件液壓成形技術應用于某車型扭力梁后懸架和副車架,減重效果如表4所示,分別實現減重25%和31%,同時明顯減少焊縫長度,提高了生產效率和可靠性。液壓成形零部件主要應用于前后懸架、副車架、門檻梁、防撞梁等零部件。汽車結構中典型的液壓零件如圖6所示。

            主要輕量化結構材料

            01 高強度鋼

            根據汽車用鋼的強度分類,把屈服強度為210~550MPa、抗拉強度為270~700 MPa的鋼稱為高強鋼,把屈服強度大于550 MPa、抗拉強度大于700 MPa的鋼稱為超高強鋼。

            鋼的強度和塑性之間的關系一般是相互矛盾的,強度的升高一般會降低塑性和韌性。傳統高強鋼的強度難以超過600 MPa,如碳錳鋼(C-Mn Steel)、低合金高強度鋼(High Strength Low Alloy Steel,HSLA)、各向同性鋼(Isotropic Steel,IS)、烘烤硬化鋼(Bake Hardening Steel,BH)、高 強 IF 鋼(High Strength Interstitial Free Steel,HSSIF)等。通過適當的工藝控制鋼的微觀組織以得到高強度、高塑性的先進高強鋼是現代高強鋼的發展趨勢之一。先進高強度鋼一般為多相組織,如雙相鋼(Dual Phase Steel,DP)組織為鐵素體+馬氏體或鐵素體+貝氏體,相變誘發塑性鋼(Transformation Induced PlasticitySteel,TRIP)組織為鐵素體+貝氏體+殘余奧氏體,淬火-配分鋼(Quenching & Partitioning,QP)組織為馬氏體+奧氏體。主要汽車用鋼抗拉強度與伸長率的大致關系如圖7所示。不同高強鋼的用途不同。烘烤硬化鋼適合沖壓汽車的外覆蓋件,具有沖壓成形前較軟、形狀穩定性好和烘烤后抗凹陷性能較高等特點。雙相鋼和相變誘導塑性鋼適合沖壓結構件和安全件等,具有高強度、高碰撞吸收能和高抗疲勞性能等特點。

            02 鋁合金

            鋁合金的密度約為鋼的1/3,且具有高比強度和優秀的防腐性能,在車輛結構件上的應用逐漸增多。汽車制造中使用的鋁合金主要有鑄造鋁合金和變形鋁合金。鑄造鋁合金是將加熱至液態的鋁水注入鑄造模具中冷卻,然后加工成汽車零部件。鋁合金鑄件質量穩定且易于大批量生產,已被車企廣泛使用在輪轂、發動機缸體、變速器殼體、懸架擺臂、發動機懸置等零部件。在車輛中常用的變形鋁合金主要有軋制和擠壓鋁合金,軋制鋁合金主要為5系合金,多為板材,主要用于汽車覆蓋件沖壓成形等。擠壓鋁合金主要為6系和7系合金,多為型材,主要用于車身骨架。我國鋁合金牌號及其對應的合金系如表5所示。

            03 鎂合金

            鎂合金密度約為鋼的2/9、鋁的2/3,輕量化效果顯著。鎂合金在室溫是密排六方結構,滑移系少,塑性變形能力較差,汽車上應用的鎂合金主要是鑄造鎂合金。鎂合金按照體系主要分為Mg-Zn、Mg-Al和Mg-RE系合金,鎂合金的生產加工成本過高與技術水平的差距是鎂合金所面臨的一大難題,但各項研究進展較快,在汽車上的應用逐步增多,主要有儀表板管梁、變速器殼體、座椅骨架等。汽車上應用鎂合金零部件的主要位置及減重效果如圖8所示,可以看出,與鋼材對比,鎂合金減重比例為28%~70%,與鋁合金對比,鎂合金減重比例為22%~42%,減重效果明顯。

            04 碳纖維復合材料

            碳纖維是一種具有高強度、高模量、無蠕變、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞及熱膨脹系數小的新型纖維材料,其含碳量在95%以上。碳纖維復合材料是指以碳纖維為增強相、以樹脂、金屬及陶瓷等為基體的復合材料的總稱。汽車用碳纖維復合材料主要為樹脂基碳纖維增強復合材料,與鋼鐵材料相比,能夠減輕40%~60%的質量;與鋁合金材料相比,能夠減輕25%~30%的質量,是汽車輕量化進程中不可或缺的重要材料,主要應用的零部件有車頂橫梁、引擎蓋、翼子板、保險杠、車頂蓋等。國內外部分碳纖維零部件如圖9所示。目前,碳纖維復合材料的應用還存在諸多限制因素,如成本較高、工藝復雜、難回收等,制約了其大規模應用。隨著技術的進步及成本的降低,未來必將在汽車上得到越來越多的應用。

            結語

            汽車輕量化技術涉及結構、材料、制造等多個環節。在汽車開發過程中,結構和制造工藝的優化已日趨成熟,進一步優化需大幅提升技術和工藝,導致成本的增加和研發周期的延長;新材料的應用成為汽車輕量化的有效技術路線,汽車整車廠、零部件廠及相關材料生產企業加大了研發和推廣的力度。

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