輕量化鋼板材料及成形技術(shù)在汽車車身上的應(yīng)用研究

梁艷來(lái)

(重慶工商職業(yè)學(xué)院，重慶 400052)

1 輕量化技術(shù)

1.1 汽車輕量化的概念提出

輕量化技術(shù)制造的汽車能夠在提高汽車操控性能的同時(shí)，具有較好的節(jié)約油耗表現(xiàn)。因?yàn)槠囉秃闹饕Q于發(fā)動(dòng)機(jī)的排量與汽車的總重量，在保證汽車質(zhì)量、性能與性價(jià)比的同時(shí)，汽車輕量化能夠有效提升汽車的輸出功率、車速，降低運(yùn)行噪聲、降低油耗以及減少?gòu)U氣排放等特點(diǎn)。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)汽車的整理重量降低100kg，其燃油效率能夠提高0.4L/100km，排放量能減少大約1kg。其中，汽車車身約占汽車總重量的30%。那么在汽車空載情況下，有超過(guò)70%的油耗是消耗在車身重量上?；诖?，研究汽車輕量化能夠有效提升對(duì)于整車的燃油經(jīng)濟(jì)效益、車輛控制的穩(wěn)定性以及汽車運(yùn)行安全性等都大有幫助。據(jù)美國(guó)能源部估計(jì)，到2050年前后美國(guó)國(guó)內(nèi)汽車生產(chǎn)將實(shí)現(xiàn)車身減重65%以上(圖1)。

圖1 美國(guó)能源部預(yù)計(jì)車身減重指標(biāo)

1.2 汽車輕量化的發(fā)展進(jìn)程

汽車輕量化是當(dāng)前國(guó)際汽車制造領(lǐng)域發(fā)展的重要領(lǐng)域之一，為此諸多國(guó)家都投入了相當(dāng)大的人力、物力以及資金致力于此方面的研究。早在1994年，國(guó)際鋼鐵協(xié)會(huì)就啟動(dòng)了在汽車制造領(lǐng)域著名的研究項(xiàng)目——ULSAB。此項(xiàng)目當(dāng)時(shí)匯聚了超過(guò)18個(gè)國(guó)家的35個(gè)鋼鐵企業(yè)，旨在以減輕鋼鐵材質(zhì)重量、提高鋼材結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、提高鋼材安全性能、簡(jiǎn)化制造工藝并降低其生產(chǎn)成本為目標(biāo)。隨后在1998年前后，國(guó)際鋼鐵協(xié)會(huì)又進(jìn)一步啟動(dòng)了ULSAC項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了與同類型車型相比，減重比例超過(guò)32%。與此同時(shí)，美國(guó)為提升國(guó)內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力啟動(dòng)了PNGV計(jì)劃，并最終在當(dāng)時(shí)實(shí)現(xiàn)了減輕自重40%的比例。2005-2009年間，來(lái)自歐洲9個(gè)國(guó)家37個(gè)頂尖機(jī)構(gòu)參與的“Super LIGHT-Car計(jì)劃”開始進(jìn)入研發(fā)。其主要的重點(diǎn)研究領(lǐng)域則是緊湊型量產(chǎn)車型的輕量化技術(shù)研究，最終通過(guò)使用不同材料的搭配組合實(shí)現(xiàn)了減輕重量約37%。同時(shí)，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)“減重提質(zhì)”的目標(biāo)，諸多鋼鐵企業(yè)也開始進(jìn)行獨(dú)立化的研究之路。在2007年世界聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)上，國(guó)際鋼鐵協(xié)會(huì)宣布了新型汽車制造計(jì)劃——“FSV-未來(lái)鋼鐵汽車”計(jì)劃。該計(jì)劃提出了進(jìn)一步明確汽車輕量化的“鋼制一體化汽車車身理念”。而在當(dāng)時(shí)，包括我國(guó)寶山鋼鐵股份有限公司和鞍鋼集團(tuán)有限公司在內(nèi)的國(guó)內(nèi)外16家知名鋼鐵公司，共同開展生產(chǎn)輕量化汽車的材料解決方案。在我國(guó)揚(yáng)州市舉辦的2019年第十三屆國(guó)際汽車輕量化大會(huì)上，吸引了國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者的參與。截止目前，我國(guó)已經(jīng)形成了從整車到配套設(shè)施，從汽車生產(chǎn)到技術(shù)研發(fā)于一體的汽車產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈條，形成了車門防撞梁、座椅骨架、車門板、異種材料連接等輕量化技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)成果。

2 輕量化鋼板材料及成形技術(shù)在汽車車身上的應(yīng)用

2.1 輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的最常見手段之一。具體而言就是在固定約束條件下，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量最輕、成本最小、強(qiáng)度最大等目的，利用CAD、CAE和CAM等一體化技術(shù)，從而在設(shè)計(jì)上體現(xiàn)輕量化理念。當(dāng)前各大汽車生產(chǎn)企業(yè)也對(duì)汽車的輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化給予了高度重視。當(dāng)前國(guó)際主流的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法為形狀優(yōu)化法、尺寸優(yōu)化法、拓?fù)鋬?yōu)化法和形貌優(yōu)化法等方法。以拓?fù)鋬?yōu)化法為例，連續(xù)拓?fù)鋬?yōu)化法是在給定區(qū)域內(nèi)，在滿足一定約束條件的基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化搜索方法從而得出車身材料的最佳配比。當(dāng)前拓?fù)鋬?yōu)化法中常用的技巧主要有3種，分別是均勻法、漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法以及水平集方法。離散結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化法則是將汽車結(jié)構(gòu)使用最優(yōu)算法進(jìn)行求解。隨著拓?fù)鋬?yōu)化法的逐漸應(yīng)用，漸漸形成了汽車車身拓?fù)鋬?yōu)化流程，具體如圖2所示。

圖2 汽車車身拓?fù)鋬?yōu)化流程示意圖

2.2 制造工藝的整體應(yīng)用

當(dāng)前，除了針對(duì)于傳統(tǒng)鋼材以及鋁鎂合金等汽車車身材料的直接應(yīng)用域外，各國(guó)汽車企業(yè)還開發(fā)出了諸多先進(jìn)的制造工藝來(lái)進(jìn)一步降低汽車的生產(chǎn)成本與車身整體重量。主要包括下列幾種工藝：第一，液壓成型工藝。液壓成型是指將準(zhǔn)備代加工的關(guān)鍵鋼材或其它復(fù)合型鋼材放置于密閉的模具當(dāng)中，然后將其材料一體化成型，極大地提高了車身材料的牢固性與安全性，也進(jìn)一步減少了因焊接問(wèn)題導(dǎo)致的車身重量加重的問(wèn)題。液壓成型工業(yè)能夠極大地替代傳統(tǒng)的汽車加工模式，例如發(fā)動(dòng)機(jī)支架、后橋和排氣系統(tǒng)等等。第二，激光焊接工藝。激光焊接主要是指將各類復(fù)合型鋼板通過(guò)激光進(jìn)行拼焊，從而在物力構(gòu)造上改變汽車車身的使用性能，同時(shí)在很大程度上能夠提升車身減重比例，最終使得汽車整體安全性和適用性得到較大提升。