輕量化車身系統性能評價方法研究

韓友國，徐承付，吳洪濤，劉向陽

(1.奇瑞新能源汽車股份有限公司，安徽蕪湖 241003；2.新能源汽車輕量化技術安徽省重點實驗室，安徽蕪湖 241003)

0 引言

近年來，新能源汽車得到高速發展。以下兩份文件對我國新能源汽車的發展規劃、技術路線做了系統、全面地剖析：2020年10月20日國務院辦公廳印發的《新能源汽車產業發展規劃(2021—2035年)》(簡稱《規劃》)與2020年10月27日中國汽車工程學會發布的《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》(簡稱《路線圖2.0》)。

《規劃》指出：到2025年，純電動乘用車新車平均電耗降至0.12 kWh/km，新能源汽車新車銷售量達到汽車新車銷售總量的20%左右;到2035年，純電動汽車成為新銷售車輛的主流。《路線圖2.0》提到：預計到2035年，節能汽車與新能源汽車年銷量各占50%。同時提到在輕量化技術領域：近期以完善高強度鋼應用為體系重點，中期以形成輕質合金應用體系為方向，遠期以形成多材料混合應用體系為目標。未來，將引入“整車輕量系數”“載質量利用系數”“掛牽比”等作為衡量整車輕量化水平的依據。到2035年，預計燃油乘用車整車輕量化系數降低25%，純電動乘用車整車輕量化系數降低35%。

大量研究結果表明，燃油汽車整備質量每減少10%，汽車尾氣排放量將減少10%，能耗將減少5%～8%。對于新能源電動汽車來說，汽車整備質量每減少10%，續航里程增加5%以上。輕量化不僅與整車經濟性息息相關，同樣影響著動力性、碰撞安全性、操縱穩定性以及耐久可靠性等。

1 車身系統輕量化的實現與評價

完整的汽車車身系統應該包括：門蓋系統(前艙蓋系統、車門系統、行李箱蓋系統)、車身骨架系統、車門機構與附件系統以及天窗系統這幾大類。當然，部分車型配置沒有天窗系統，常見的車門系統為四門系統(也有部分車型配置是雙門系統)。車身系統分類如圖1所示。

圖1 車身系統分類

1.1 車身系統輕量化實現路徑

數據顯示，純電動車型車身模塊占整車整備質量的30%左右，表1列出了3款EV車型質量數據。一般而言，車身骨架系統占車身模塊質量的50%以上，因此車身骨架的輕量化研究相對更為廣泛。

表1 3款EV車型質量數據

車身輕量化技術的應用，前提是需要保證車身部件具有足夠的剛度及強度，同時借助CAE仿真評價法及實物測評法對零件的結構進行優化設計，如拓撲優化、尺寸優化、形狀優化及多學科優化等，通過車身零部件的薄壁化、中空化、小型化或集成化，來減小車身骨架和車身覆蓋件的質量或數量，從而達到車身減重的目的。

除了上述結構優化方式外，輕量化路徑還可以采用如下幾種方式：①使用輕量化材料，通過大量使用輕質、高強材料實現車身大幅減重。這些材料主要可以分為兩類，一類是高強鋼材料，包括普通高強鋼、先進高強鋼以及超高強鋼;另一類是低密度材料，包括鋁合金、鎂合金、塑料、復合材料等。②使用先進制造工藝，運用激光焊接、激光拼焊等方式。其中，激光拼焊板即采用激光焊接技術把不同厚度、不同表面鍍層甚至不同原材料的金屬薄板焊接在一起，形成沖壓用坯料。

1.2 車身系統輕量化評價方法

團體標準T/CSAE 115—2019《乘用車整車輕量化系數計算方法》中對于整車級別的輕量化系數給出了明確的計算公式；而對于車身系統的輕量化研究，行業內有以下幾種較為常用的計算方法：

(1)車身輕量化系數

=(·)，

式中:為車身輕量化系數；為白車身質量，kg；為白車身靜態扭轉剛度，N·m/(°)；為白車身正投影面積，m，由整車軸距與輪距相乘得到。

(2)車身體密度

=，

式中:為車身體密度，kg/m；為白車身質量，kg；為白車身體積，m。

不同車型的體積計算公式如下：

式中:為車身長度，m；為軸距，m；為車身寬度，m；為車身高度，m。

實際應用中，上述兩項指標數值越小，表示車身輕量化水平越高。但是，車身輕量化系數法有一定的局限性。受扭轉剛度影響，部分車型的車身輕量化系數小但車身質量不一定輕，進而節能減排的效果也不一定好。至于車身體密度法，應用的前提則是要保證車身的靜剛度。

2 車身系統性能評價方法研究

車身系統性能評價示意如圖2所示。

圖2 車身系統性能評價示意

文中以車身骨架系統為例進行闡述。對于輕量化設計的車身系統的性能評價，剛度和疲勞耐久是兩項比較關鍵的維度。系統性能評價方法見表2。

表2 系統性能評價方法

2.1 CAE仿真評價法研究

(1)剛度性能評價方法

基于白車身實體模型，運用HyperMesh前處理軟件進行網格劃分(常用四邊形殼單元為主、三角形網格過渡的單元形態，采用Acm單元模擬點焊，Rigids單元模擬弧焊及螺栓連接)；之后施加約束、載荷，定義材料參數，再轉為bdf格式文件導入Nastran軟件中進行仿真計算；將生成的op2文件導入HyperView中進行后處理工作，最終得出白車身的彎曲剛度與扭轉剛度。上述仿真結果最終要與設計要求進行對比，若不符合要求則需要進一步優化設計。

(2)疲勞耐久性能評價方法

一般采用虛擬試驗迭代驅動轎車車身進行耐久性分析。建立基于ADAMS的多體動力學模型，輸入耐久試驗場實車采集的六分力載荷譜數據，提取接口(車身安裝點)動態載荷譜；同時，結合上述靜態仿真獲得的接口點單位載荷；運用FEMFAT疲勞仿真軟件，最終得出白車身疲勞損傷值，以此折算出車身骨架的疲勞耐久性能。若仿真結果不符合要求，需要制定結構優化方案，并重新進行疲勞耐久性能仿真分析，以最終達成目標。

2.2 實物測評法研究

(1)臺架測試評價方法

靜態剛度一般采取專用的測試臺架進行測試，行業內常用的彎曲剛度可用車身在鉛垂載荷作用下產生的撓度大小來描述或者用單位軸距長度最大撓度量來評價；扭轉剛度則可以用車身在扭轉載荷作用下產生的扭轉角大小來描述或者用單位軸距長度軸間相對扭轉角來評價。將測試結果與設計要求進行對比，同時可以對標CAE仿真結果，相互驗證。此外，車身疲勞耐久性能可以通過四立柱或者二十四通道臺架模擬裝置進行試驗，通過特定循環的加載，觀察試驗過程車身結構的變化情況，據此得出評估結果。

(2)整車場地測試評價方法

這種方法本質上屬于實車搭載驗證，一般通過專用的汽車綜合試驗場實施，企業內部大多有適合自身車型以及特定試驗場的耐久試驗規范。實施對應的耐久試驗循環，試驗全程可以觀察實車表現，試驗后進行全車拆解、探傷，以此對車身疲勞耐久性能做出評價。這種方式既適用于車身，也適用于底盤結構件，是一種相對真實、準確、可信的測評方法。

3 結束語

新能源汽車行業發展迅猛，車身輕量化的研究對于節能減排意義重大，然而重視輕量化并不意味著要犧牲整車性能，尤其是涉及的安全類性能不可忽視。產品開發中需要考慮兩者的內在平衡。一方面，輕量化技術的實現路徑基本清晰，結構優化與新型用材、先進工藝相結合；另一方面，無論是CAE仿真評價法還是實物測評法都能對輕量化車身系統的關鍵性能做出一定評估。實際產品開發中，需要將兩種方法聯合起來，綜合對比、相互印證，才能夠得出更為精準的結果，以達到更好的效果。