應用熱成型技術實現白車身輕量化實踐案例

周槿楓　孔嬌龍　耿娟

摘 要：隨著現代汽車工業節能環保思想與汽車新四化方針的推進，輕量化技術越來越廣泛應用于乘用車領域。汽車工程師在不犧牲汽車整體性能、整車操縱性的前提下，通過輕量化手段降低車身重量，不僅僅是給汽車生產商帶來成本上的收益，對于整車性能、安全、動力的優化與操縱性的提升，同樣可以帶來十分明顯的提升。據統計白車聲的重量占整車質量的三分之一，在駕駛者使用過程中，將近一半以上的油耗用到了車身質量上。本文將重點闡述某車型在白車身輕量化項目過程中，通過應用熱成型技術實現汽車輕量化的過程，其白車身輕量化進程主要內容大概可以概括為俗語“摸、排、滾、打”，即白車身性能摸底、排查、分析選代、最終打價格戰。

關鍵詞：熱成型技術 白車身輕量化 有限元分析 性能指標

A Practical Case of Applying Thermoforming Technology to Achieve Lightweight Body-in-white

Zhou Jinfeng，Kong Jiaolong，Geng Juan

Abstract：With the advancement of the modern automobile industry's energy conservation and environmental protection thinking and the new four automotive principles， lightweight technology is increasingly widely used in the field of passenger cars. On the premise of not sacrificing the overall performance of the vehicle and the handling of the vehicle， the automotive engineer reduces the weight of the vehicle body by lightweight means， not only bringing cost benefits to the automobile manufacturer， but also for the optimization of the performance， safety， and power of the vehicle. The improvement of maneuverability can also bring an obvious improvement. According to statistics， the weight of the white car sound accounts for one-third of the vehicle's mass. During the driver's use， nearly half of the fuel consumption is used on the body's mass. This article will focus on the process of applying thermoforming technology to realize the light weighting process of a certain model in the body-in-white lightweight project. The main content of the light weighting process of the body-in-white can be summarized as the sayings "touch， row， roll， hit"， that is， the body-in-white performance survey， investigation， analysis and selection， and finally a price war.

Key words：thermoforming technology， lightweight body-in-white， finite element analysis， performance index

1 車身輕量化設計背景

汽車的發展從當初的富人玩具，逐漸優化演變，從代步工具一步一步變成與我們消費者生活密不可分的生活必需品。隨著人們消費水平的提高，汽車已經逐漸從消費者的代步需求向個性化、娛樂性和舒適性邁進，同時對汽車碰撞安全性、強度耐久性與NVH性能要求的不斷提高，必然會導致在車身上加裝各種功能的零部件，提高相應的配置致使汽車的重量不斷增加，這導致汽車的整車整備質量較過去二十年來持續上升。

1.1 車身輕量化的主要設計原則

汽車輕量化設計中應遵循的原則如下：

1.1.1 引入空腔原則

設計過程中，多采用開孔結構，例如工藝孔、減重孔的廣泛應用。

1.1.2 輕盈結構原則

在滿足我們結構強度、剛度的前提下，通過密度較輕的材質、薄壁的結構來實現輕量化。

1.1.3 利用曲率原則

設計過程中，若需要大面積平板結構，通常設計帶有曲率的結構來增加剛度。

1.1.4 放大面積慣性矩原則

設計構成中，多使用空心腔體結構，在滿足慣性矩的性能前提下，實現輕量化設計。

1.1.5 一體化原則

輕量化設計結構時，俗稱為零件合并，類似厚度的零部件可已通過設計成一個零件的手段，減少連接單元，實現輕量化設計。

1.2 車身輕量化的計算方法

輕量化零件的單元受力分析和結構設計在整個輕量化優化工作中占很多的比重，具體工作內容主要是求解內力變量或者變形的微分方程或者方程組。隨著目前計算機性能的提升與普及應用，實際工作中已經越來越多地采用仿真計算方法。迄今為止，有限元法應用最為廣泛。有限元法是面向計算的方法，借助力學單元（梁、殼、板、塊等）的儲存，提供用于軟件技術的匯編算法與解析算法，通過計算程序求解該方程組，輸出結果為節點的變形、應力與支撐的反作用力。

2 熱成型技術在汽車上的應用

2.1 TWB拼焊不等厚

將不同厚度的單件拼接到一起，實現不同區域性能要求下的不用厚度需求，節省材料，實現車身輕量化。

2.2 TRB柔性軋制板

可以通過變厚的材料板材設計，根據不同承受的受力區域來設計板材的厚度和形狀，通過定制產品實現結構減重，最終實現輕量化需求。

2.3 TTP軟區

根據對硬度的不同需求，設計不同區域不同的硬度分區。

2.4 補丁板Patchwork Blank

多針對于需要局部加強強度的安裝點優化，例如座椅安裝點、懸架固定安裝點等，多應用于螺母板結構的拓展。

3 基于某乘用車車型輕量化實踐及思路

3.1 整車摸底

該項工作主要對性能、質量分布、材料分布厚度組成等進行摸底，對現有車型進行初步的了解工作。汽車輕量化設計的主要思路就是在確保穩定性能的基礎上，優化性的設計各總成零部件，持續的優化車型結構，在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質量，從而提高汽車的動力性，結構設計合理性，降低燃油與電力，所以對目前階段車型各項性能的了解程度和性能拆解是輕量化工作的核心內容。

3.1.1 性能摸底

主要針對整車安全碰撞、強度耐久性能、NVH性能三方面進行整車性能摸底，針對基礎車型CAE有限元分析，對靈敏度、弱點區進行方向性確定。

3.1.2 厚度分布摸底

考慮到設計周期的時間成本，修模成本等，當前國內的主要汽車輕量化措施是提高材料等級減薄車身板厚度。通過對車身厚度的逐一篩查，進一步接近輕量化目標。

3.1.3 材料分布摸底

隨著碳纖維、鎂鋁合金、鈦合金等新材料的飛速發展，具有密度低，強度高的零件材料日益增加，但是對于鋼材領域，熱成型件的高性價比，簡單的工藝優勢，仍然在輕量化領域占有很重要的比重。到目前為止，熱成型件在汽車輕量化設計中，仍被廣泛應用。

3.2 整車排查

3.2.1 有限元性能排除工作

根據初步篩選的零部件集，在確保穩定性能的基礎上，重新設計零件厚度并進行性能評估。篩選因零件變動而影響的工況，主要涉及碰撞安全，結構耐久、NVH。如下表1。

3.2.2 成型工藝限制排除工作

熱成型零件雖然具有強度較高的材料屬性，但是其延伸率與冷沖件進行比較，在碰撞潰縮區域表現并不理想。一些冷沖件可以實現的復雜結構熱成型零件很難實現，所以在冷沖件替換熱成型的過程中，還需要進行相應的結構優化。在優化時應以經濟效益為基礎，考慮該零件在集成中的邊界條件進行設計。

3.3 滾動式分析

經過一輪排查后，涉及的零部件并不能完全滿足性能要求，針對未滿足性能需求的零件進行相應的產品優化。這部分工作主要集中在CAE仿真以及成型工藝的分析上，其次產品更改后成本需要重新校核。

3.4 打價格戰

通過完成整車性能包括：強度耐久分析、安全碰撞及NVH、焊裝可行性、基地及分包焊裝線改制、涂裝可行性、尺寸精度控制、供應商開發等工程可行性分析，鎖定預開發件，由采購及商務進行最終一輪整體收益核算與定點，最終鎖定開發零件，實現車身輕量化。

4 總結與反思

目前，能源短缺與可持續化發展早已成為全球焦點問題，石油消耗帶來的汽車尾氣排放污染，已成為大氣環境污染主要的根源之一，給我們環境保護帶來了嚴重的壓力。為了解決目前世界環境問題，世界各國尤其是發達國家都在不斷制定嚴苛的汽車環保法規。在節能、環保的雙重壓力下，汽車產業必須承擔社會責任，設計并研發低排放、零排放的汽車產品，汽車輕量化也正是在這種背景下成了世界汽車發展的潮流。

參考文獻：

[1]王登峰.車身參數化與輕量化設計[M].北京：機械工業出版社，2019.