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佳通轮胎,难以想象,轿车车身竟在如此多区域都需求用到高强度钢-雷火苹果app

admin 欧冠最新报道 2019-11-04 251 0

笔者吉大车身工程系出身,目前白车身钣金工程师一枚,对汽车车身的涉猎算是专业层面的,当然,学无止境,为了不给导师和学校丢脸,在写文之前,特意翻了一下之前的专业书,这些书被我从大长春一路背到大上海,至今仍陪伴在我身边。

分割线,正题开始---------------------------------------------------------------

关于白车身的高强度钢应用这个问题,我整理了几个小结,每小结第一段为言简意赅的内容,其他段落为引申部分,耐心不够好的~看官们可以直接浏览每小结第一段。

1.什么是白车身(BIW)

2.高强度钢定义

3.白车身中哪些部位需要用到高强度钢

4.高强度钢和车身轻量化

一.什么是白车身

白车身的英译名字是Body in white,指的是焊接总成焊接完毕后但又未经过涂装车间的车身结构,不包括四门两盖等覆盖件及运动件。

我相信绝大多数的看官对“车身”都有一个大略的认知,除了这些覆盖件,装饰件和功能件以外不就是车身了吗?那么我要恭喜各位,你答对了。但是白车身与车身定义有所不同,直观一点,白车身经过涂装工艺后,再加上座椅、玻璃、仪表板等内外饰,在装配上电子电器件、底盘和动力系统后,就是一台整车。

车身主要分为两种:承载式车身和非承载式车身,目前几乎所有轿车和绝大多数SUV车型采用的都是承载式车身,因为承载式车身舒适性更好、空间利用率更高、重心低操控性更好、重量低燃油性能更好,但在强度方面,要稍差非承载式车身一些。

承载式白车身

二.高强度钢的定义

高强度钢(HSS)是指屈服强度在210-550MPaMPa之间、抗拉强度在270-700MPa之间的钢材。

工程上通常通过拉伸强度(Mpa)和屈服强度(Mpa)两个参数值来区分定义高强度钢、现金高强度钢、和超高强度钢,其中抗拉强度很好理解,就是材料抗拉的能力,简单理解就是材料不被拉断的能力强弱。

抗拉强度示意图

屈服强度是指材料抵抗微量塑性变形的能力,比方说一块钢板屈服强度为350MPa,如果外力大于350MPa,钢板就发生了脆性形变,零件失效,永远无法恢复

屈服强度示意图

为什么高强度钢会有如此高的强度呢?究其原因是因为它是经过固溶强化、析出强化、晶粒细化强化和组织相变强化四个强化过程,十七屈服强度和抗拉强度都很高,还具有抗撞性和抗凹性。高强度钢主要包括碳锰钢、无间隙原子钢、烘烤硬化钢等普通高强度钢;还有双相钢、相变诱导塑性钢、马氏钢体等先进高强度钢,因为高强度钢的力学性能更均匀,回弹较小,更高的抗撞性和疲劳寿命,可以降低也是用钢板的厚度,同时起到加强作用,因此,高强度钢在满足性能需求的同时还可以是汽车达到轻量化的目的。

三. 车身那些区域会用到高强度钢

1. 前后防撞梁、车门防撞梁、前后纵梁

2. 中央通道、座椅横梁、

3. 门槛纵梁、顶盖横梁

4. A 柱加强板、B柱加强板和风窗立柱加强板

汽车高强度钢应用区域示意图

这些都是车身对性能要求比较敏感的区域,比如中国的前部小偏置碰(Small Over lap)法规要求,以及侧碰、后碰和头部保护等各种碰撞性能要求,这个时候就需要这些区域的零件有较高的性能需求,已达到保护乘客的安全。

高强度钢具有很大的屈服强度和拉伸强度,能够在很大程度上提高车身零部件的变形能力和吸能能力,同时还可以扩零部件的弹性应变区。

在车身上应用高强度钢可以极大地提升车身动态性能、动静态扭转刚度、固有频率、NVH性能和整车碰撞性能;高强度钢的强度性能表现极好,却同时也存在着本身的缺点,如密度高、重量大、变形困难、容易开裂,因此,在车身中通常在对碰撞性能比较敏感的区域应用高强度钢。

四. 高强度钢和车身轻量化

前面已经提到过,高强度钢密度较大,这也意味着体积相同的高强度钢在重量上要远大于普通钢材,那是不是意味着高强度钢不利于车身轻量化目标呢?答案是否定的,NO!

针对上述的性能敏感区域来讲,如果单纯的考虑使用轻质材料或者普通钢材,如果想要达到碰撞性能需求,那么势必就要增加板材料后,这会导致车身重量增长,反过来,如果在这些区域采用高强度刚,则不需要料厚值很大就能满足性能需求,反而会降低用料重量,从而有利于车身轻量化。

因为力的传导路径是不固定的,不同的项目或者项目的不同时期方案的变更,都会导致力的传导路径变化,因此通常板材的料厚和轻量化是需要多学科共同优化的,那么如何来进行优化呢?

首先要有优化模型…然后要选定设计变量,变量不能选太多,毕竟设计变量的增加会导致设计维度的增加,耗时也会大大增加,比如通常会选择直接关系到车身强度、碰撞安全和NVH性能的两个参数:刚度和模态,运用不同的分析方法,比如基于刚度模态的板料灵敏度分析来寻找最佳方案。

实际上基于正碰、侧碰等不同的性能需求,需要有不同的实验和求解过程,我们以满足静动态性能的轻量化优化为例:

1. 选定算法:对于多目标问题的优化通常可以采用将多个目标一期优化的多目标遗传算法,多目标遗传算法是以达尔文进化论和孟德尔遗传学为基础,模拟生物进化和遗传机制发展形成的全局搜索和优化算法,特点是高效、并行和全局搜索。

遗传算法流程图(NSGA)

2. 分析模拟模型的定义:选定问题以后就可以进行问题模型的定义,例如正碰或者侧碰或者小偏置碰的实验方案和近似模型建立。

3. 数学模型:根据已经确定的设计变量,优化目标和约束条件和轻量化设计要求,将静动态性能的轻量化优化问题通过数学模型来表达:

式中,Mass为车身部件总质量,Torsion为扭转刚度,f1为顶盖平移及前端扭转频率,f2为一阶扭转频率,Bend为弯曲刚度,设计变量取值范围为0.8-2.5mm

4. 计算和结果分析:当通过多目标遗传算法求解后,可以看出,参数设置对结果是有一定影响的,并且经过多次迭代后,目标函数逐渐收敛,多目标遗传算法可以给出多种满足约束的优化解,不存在唯一的最优解,因为重量和扭转刚度这两参数值是相互矛盾的,不可能同时取得最优解,扭转刚度越大,某些区域钣金件的料厚就需要更大,导致重量增加,若需要车身重量较优,,则需降低钣金零件厚度,相应的扭转刚度会变低。

5. 多目标优化解

车身的轻量化设计必须满足动静态、碰撞安全和疲劳寿命等多性能要求,如何选择合适的材料、在哪些区域选择什么样的材料,这是需要经过CAE和BIW工程经过多番计算验证以后,才能得出最优化的方案,不是单纯的越强越好,或者越轻越好,轻量化是一门高深的课程,毕竟从车子本身的性能到消费者的切身利益,车身减重都能做出巨大的贡献。当然,汽车轻量化不是简单的降低重量,而是在成功减重的同时还能对整车的性能有所提高才是轻量化的真正意义。那么对于众汽车厂商而言,如何做到在减轻车身重量的同时保证静态扭转刚度和动态扭转刚度,从而保证车身抗扭性能和整车NVH性能;如何做到减少整车重量,却可以保证配置不被减少甚至有所升级;如何做到减少重量的同时保证碰撞新能拥有更好的主被动安全且能平衡成本,将会是各大主机厂未来的研究方向。如何围绕着材料选择、优化设计、先进工艺三方面同时进行改良和提高, 是每个主机厂应该认真研究的课题,可以说,谁真正的掌握了轻量化技术,谁就可以在激烈的竞争中脱颖而出,笑傲群雄!

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