雙相鋼在卡車車門輕量化應用有限元分析

顧 斌，劉 珂，閆江江

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司 技術中心，安徽 馬鞍山 243000）

車門是汽車車身的重要組成部分，由車門內板、車門外板、防撞桿、鉸鏈等零件通過包邊和焊接工藝組合而成。車門因零件數(shù)量多、尺寸大，重量占比高，成為車身輕量化的研究熱點。當前，車門輕量化常用方式有兩種：一種是采用低密度輕質材料，例如鋁合金板、碳纖維材料；另一種采用高強度級別鋼板降低厚度。隨著國家碳達峰和碳中和“雙碳”目標的提出，輕質材料車門外板在新能源汽車領域受到廣泛關注，但受成形、連接、涂裝、生命周期評估以及成本等方面限制，市場主流車型依然以鋼制車門為主。由于車門內板成形復雜，激光拼焊板工藝得到大量應用。

雙相鋼因具有良好的成形、焊接、涂裝和碰撞性能，成為當前汽車車身應用比例最高的高強鋼，通過合理設計成分和生產工藝，可以開發(fā)出不同強度級別的雙相鋼。因此，學術界和產業(yè)界投入大量的人力和物力，做了大量的研究。近年來，國內某鋼廠成功開發(fā)了應用于汽車外板的超高級精整表面質量的低強度級別雙相鋼DP450，相比現(xiàn)有鋼制車門外板（軟鋼、高強無間隙鋼和烘烤硬化鋼），具有更高的強度及烘烤硬化值，同時無時效性，作為汽車外板具有極大的研究和市場應用價值。

本文將以卡車車門小總成為研究對象，車門外板采用厚度為0.7 mm的DP450代替厚度為 1.0 mm的 DC04冷軋鋼板，車門內板采用0.8 mm和1.0 mm差厚度DC06激光拼焊板代替厚度為1.0 mm的DC06冷軋鋼板，有約5 kg的減重效果，并針對車門內外板的成形性能，輕量化設計后車門性能開展有限元仿真分析。

1 車門有限元模型的建立

采用Unigraphics（UG軟件進行某卡車車門小總成三維建模，將建好的模型分別導入Autoform和HypeWorks軟件，其中在Autoform軟件中進行車門外板和車門內板零件網格劃分，建立成形性分析有限元網格模型，工藝及參數(shù)設置參照實際沖壓參數(shù)，坯料為矩形料，材料性能參數(shù)如表1所示。采用HypeWorks進行車門小總成性能分析有限元建模，網格基本尺寸選擇8 mm，有限元模型建成后共有48 142個網格單元，其中三角形單元2 312個，占總數(shù)的4.8%，內外板采用剛性rigid連接方式模擬包邊工藝，點焊用Cweld單元來模擬，膠用solid實體單元來模擬。

2 車門內外板零件成形性仿真分析

相比常規(guī)車門外板材料，DP450雙相鋼材料強度有大的提升，塑性有所下降，零件的可制造性需要重點關注。通過 Autoform軟件模擬零件實際成形過程，仿真結果如圖1(a)和圖1(b)所示，輕量化方案與原方案相比零件成形性能基本相當，零件本體拉延充分。在車門左右門窗位置原方案與輕量方案均存在開裂風險，風險區(qū)域為同一位置，均位于零件工藝補充面上，裂紋未擴展到零件本體，后工序修邊沖孔可將風險區(qū)域消除如圖1(c)所示。

根據(jù)現(xiàn)有研究，材料的擴孔率常用來表征翻邊性能，DP450因良好的軟硬相配比，其中硬質相含量約為11%，硬質相中含有貝氏體組織，貝氏體硬度介于鐵素體和馬氏體兩者之間，能夠促進鐵素體和馬氏體的協(xié)調變形能力，有利于提高材料擴孔性能，DP450擴孔率達到70%，滿足門外板零件成形性要求。采用輕量化車門外板方案可實現(xiàn)減重約3.69 kg。

針對車門內板深拉延零件成形要求高，選材上使用與原材料一致為DC06，輕量化設計采用激光拼焊板工藝，材料厚度差選擇為0.7 mm、1.2 mm；0.8 mm、1.0 mm；0.7 mm、1.0 mm激光對焊，依次標記為方案2a、2b和2c，材料方案如表2所示，焊縫位置如圖2所示。沖壓成形仿真結果如圖3所示，方案2a材料厚度差較大，導致焊縫靠近0.7 mm一側開裂，裂口從工藝補充面擴展到零件本體，不滿足零件成形性要求；方案2b零件本體成形性良好，風險位置為零件工藝補充面，不影響零件本體成形，滿足零件成形要求；方案2c焊縫靠近0.7 mm側有開裂風險，且開裂位置有向零件本體擴展趨勢，不滿足零件成形性要求。車門內板確定方案為方案2b，可實現(xiàn)減重1.48 kg，車門小總成累計減重達5.17 kg，減重比為20.5%。

3 車門模態(tài)仿真分析

模態(tài)是車門性能分析的重要部分，可用于確定復雜結構的動力特性。車門作為一個獨立的系統(tǒng)，具有自身固有頻率和振型，影響著整車的噪聲、振動與聲振粗糙度性能，所以要盡量避免和整車激勵頻率及車身固有頻率重合，減少共振帶來的危害。通常整車激勵頻率主要是來自兩個方面，一是由于路面不平引起的輪胎和懸架跳動，主要集中在低頻段為1 Hz～3 Hz；二是由于發(fā)動機運轉引起的振動，該車搭載的是四缸發(fā)動機，怠速工況下其主激勵頻率約為22 Hz。

通過HyperWorks軟件進行有限元模型前處理，采用Block lanczos法進行自由模態(tài)計算，根據(jù)上面成形性結果車門模態(tài)材料屬性定義為車門外板采用DP 450*0.7 mm，車門內板采用0.8 mm、1.0 mm DC06，其余部件材質和厚度保持不變。由于車內噪聲的頻率主要集中在100 Hz，因此，對車門模態(tài)分析限于100 Hz以內，并提出前10階模態(tài)作為仿真試驗結果，計算得到車門的前十階模態(tài)結果如表3所示。

從表3中可以看出，輕量化方案車門1階扭轉頻率為27.95 Hz，振型表現(xiàn)為車窗邊框局部彎曲，窗框頂角彎曲變形最大如圖4(a)所示，與標桿車1階扭轉頻率30.11 Hz相比模態(tài)略有下降，低于標桿車1階扭轉頻率2 Hz以上，3階模態(tài)頻率為41.44 Hz，振型為1階彎曲如圖4(b)所示，與標桿車相比模態(tài)略有下降。經靈敏度分析，影響模態(tài)主要因素為車門外板厚度，外板厚度增加可使車門整體模態(tài)頻率得到提升，車門內板厚度對振型影響較大，基本上不改變模態(tài)頻率。考慮到輕量化后的各階模態(tài)頻率較好避免以上幾種主激勵頻率，避免共振產生的隱患，滿足標桿車目標設計要求，所以對于車門外板不再做厚度優(yōu)化處理。

4 車門抗凹性仿真分析

通常降低厚度會對汽車覆蓋件剛度產生影響，嚴重時覆蓋件會發(fā)生凹陷，影響汽車安全性和舒適性。目前，行業(yè)內常用抗凹性試驗來評估覆蓋件抵抗局部凹陷的塑性變形能力。以一定載荷作用下產生的凹陷位移作為評價依據(jù)，如凹陷位移小于設計要求目標值，則認為抗凹性合格?？拱夹栽囼灧椒ㄖ饕譃橹鸫渭虞d法和一次加載法。本模擬試驗采用逐次加載法，在車門外板施加垂直于車門外板的均布壓強，壓強大小為1e-4 MPa，并對車門鉸鏈安裝點和門鎖中心點位置的1～6自由度進行約束。根據(jù)車門外板變形情況，選取車門抗凹性測試點位置，如圖5所示，選取3個變形較大的位置作為抗凹性測試點，以直徑25.4 mm的剛性壓頭對車門外板選取的抗凹性測試點進行加載，對壓頭施加沿車門外板法線方向的作用力。加載方式分為兩步：（1）加載130 N的作用力，并卸載；（2）加載150 N的作用力，并卸載。

計算抗凹性能仿真結果如表4所示，輕量化方案抗凹性測試點凹陷位移變形量依次為1.30 mm、2.54 mm和3.83 mm，與標桿車仿真結果相比凹陷位移變形量最大值相差1.18 mm，最大值均為抗凹性測試點3，采用輕量化方案車門抗凹性能有所下降，但均滿足標桿車設計目標值凹陷位移最大變形量≤7 mm。

根據(jù)覆蓋件剛度所用撓度產生的關系為服強度和抗拉強度沒有直接關系，但與材料彈性模量也相關，材料彈性模量越大，零件的剛度也越好。對于DP450和DC04材料彈性模量基本相差不大，分別為208 GPa和203 GPa，所以輕量化方案抗凹性能下降主要原因為材料厚度降低。

式中，為撓度，mm；為剛度系數(shù)；為施加的載荷，kN；為沖壓件厚度，mm。

可以看出，材料厚度對剛度有重要影響，材料厚度越大，撓度值就越小，剛度就越強。另外，剛度屬于彈性變形范圍之內，與材料塑性指標屈

5 結論

（1）基于有限元分析方法采用DP450*0.7 mm雙相鋼作為車門外板和0.8 mm、1.0 mm激光拼焊內板工藝，零件拉延充分，零件本體成形良好無起皺開裂，滿足成形性和可制造要求。

（2）輕量化設計后的車門1階扭轉頻率為27.95 Hz，1階彎曲頻率為41.44 Hz，各階模態(tài)頻率較好地規(guī)避主激勵頻率，滿足車門設計模態(tài)要求。

（3）量化設計后的車門抗凹性凹陷位移變形量最大值為3.83 mm，與標桿車相比略有下降，均滿足車門設計目標值7 mm以下。

綜上，采用DP450*0.7 mm雙相鋼作為車門外板和0.8 mm、1.0 mm激光拼焊內板作為卡車車門從成形性、模態(tài)和抗凹性能方面分析具有可行性，可實現(xiàn)車身減重約5 kg，減重比約為20%，可以作為未來車型選材設計備選方案。