汽车车身结构轻量化

汽车车身结构轻量化（精选7篇）

汽车车身结构轻量化 篇1

1 电动汽车车身轻量化设计

1.1 尺寸优化方法 尺寸优化即是在给定结构的类型、材料以及几何外形的基础上, 对不同组成构件的截面尺寸予以优化, 从而实现结构最轻化, 比如说对节点附近已定的桁架结构得出各梁的最优截面尺寸;对几何形状确定的平面板结构求各个位置的最佳厚度等。

1.2 形状优化方法 形状优化即是当结构类型、材料以及布局确定的基础上, 对车身结构的几何形状予以优化, 比如说在布局确定的情况下对桁架的节点位置予以优化设计;对内部开孔尺寸以及形状予以优化。形状优化法和尺寸优化法属于几类优化方法中发展最为成熟且最容易实现的, 当前应用相对普遍, 较多商业有限元软件内部都具备这一模块。

1.3 形貌优化方法 形貌优化属于形状优化法的进一步拓展, 采用的变量是形状变量。形貌优化设计位置首先被分为很多独立变量, 之后进行迭代优化, 同时计算出变量对结构所造成的影响。通过指定板壳单元节点在其法向的移动量, 对有限元网络模型的结构形状予以调整, 最终得到符合设计目标的最优化移动节点区域的组合, 它和基于钣金面上的强化筋布置设计流程比较相似。形貌优化目标函数包含车身零件频率和强度等参数, 设计变量为节点位移变化向量, 加强筋方向通常来说和冲压方向相同, 还应当确定最大和最小起筋宽度以及加强筋角度等;设计变量区间选择也能够当作约束条件进行处理[1]。

1.4 拓扑优化方法 因为结构的尺寸优化、形状优化以及形貌优化全部是在结构布局固定的基础上实现的, 优化设计可以达到的实际作用也仅仅限制在之前所确定的设计布局中, 无法对结构拓扑形式进行更改。所以, 可在结构设计的概念设计开始时, 选择拓扑优化的方式来实现车身轻量化的设计目标。拓扑优化措施指的是在给定的区域中, 按已知外载和支承等约束条件, 计算出承受单位荷载的最佳结构材料分配方案, 从而确保结构刚度的最大化或者让输出位移和应力等符合规定要求, 拓扑优化方法是有限元分析以及数学优化措施的结合。

2 轻量化车身连接技术

2.1 中频焊接 中频逆变直流电阻焊控制电源是通过整流电流转变为脉动直流电, 通过功率开关器件构成的逆变电流转化为中频方波接入变压器。逆变器一般来说选择电流反馈脉宽调制来保证相对稳定的电流输出。中频定位焊接的优势在于热效率较好, 电流焊接热效率相对交流定位焊接来说更高, 同时还能够选择低电流进行焊接。所以, 中频定位焊接技术可以对高强度钢、带镀层钢板、铝合金和不锈钢等多种材料实施焊接。

2.2 激光焊 高强度钢的屈服强度一般来说是普通钢板的3 倍左右, 铝的电阻相对钢来说更小且具备更优的导热系数, 借助于传统的定位焊接方法是无法进行的。现阶段汽车制造行业应用相对普遍的激光焊接技术一般包括了如下几种:激光钎焊、激光熔化焊以及激光MIG复合焊。采用激光焊接技术对高强度钢进行焊接, 能够让车身遭遇撞击后将能量转移到高强度钢板上, 从而有效的增加车身强度。激光焊接能够应用到各种型号、异种金属的焊接工作中, 特别符合超高强度钢板与轻合金的焊接要求。

2.3 特种焊接 特种焊接技术通常适合热塑型汽车复合材料的焊接, 其优势在于具备良好的机械性能, 连接位置的耐用性较强, 焊接作业时间短, 检测方便等。现阶段, 热塑性汽车复合材料的焊接处理技术包括以下两种类型:超声波焊接以及电感应焊接。但是这两类焊接方法的缺陷在于:电感应焊接作业过程中必须在复合材料内加入导电性填料, 同时两种焊接技术可允许的碳纤维含量非常低。

2.4 机械连接 机械连接一般是借助于铆钉与螺栓, 无需对其表面实施预先处理或后续抛光, 如此就更有利于反复拆卸作业, 不会对环境造成较大影响。相对于镁合金与其它材料的连接, 可依靠机械连接与粘接的混合连接方式, 如盲铆、半空心铆以及实心铆等冷冲铆连接技术。机械连接方法通常应用在钢材、轻合金等异种材料之间的连接作业中[2]。

3 结语

当前, 新能源汽车技术得到了飞速发展, 宝马、奔驰、丰田等世界知名汽车厂商也越来越重视这一市场, 国内很多自主汽车品牌也开始制定电动汽车发展战略。创新与发展电动汽车车身轻量化技术, 让其拥有更好的动力性与舒适性, 是增强电动汽车市场竞争力的有效方式, 也是未来汽车行业发展的重要方向, 因此有必要对其进行更加深入的研究。

摘要：能源和环境问题让电动能源汽车有了更加广阔的发展前景, 纯电动汽车和混合动力汽车也成为了汽车行业发展的必然趋势。对电动汽车来说, 现阶段因为电池单位质量储能较低以及续航情况较弱, 因此必须要重视其车身的轻量化设计。

关键词：电动汽车,轻量化,车身设计

参考文献

[1]孙飞豹.电动汽车车身轻量化设计刍议[J].商.2014 (51) :156.

[2]廖君, 王冯良, 胡望岳等.电动轿车车身轻量化优化设计[J].机电工程.2009 (26) :76.

汽车车身结构轻量化 篇2

究报告

编制单位：北京智博睿投资咨询有限公司

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本报告是针对行业投资可行性研究咨询服务的专项研究报告，此报告为个性化定制服务报告，我们将根据不同类型及不同行业的项目提出的具体要求，修订报告目录，并在此目录的基础上重新完善行业数据及分析内容，为企业项目立项、申请资金、融资提供全程指引服务。

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报告通过对项目的市场需求、资源供应、建设规模、工艺路线、设备选型、环境影响、资金筹措、盈利能力等方面的研究调查，在行业专家研究经验的基础上对项目经济效益及社会效益进行科学预测，从而为客户提供全面的、客观的、可靠的项目投资价值评估及项目建设进程等咨询意见。

报告用途：发改委立项、政府申请资金、申请土地、银行贷款、境内外融资等

关联报告：

新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目建议书 新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目申请报告

新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目资金申请报告 新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目节能评估报告 新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目市场研究报告 新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目商业计划书 新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目投资价值分析报告

新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目投资风险分析报告

新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目行业发展预测分析报告

可行性研究报告大纲（具体可根据客户要求进行调整）

第一章 新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目总论 第一节 新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目概况 1.1.1新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目名称 1.1.2新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目建设单位 1.1.3新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目拟建设地点

1.1.4新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目建设内容与规模

1.1.5新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目性质

1.1.6新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目总投资及资金筹措

1.1.7新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目建设期

第二节 新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目编制依据和原则

1.2.1新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目编辑依据 1.2.2新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目编制原则 1.3新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目主要技术经济指标

1.4新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目可行性研究结论

第二章 新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目背景及必要性分析

第一节 新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目背景 2.1.1新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目产品背景 2.1.2新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目提出理由 第二节 新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目必要性 2.2.1新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目是国家战略意义的需要

2.2.2新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目是企业获得可持续发展、增强市场竞争力的需要

2.2.3新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目是当地人民脱贫致富和增加就业的需要

第三章 新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目市场分析与预测

第一节 产品市场现状 第二节 市场形势分析预测 第三节 行业未来发展前景分析

第四章 新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目建设规模与产品方案

第一节 新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目建设规模

第二节 新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目产品方案

第三节 新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目设计产能及产值预测

第五章 新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目选址及建设条件

第一节 新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目选址 5.1.1新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目建设地点 5.1.2新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目用地性质及权属 5.1.3土地现状

5.1.4新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目选址意见 第二节 新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目建设条件分析

5.2.1交通、能源供应条件 5.2.2政策及用工条件 5.2.3施工条件 5.2.4公用设施条件 第三节 原材料及燃动力供应 5.3.1原材料 5.3.2燃动力供应

第六章 技术方案、设备方案与工程方案 第一节 项目技术方案 6.1.1项目工艺设计原则 6.1.2生产工艺 第二节 设备方案

6.2.1主要设备选型的原则 6.2.2主要生产设备 6.2.3设备配置方案 6.2.4设备采购方式 第三节 工程方案 6.3.1工程设计原则

6.3.2新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目主要建、构筑物工程方案 6.3.3建筑功能布局 6.3.4建筑结构

第七章 总图运输与公用辅助工程 第一节 总图布置 7.1.1总平面布置原则 7.1.2总平面布置 7.1.3竖向布置

7.1.4规划用地规模与建设指标 第二节 给排水系统 7.2.1给水情况 7.2.2排水情况 第三节 供电系统 第四节 空调采暖 第五节 通风采光系统 第六节 总图运输

第八章 资源利用与节能措施 第一节 资源利用分析 8.1.1土地资源利用分析 8.1.2水资源利用分析 8.1.3电能源利用分析

第二节 能耗指标及分析 第三节 节能措施分析 8.3.1土地资源节约措施 8.3.2水资源节约措施 8.3.3电能源节约措施 第九章 生态与环境影响分析 第一节 项目自然环境 9.1.1基本概况 9.1.2气候特点 9.1.3矿产资源 第二节 社会环境现状 9.2.1行政划区及人口构成 9.2.2经济建设

第三节 项目主要污染物及污染源分析 9.3.1施工期 9.3.2使用期

第四节 拟采取的环境保护标准 9.4.1国家环保法律法规 9.4.2地方环保法律法规 9.4.3技术规范 第五节 环境保护措施 9.5.1施工期污染减缓措施

9.5.2使用期污染减缓措施 9.5.3其它污染控制和环境管理措施 第六节 环境影响结论

第十章 新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目劳动安全卫生及消防

第一节 劳动保护与安全卫生 10.1.1安全防护 10.1.2劳动保护 10.1.3安全卫生 第二节 消防

10.2.1建筑防火设计依据 10.2.2总面积布置与建筑消防设计 10.2.3消防给水及灭火设备 10.2.4消防电气 第三节 地震安全

第十一章 组织机构与人力资源配置 第一节 组织机构

11.1.1组织机构设置因素分析 11.1.2项目组织管理模式 11.1.3组织机构图 第二节 人员配置

11.2.1人力资源配置因素分析

11.2.2生产班制 11.2.3劳动定员 表11-1劳动定员一览表 11.2.4职工工资及福利成本分析 表11-2工资及福利估算表 第三节 人员来源与培训

第十二章 新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目招投标方式及内容

第十三章 新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目实施进度方案

第一节 新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目工程总进度

第二节 新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目实施进度表

第十四章 投资估算与资金筹措 第一节 投资估算依据

第二节 新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目总投资估算

表14-1新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目总投资估算表单位：万元 第三节 建设投资估算

表14-2建设投资估算表单位：万元

第四节 基础建设投资估算

表14-3基建总投资估算表单位：万元 第五节 设备投资估算

表14-4设备总投资估算单位：万元 第六节 流动资金估算

表14-5计算期内流动资金估算表单位：万元 第七节 资金筹措 第八节 资产形成 第十五章 财务分析 第一节 基础数据与参数选取

第二节 营业收入、经营税金及附加估算

表15-1营业收入、营业税金及附加估算表单位：万元第三节 总成本费用估算

表15-2总成本费用估算表单位：万元 第四节 利润、利润分配及纳税总额预测

表15-3利润、利润分配及纳税总额估算表单位：万元第五节 现金流量预测 表15-4现金流量表单位:万元 第六节 赢利能力分析 15.6.1动态盈利能力分析 16.6.2静态盈利能力分析 第七节 盈亏平衡分析

第八节 财务评价 表15-5财务指标汇总表

第十六章 新能源汽车车身零部件轻量化自动化生产线建设项目风险分析

第一节 风险影响因素 16.1.1可能面临的风险因素 16.1.2主要风险因素识别 第二节 风险影响程度及规避措施 16.2.1风险影响程度评价 16.2.2风险规避措施 第十七章 结论与建议

汽车车身结构轻量化 篇3

作为评价车身轻量化效果的参数——车身轻量化系数,在乘用车白车身开发中的应用越来越广泛。其计算公式如下:

式中,L为车身轻量化系数;M为白车身质量;CT为白车身静态扭转刚度;A为四轮间正投影面积(轴距与轮距的乘积)。

车身轻量化系数L数值越小,表示车身轻量化做的越好。参考此车身轻量化系数计算公式,将重型载货汽车白车身的四个悬置安装点所围成的投影面积作为式中的投影面积A,M和CT分别代表重型载货汽车白车身的质量和静态扭转刚度(图1),以此公式可以计算重型载货汽车白车身的轻量化系数。

2车身轻量化系数的优化

作为改型车,新开发白车身地板总成沿用,保持车身悬置安装点不变,即式中A相同。从车身轻量化系数的计算公式可以看出,车身轻量化系数L与白车身质量M、白车身静态扭转刚度CT和投影面积A三个参数相关。由于投影面积A保持不变, 因此优化车身轻量化系数需要从白车身质量M和白车身静态扭转刚度CT入手,即减轻车身质量,提高白车身静态扭转刚度。

2.1提高白车身静态扭转刚度的方法

2.1.1拓扑优化

在白车身开发初期,通过采用拓扑优化的方法, 对车身结构进行优化,以得到最优的车身承载骨架和最有效的力的传递路径。要进行拓扑优化设计, 首先要构建拓扑优化空间,在概念设计阶段,拓扑优化空间的构建可以通过外造型面和内部空间布置进行设置,以实体单元建立拓扑优化设计域(图2)。

综合考虑静态弯曲、扭转刚度、正面撞击、顶部强度及后围强度等碰撞工况。其中体现结构耐撞性指标的若干工况均属于非线性大变形,目前拓扑优化与有限元方法相结合的工具还无法直接实现, 必须将这类非线性工况等效为线性工况。通过将弯曲刚度、扭转刚度、前围打击、顶压和后围打击等工况加权到一个目标函数,得到拓扑结构(图3)。

通过对优化的结果进行解读,结合工程经验和车身制造工艺,将拓扑结果转化为满足空间布置和制造工艺的有效设计,形成新开发车型的车身骨架(图4)。

2.1.2局部结构的优化设计

整体的白车身框架结构形成后,还需要依据白车身的刚度、模态、碰撞等性能,对局部的细节结构进行优化。图5所示零件为原车型顶盖梁,圆圈区域为梁的弯曲部位。在进行顶部强度试验时,由于这两处局部截面变小,且发生明显弯曲, 很容易发生折断,不能将顶压的力很好地传递给顶盖下部的车身骨架,影响车身性能。图5是针对原车型顶盖梁的结构弱点,对折弯部位进行优化, 尽量保持各个部位结构的均匀变化,提升零件的刚度,在碰撞过程中保证力能够传递顺畅。

2.1.3顶盖与侧围接头的优化设计

车身顶盖与侧围在B柱部位的接头型式直接影响了白车身的刚度和碰撞性能。在原车型B柱部位, 顶盖梁与侧围的接头处未形成封闭的截面,且顶盖梁局部结构弯曲。如图6所示,侧围外板、侧围上横梁、 侧围上内板与B柱内板形成敞开式的U型结构,仅靠侧围上横梁内的支撑板支撑,顶盖梁在侧顶盖外板处发生明显弯曲,且截面变小。根据前面提到的顶盖梁局部结构优化,还需要在此部位优化顶盖梁与侧围的接头结构。如图7所示,顶盖梁向下,与侧围外板、侧围上横梁、侧围上内板、B柱内部、B柱加强板等组成的封闭空腔结构连接,采用CO2气体保护焊焊接。

图6 原车型B柱处顶盖与侧围的接头

2.2减轻车身质量的方法

2.2.1高强钢板的应用

高强度钢板的应用是车身轻量化的一个重要手段,在重型载货汽车新车型的开发中,对车身骨架的主要受力部位采用高强度钢板取代普通钢板,以达到车身轻量化的目的。由于地板、前围、 后围总成基本沿用原车型,因此钣金材料未发生改变,与原车型相同。针对新开发零件,主要受力部位采用高强度钢板。

图7 新车型B柱处顶盖与侧围的接头

在设计时,对三种不同的方案进行综合分析、 计算,从质量、成本和性能三个方面综合考虑,三方案的对比关系见表1。

2.2.2降低顶盖外板材料的厚度

通过拓扑优化出合理的车身框架结构,局部结构和接头刚度的优化设计以及高强度钢板的应用,在保证车身性能的基础上,可以降低部分零件的材料厚度,比如顶盖外板。原车型顶盖外板选用的材料是DC04,料厚1.0 mm。新开发车型采用了加磷高强度钢板B170P1,其屈服强度为170~ 240 MPa,料厚降低到0.9 mm,减重7.6 kg。同时, 通过外板与顶盖骨架梁的连接(焊接或胶接),保证了顶盖外板的抗凹性和局部刚度。

3轻量化效果

通过提升白车身扭转刚度和降低白车身质量, 白车身的轻量化系数得到了很大降低。经计算,该重型载货汽车白车身最终的设计质量为360 kg,较原车型的384 kg降低24 kg,白车身的静态扭转刚度也由31 400 Nm/(°)提高到34 000 Nm/(°)。轻量化系数由5.58降低到4.83,详细参数见表2。同时,白车身弯曲刚度、白车身模态及碰撞性能也都得到了一定的提高。

4结束语

汽车车身结构轻量化 篇4

车身设计的七大要素分别是安全、耐久、NVH、功能、工艺、成本及质量。车身设计质量高低的评价标准取决于这七大要素之间的平衡程度, 即用最低的成本、减轻质量及工艺投入换来最优的安全性、NVH表现、耐久性并实现相应的车身功能。可见, 车身轻量化设计并不是单纯的车身减重, 而是与车身性能设计紧密联系的系统的平衡设计。

2 车身轻量化的3种实施方法

车身轻量化设计需要综合考虑安全、耐久、NVH等性能与车身减重之间的平衡, 通过结构设计、材料选择及优化制造工艺来实施。

2.1 结构设计

(1) 零件的结构优化

零件的结构优化可以通过降低钢板厚度, 同时在关键部位增加加强筋或适当增加材料强度来保证零件的强度、刚度性能。同时, 也可以在非关键区域增加减重孔、切除多余翻边等。

(2) 零件的断面优化

零件的断面优化主要是考虑断面惯性矩和断面面积之间的平衡, 通过不断的优化分析来实现用最小的断面面积达到最大的惯性矩这一目标, 从而提高车身结构刚度性能, 减轻车身质量。

(3) 钢板厚度对性能提升的敏感度分析

钢板厚度对性能提升的敏感度分析是通过将车身各个零件的钢材厚度作为变量来建立数学模型, 以保证模态、刚度、耐撞性等工况的性能要求为前提, 采用拓扑运算的方法, 分析所有变量对这些工况综合性能的敏感程度, 提高部分敏感零件的钢板厚度, 降低其他不敏感零件的钢材厚度, 最终实现降低车身总质量。

2.2 材料选择

(1) 提高高强度钢板的使用比例

提高高强度钢板的使用比例不仅可大幅度减轻车身质量, 同时也有利于提高车身碰撞和耐久性性能。目前, 国际上的一些新车型, 其屈服强度在550 MPa以上的高强度钢板占30%, 并在碰撞关键路径, 如A柱、B柱和门槛等区域采用热成形工艺, 将零件的屈服强度提高到1 000 MPa以上, 见图1。

(2) 轻质材料替代传统的钢材

轻质材料主要包括工程塑料、玻璃纤维复合材料 (见图2) 、铝合金、镁合金等 (见图3) 。其应用区域主要集中在外覆盖件及部分非碰撞的骨架和面板零件。由于这些轻质材料的成本相比传统的钢材会高出1倍甚至数倍, 因此目前多用于高端产品。

(3) 制造工艺优化

传统的车身制造多采用冲压工艺, 其零件较多且焊接关系复杂。而一些国际上的高端车型已逐步采用型钢件和铸造件来替代冲压件 (见图4) , 配合轻质金属合金材料的应用, 既保持了车身的轻量化, 又能得到较好的安全和耐久性, 以实现必要的安装功能。当然, 这些工艺在普通车型上的应用目前仍很有限, 主要受制造设备投入和成本上的限制。

3“荣威”某车型的车身轻量化解决方案

车身结构设计优化和高强度钢板的合理应用, 使得“荣威”某车型同时实现了受控的车身成本、更轻的车身质量及更高的车身性能。这三者的良好平衡是该车型车身设计上的最大亮点。

3.1 高强度钢板的合理应用及成本控制

从图5可以看到, 在该“荣威”车型的白车身上, 超高强度钢板的应用比例为24%, 应用区域主要集中在性能敏感区域, 如A柱、B柱、门槛和车门防撞杆上。这一比例明显高于之前上市的几款“荣威”产品, 它们应用超高强度钢板的比例为5%~15%, 低于目前国际上的一些新车型的水平。

从目标市场定位所对应的成本控制角度考虑, 目前该“荣威”车型暂时并未采用热成形、铝镁合金等更高成本的轻量化技术。计划在下一代产品上逐步推进这些新技术的应用以实现更好的轻量化水平和更高的性能。

3.2 更轻的车身质量和更优的车身轻量化系数

从表1可见“荣威”某车型与同级别的4款车型 (以竞争车型A、B、C、D代称) 的性能参数对比, 该车型的白车身质量是最轻的, 轻量化系数也在平均水平以上。车身轻量化系数的计算方法如下。

式中, L为轻量化系数, 越小越好;mBIW为白车身 (无门盖、无前后风挡玻璃) 质量;CT为车身扭转刚度;A为四轮间的正投影面积 (即前、后轮平均轮距乘以轴距) 。

3.3 更大的内部空间和更高的车身性能

(1) 同级别车型中最大的轴距及内部空间尺寸

从图6和表2可以看到, 该“荣威”车型在轴距上优于竞争车型B, 与竞争车型A相当;在后排空间尺寸上则同时优于竞争车型A、B。具有同级别车型中最大的轴距及内部空间尺寸。

(2) 更高的车身性能

该车型开发之初制定了必须达到中国C-NCAP5星和2010年E-NCAP 4星的碰撞性能目标, 并对这一目标进行了细化, 见图7。针对50 km/h的正面碰撞、56 km/h和64 km/h的正面偏置碰撞、50 km/h的侧碰、30 km/h的侧面柱碰, 以及2010年E-NCAP的行人保护标准进行了多轮次的CAE分析与物理试验。最终, 该车型在C-NCAP的官方测试中得到了5星的好成绩。

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为了应对2012年将要实施的新的E-NCAP行人保护标准, 详细的性能提升方案也在验证过程中。如图8所示, 通过针对发动机罩盖、水箱横梁、前围上板等结构的一系列设计更改, CAE分析显示已达到了2012年E-NCAP 5星的行人保护标准。

此外, 该车型的车身结构在刚度和模态方面也非常不错。如图9所示, 车身扭转刚度达到了18 598 N·m/ (°) ;车身弯曲刚度达到了12 898 N/mm;车身一阶扭转模态达到了43.36 Hz, 一阶弯曲模态达到了50.72 Hz。

3.4 下一代车型的性能提升目标

如表3所示, “荣威”该车型的下一代产品计划进一步提升车身轻量化水平, 其中碰撞等级从目前的C-NCAP 5星和2010年E-NCAP 4星水平提高到2012年的E-NCAP5星水平。下一代“荣威”车型的性能提升及轻量化控制方案见图10。车身扭转刚度从18 598 N·m/ (°) 提升到20 000 N·m/ (°) , 一阶扭转模态从目前的43.36 Hz提升到45 Hz, 两厢车版本也需控制在43 Hz以上。但这一系列的性能提升可能会使车身质量增加8 kg左右。为了实现更优的车身轻量化水平, 拟通过采用铝合金发动机罩盖内外板、热成形B柱、车身结构优化等手段, 目标为减轻车身质量14kg。这样, 下一代产品的车身质量就能从目前的276kg减轻到270 kg, 相应地车身轻量化系数也会从目前的3.64提升到3.30。

摘要：以“荣威”某车型的车身轻量化开发为例, 介绍了该车型的高强度钢板应用, 车身质量、轻量化系数、内部空间尺寸与同级别车型的对比, 车身安全性、结构刚度和模态性能水平, 以及该车型下一代产品的性能提升方案。

汽车车身结构轻量化 篇5

汽车轻量化的目的是在保证汽车强度、刚性和安全性不降低的情况下, 通过优化结构, 使用轻质材料和采用新型铆接工艺, 减轻汽车的整车装备质量, 从而提高汽车的动力性能, 减少燃料消耗, 降低污染排放, 实现良好的经济效益和社会环保效益。汽车轻量化三要素的内容如下。

a.车身轻量化设计:在保证汽车强度、刚度、舒适性和安全性的情况下, 优化车身结构、减轻车身质量。

b.轻量化材料应用:选用铝镁合金材料、高强度钢板和非金属材料等轻量化材料。

c.轻量化连接工艺和设备:满足轻量化材料之间高强度且安全可靠的连接工艺、连接方法及设备。

在完成汽车轻量化设计和选用轻量化材料之后, 轻量化连接工艺和设备是关键因素, 直接决定汽车轻量化应用的结果是否成功。

2 车身轻量化中存在的工艺问题

(1) 不同种类材料之间的连接工艺问题

a.焊接工艺对不同种类材料如有色金属和工程塑料或混合材料组合或多层材料组合的连接无法实现;对不同厚度、不同强度和夹结构胶的钢质材料组合的连接也有很大局限性。

b.传统铆接工艺对被铆接材料组合的外观、功能和动态疲劳强度产生很大的制约。

c.涂胶粘合工艺仅能满足一定的连接要求。

(2) 不同种类材料之间的连接强度与安全问题

a.焊接工艺有虚焊、气孔、夹渣、裂纹、烧穿等缺陷, 直接影响焊接结构的强度和安全可靠性能。

b.传统铆接工艺存在铆接点的动态疲劳强度低, 易形成摩擦带来噪声和质量缺陷, 产生松脱, 造成安全问题。

c.涂胶粘合工艺在抗高温, 耐冲击、抗老化性能方面存在安全隐患。

(3) 车内隔音降噪和防水密封问题

a.焊接工艺很难做到, 若勉强为之则效果差。

b.传统铆接工艺可实现连接, 但连接点的密封性差, 且降低了隔音和防水的效果。

c.涂胶粘合工艺可以很好实现车辆隔音和防水密封的目的。

(4) 轻量化生产过程成本控制问题

a.焊接工艺能耗成本高, 人员成本高, 需要环保和劳保投资;特种焊接设备和操作成本更高。

b.传统铆接工艺其生产工序繁多, 岗位与人员多, 效率低, 综合生产和物流成本高。

c.涂胶粘合工艺, 凝胶固化时间长 (约18 h) , 严重影响流水作业效率, 综合成本高。

(5) 轻量化生产过程质量控制问题

a.焊接工艺, 由于影响质量因素多 (人员、材料、设备、工艺管理、生产配套和生产环境等) , 很难对焊接质量的全过程进行自动化控制和管理, 可控性低, 必须进行破坏性质量检验。

b.传统铆接工艺, 工序繁多, 很难做到生产过程自动化质量控制, 且尚无可行的无损检验方法。

c.涂胶粘合工艺在抗高温、耐冲击、抗老化性能方面存在安全质量隐患, 没有可行的无损检验方法。

3 锁铆连接工艺技术

(1) 锁铆连接工艺特点

a.可连接不同材质、不同厚度、不同硬度和不同强度的两层或多层材料组合, 是不同种类轻量化材料之间连接的最佳连接工艺之一。

b.充分满足不同种类材料之间连接的静态强度和动态疲劳强度要求, 能克服焊接工艺和传统铆接工艺的不足, 具有碰撞能量吸收功能, 可满足安全方面的要求。

c.允许不同种类轻量化材料之间涂结构胶粘合层, 达到车内隔音降噪和防水密封的目的, 克服了焊接和传统铆接工艺的不足。锁铆连接还可以使结构胶粘合层快速定型, 实现高效率流水作业。

d.与传统铆接工艺相比, 减少了3/4工序, 无需凝胶固化时间, 生产效率高;与特殊焊接相比, 无论从设备投资、能耗成本核算, 还是从工序繁简和操作要求方面, 都具有不可比拟的综合成本优势。

e.锁铆连接生产设备具有在线铆接装配质量管理系统, 生产过程可以全部在线监测, 实时去除不良品, 确保产品质量100%合格。一旦出现不良品, 设备会立即报警并诊断可能发生的原因, 帮助解决问题。

(2) 锁铆连接点特性

锁铆铆钉在外力的作用下, 通过穿透第一层材料和中间层材料, 并在底层材料中进行流动延展, 形成相互镶嵌的永久塑性变形的铆钉连接过程, 这一过程称作锁铆连接。铆接点具有较高的抗拉强度和抗剪强度, 具有如下特点。

a.强度高。

b.适于外观质量检查。

c.无需钻孔, 一次成形。

d.防水性、气密性好。

e.可以连接金属和非金属材料及多层材料的组合。

f.可以连接不同厚度、不同强度的材料。

(3) 锁铆连接工艺过程

定位:保证锁铆点位置准确。

夹紧:对翘曲板件整型和夹持, 减小锁铆点周边变形, 同时进行铆钉自动送料。

锁铆连接工艺过程见图1。

(4) 影响锁铆连接质量的因素

a.锁铆连接设备。

b.被连接材料组合。

c.连接模具。

d.锁铆铆钉。

e.连接过程参数:预夹紧压力、工作压力及行程。

影响锁铆连接质量的因素见图2。

(5) 锁铆连接质量判断

判断方法:外观检查、几何尺寸测量。

a.外观检查:铆接点是否有裂纹。

b.外观测量:外部对称性和截面镶嵌参数。

锁铆连接质量判断见图3。

(6) 在线铆接装配质量管理系统

在线铆接装配质量管理系统可对锁铆连接质量进行100%检测。生产参数设定包括预夹紧压力、锁铆工作压力及行程位移等。通过生成压力-位移曲线并设定若干上、下限公差判定窗口进行生产过程监控, 见图4。

4 锁铆连接技术与点焊、传统铆接对比的优势

(1) 锁铆连接材料组合广泛

a.用于不同材质、硬度、厚度材料组合。

b.各种有镀层的材料连接组合。

c.连接有夹层包括胶水等非金属材料组合。

d.连接多层材料组合。

锁铆连接材料组合应用见图5。

(2) 锁铆连接综合成本低廉

a.无需连接前后的处理工序。

b.连接工序简单, 工作效率高。

c.设备投入合理, 操作成本能耗极低。

d.对操作员素质要求不高, 人工成本低。

e.无烟尘排放、无噪声, 无需额外的环保和劳保投资。

(3) 锁铆连接质量可靠

a.动态疲劳强度高。

b.碰撞能量吸收性能好, 连接区域没有应力集中。

c.在线铆接装配质量管理系统, 可以无损检测连接的质量, 保证质量100%合格。

d.连接质量依靠设备保证, 不受人员影响, 重复生产可靠性高。

(4) 锁铆连接设备柔性高

a.可以实现铆接自动化作业。

b.易于与生产过程自动化组线集成。

c.设定不同程序, 同一套锁铆设备可以满足不同材料组合的铆接和在线质量管理要求。

5 锁铆连接设备

(1) 锁铆手钳HTF

HTF特点如下。

a.易于携带, 操作简单。

b.连接力可调节。

c.可匹配不同喉深的C型钳体。

d.标准喉深:35、140、200 mm。

HTF应用如下。

a.大型固定工件。

b.试制车间原型样件生产。

c.生产线连接设备的补充。

d.现场安装和维修。

锁铆手钳HTF见图6。

(2) 锁铆标准型连接设备CTF

CTF的特点如下。

a.柔性化设备, 与带状铆钉匹配使用。

b.铆钉自动送料并定位。

c.铆接时间短, 小于3 s。

d.铆接质量由铆接力决定, 铆接力可以根据应用任意调整设定。

e、铆接质量可以无损伤检测。

f、结构紧凑, 易于维修。

CTF的应用领域如下。

a.通用工业规模化铆接生产。

b.汽车工业无需在线质量管理工件的生产。

锁铆标准型连接设备CTF见图7。

(3) 锁铆连接定制型设备RIVSET VARIO

RIVSET VARIO特点如下。

a.为客户订制设备, 满足客户的不同生产需求 (喉深和开口高度) 。

b.模块化设计, 系统结构紧凑可以柔性组合, 节约空间。

c.铆接过程自动监控, 保证铆接质量。

d.具有系统自诊断功能, 易于维护。

e.生产参数、过程参数和结果数据可以储存, 便于分析不良原因和工艺改进。

RIVSET VARIO应用领域如下。

a.汽车工业。

b.航空工业。

c.火车/地铁车辆。

d.要求铆接过程监控的其他工业。

锁铆连接定制型设备RIVSET VARIO见图8。

6 锁铆连接在汽车车身轻量化中的应用

轻量化材料包括铝镁合金板材、冷拉型材、铝合金铸件等有色金属和玻璃纤维或碳纤维增强复合材料、塑料等非金属材料及高强度钢板。锁铆连接在汽车轻量化中的应用主要表现在对车身轻量化材料的连接工艺上。

(1) 在白车身上的应用

在白车身上的应用见图9、图10。

(2) 在四门两盖上的应用

在四门两盖上的应用见图11。

(3) 在横梁、车顶及加强筋上的应用

(4) 在天窗、摇窗机、安全气囊壳体、汽车座椅、加强筋板上的应用

(5) 在内外饰件、仪表板及安全气囊底板上的应用

(6) 在多种轻量化材料交汇处多层材料组合的高质量连接的应用

7 锁铆连接在电动汽车中的应用前景

随着国家“十二五”汽车工业关于节能与减排发展目标计划的落实, 汽车车身轻量化设计和轻量化材料应用将势在必行。中国电动汽车技术需要突破的方向如下。

a.动力电池技术的突破, 大容量, 自重轻。

b.车身结构优化设计和轻量化应用的突破。

锁铆连接工艺技术不但能够实现不同种类的轻量化材料之间的连接, 而且能够大幅度提高生产效率, 提升产品质量, 还可以降低综合成本。

摘要：汽车车身轻量化的主要措施之一是采用轻质材料, 包括铝、镁合金等有色金属, 玻璃纤维或碳纤维复合材料、塑料等非金属材料, 高强度钢板等。而将如此多种的材料以较低的综合成本很好地连接在一起是现在所面临的迫切课题, 而EPRESS锁铆连接工艺和设备, 不但能够很好地解决汽车轻量化过程中的连接工艺问题, 而且能够降低综合生产成本并提高铆接质量。与特种焊接、传统铆接和胶接相比, 锁铆连接具有明显技术应用优势。

汽车结构的轻量化设计方法综述 篇6

随着快速增长的汽车保有量,一方面,汽车作为方便、快捷的交通工具改善了人们的生活和工作方式;另一方面,却加剧了能源消耗,带来尾气、噪声等环境污染以及交通安全危害。汽车产业面临着节能、安全和环保的巨大压力。

针对上述问题,解决的重要途径是在对动力系统进行改进的同时积极开发和寻找替代能源及相关技术。

但受技术难度、开发周期和市场份额等问题制约,仅靠这一途径很难满足国家和市场的要求;另一个重要途径是整车轻量化。有关研究数据表明,若车桥、变速器等机构的传动效率提高10%,燃油效率可提高7%;若汽车整车质量降低10%,燃油效率可提高6%~8%[1,2]。车身占整个汽车制造成本60%,占汽车总重量的30~40%,空载情况下,70%的油耗将用于车身质量上[3]。图1展现了日本统计的乘用车自重与油耗之间关系。显而易见,当车辆的自重从1500kg下降到1000kg时,每升燃油平均行驶的里程由10km上升到17.5km,即每减重100kg,每升油可多行驶1.5km,也就是说在此区间内,燃油的经济性提高了5.7%-10%。

1 车身结构轻量化设计的研究内容和方法

车身结构轻量化设计研究,主要从三个方面进行:一是结构优化或创新,改进车身结构,使零部件薄壁化、中空化、小型化和复合化[6],采用CAD/CAE/CAM/CAPP数字化设计和制造技术提高零部件开发质量;二是采用先进的车身制造工艺,如激光拼焊、中高温成形、滚压或液压成形等;三是采用轻质高强度材料[7]。宝马汽车轻量化设计方案就是综合运用各种技术在保证汽车性能前提下,最大限度的减轻汽车重量,如图2所示。

2 轻量化材料在汽车结构轻量化中的应用

2.1 高强度钢板

高强度钢板材料在强度、塑性、抗冲击能力、回收使用及低成本方面具有综合优势。高强度钢板的明显优点是在车身结构设计上采用更薄的钢板,并获得相同的强度,在钢板厚度分别减小0.05、0.10和0.15mm时可以使车身分别减重6%、12%和18%[8]。因此,在高强度钢板比传统钢在价钱上更贵的情况下,减轻了重量可使得两者实际成本相近。

未来十年,高强度钢在汽车中的应用会大幅度增加。

2.2 铝合金

比强度和比刚度十分优良的铝金属基复合材料研究开发的成功,是汽车轻量化的进一步发展的一个很好途径。据统计2010年每辆轿车的平均铝使用量与1998年相比增长53%,上升到130kg。铝材的强度和刚度虽然是比钢材小很多,通过框架结构设计及采用更厚的板材也可以补偿这个不足,车身空间框架结构质量在使用铝材后下降47%,与此同时采用改进的断面形式将使车身抗扭抗弯能力增加了13%[8]。

目前,受加工技术和成本的约束,铝材料主要应用在发动机、车门、内外引擎罩、及其他零部件上,在车身制造上还是少见。各汽车制造商和众多学者的研究一个热点问题是怎样从根本上解决铝合金板成形性能差,因此可获得稳定可靠的成形工艺。

2.3 镁合金和塑料

镁的密度仅为1.8g/cm3,是钢的1/5,铝的2/3。相对而言镁合金的比强度(强度与质量之比)最高;比钢度(刚度与质量之比)远高于工程塑料而接近铝合金和钢。当前镁基合金汽车零部件使用和研制发展势头良好。正在使用和在研制中的镁基合金汽车零部件欧洲已超过60多种,北美已多达100多种。

今后将重点发展的镁合金零部件主要有:仪表板骨架、发动机缸体、缸盖、油底壳、格栅加强体、结构支架(座)、后车箱盖、内门框、车顶板、加强板,以及某些抗碰撞零件。

塑料在汽车中的应用遍及所有总成,习惯上将它们分为内饰件、外饰件和功能件(其它结构件)。塑料及其复合材料不仅可减轻零部件约40%的质量,而且还可以使生产成本降低40%左右是当前最重要的汽车轻质材料。就目前车用塑料配件市场来看,相对于国外发达地区车用塑料已占塑料总消耗量的7%~11%,我国的所占比例不足1%。由此可见我国仍需要大力扩展车用塑料配件市场。

3 结构优化设计和创新性结构在汽车轻量化的应用

结构优化的常见形式有:(1)优化并排焊点。布置两排或多排焊点的翻边肯定比布置单排焊点的翻边宽,因此在设计中应充分利用模拟分析来优化焊点的布置形式和数量以减少车身重量。(2)避免用增加零件整体厚度的办法来解决零件本身局部刚度或模态问题。一般可以通过采用优化加强筋的形状和位置,局部增加加强板的方法来加以解决。(3)减重孔的优化设计。通过减重孔的设计去掉不必要的质量,达到减重的目的。整合零部件,减少其数量是实现零件结构轻量化的有效途径。某些车型的车身骨架零件数已由400个减到了75个,质量减轻达到30%左右。由于减少了零部件之间的连接,车身刚度得以加强,在提高车身舒适性的同时,达到减重的目的。

4 先进成形技术在轻量化汽车结构中的应用

4.1 激光拼焊板

激光拼焊板是将几块不同材质、不同厚度、不同涂层的钢材焊接成一块整体板,以满足零部件对材料性能的不同要求,也可以把相同材质的等厚材料焊接到一起冲压,以提高材料利用率。与传统点焊工艺的产品相比,激光拼焊板最显著的优点是减少了零件数量和材料消耗,降低了整车重量,简化了装配工艺,因而得到了越来越广泛的应用。目前,由拼焊板生产的汽车零部件主要有前后车门内板、前后纵梁、侧围、底板、车门内侧的A、B、C立柱、轮罩、尾门内板等。

4.2 液压和气压成形技术

液压成形技术是把管状或板状材料放在密封的模具中,再把流体介质(水、油等)引入管件的内腔或板件与模具的内腔,增加液体压力,使工件在常温下变形,经过膨胀、压缩和成形三个阶段,最终成为所需零部件形状的成形方法。使用液压成形方式制造的零件,成型后的回弹少、精度高,因此可以节省后续所需的加工以及组装费用。同时,使用液压成形的加工方法,可将原来需要分割成数个零件组合的部件,用单一的零件代替,减少了零件组合的工作,同时增加车体的刚性,从而达到减轻重量、降低成本的目的。典型的液压成形汽车零部件有T形接头、发动机支架,排放系统与后桥部件,各种结构件。图3给出了液压成型生产流程示意图。

气体热成形是正在研究的一项金属成形新技术,它适用于钢、铝合金、镁合金等金属管材、板材,尤其是高强度钢管件的成形。其工艺过程如图4所示。

同液压成形相比,气体热成形所需的成形压力仅为液压成形的1/30;由于改善了材料成形性能,从而可生产形状更为复杂的零件;同时,设备投资和能源消耗也远低于液压成形。上述优点使气体热成形有望成为车身、底盘构件的新一代成形工艺。

4.3 热压成型技术

将钢板被加热到奥氏体温度区间(约900℃)进行热冲压,同时在冲模内对冲压件快速冷却(淬火),可制造抗拉强度达到1400MPa以上的部件。

热压成型的技术优势包括:

(1)具有高的强度且具备良好的延展性,从而可适当降低零件的厚度,有效的减轻零件重量,达到减重目的;

(2)具有高的尺寸精度;

(3)降低压机的吨位;

(4)能够提高整车的碰撞性能。

图5为热冲压成形应用实例。

5 连接技术在汽车轻量化中的应用

连接技术也是轻量化发展的技术关键之一,它关系到被连接结构的性能、重量、加工工艺、安全等诸多方面。传统的连接技术主要有电阻点焊和MIG/MAG焊,但随着多材料轻量化设计的需要,激光焊接、铆接与自冲铆接及复合连接等新的连接技术逐步发展并得到越来越多的应用。

5.1 械连接技术

机械连接技术包括压焊、钳铆、自冲铆接和折叠等。采用机械连接技术替代电阻点焊的连接方法可用于多种材料组合或夹层材料,具有投资低,不需加热,不需预处理及加工的优点。

5.2 黏贴连接

粘接采用面接触而非点接触,与点焊及铆接相比,有改善连接刚度与强度,减少应力集中,提高密封性,减少受潮及脏物进入,通过接合处的合理设计能很好地吸收能量,起到减少振动与降低噪声的作用。粘接连接的优点已经为多数汽车生产企业生产的许多产品所证明,如美洲豹XJ220,福特AIV,罗孚ECV3,Lotus Elise,及本田NSX等。

5.3 复合连接技术

复合连接是指将两种连接方法组合在一起使用的连接技术,如铆接-粘结,点焊-粘结,激光焊接-MIG等。复合连接的主要优点是可以使不同连接方式的优势互补,接头扭转刚度和疲劳强度高、密封性好,并可改善车辆的NVH。

6 汽车轻量化设计的发展动向

在安全、节能、环保等法规的推动下,以及受到性能和成本等因素的制约下,预计未来汽车轻量化材料技术将会朝以下方向发展:

6.1碳纤维、钛合金和金属基复合材料有望成为新一代轻量化材料。

6.2在轻量化材料技术的持续推动下,设计理念将会发生根本性的变化。

6.3零部件制造技术仍将是未来研究的重点。

摘要：汽车结构轻量化对降低汽车排放和油耗具有重要意义。文章介绍了汽车结构轻量化的几个代表性研究项目;对高强度钢板、铝镁合金及塑料等轻质高强度材料在车身结构轻量化中的应用进行了阐述;围绕新材料的先进成形工艺,如激光拼焊板、液压和气压成形,热冲压工艺等成形工艺,以及自冲铆接等先进连接工艺进行了分析;同时还介绍了有关的汽车结构优化和创新设计方法。最后对汽车结构轻量化设计方法的发展动向进行了展望。

关键词：汽车轻量化,高强度钢板,激光拼焊板,自冲铆接

参考文献

[1]柏建仁.轿车车身与高强度钢[C].2006年全国低合金钢、微合金非调质钢学术年会论文集,66-85.

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[3]田浩彬,林建平,刘瑞同等.汽车车身轻量化及其相关成形技术综述[J].汽车工程,2005,27(3):382-355.

[4]王利,朱晓东,张丕军等.汽车轻量化与先进的高强度钢板[J].宝钢技术,2003,(5):53-58.

[5]Junbo Jia,Anders UIfvarson.A parametric study for the structural behavior of a Light-weight deck[J].Engineering Structures,2004,26:963-977.

[6]朱平,林忠钦,陈关龙等.铝合金材料在轿车车身轻量化中的应用研究[J].计算机仿真,2006,21(8):187-190.

[7]谢然.多目标优化方法在车身结构轻量化设计中的应用研究[D].广州:华南理工大学,2010.

汽车车身结构轻量化 篇7

近年来，随着人们对汽车减重和安全性能要求的不断提高，高强度钢板在车身上被广泛应用，以实现汽车减重和提高汽车安全性能的目标。但是高强度钢板在汽车工业广泛应用的同时，由于它具有较高的屈服强度和抗拉强度，也给汽车覆盖件模具的设计和应用带来了一系列问题，如模具破裂、模具磨损、模具变形以及模具重量增加等[1]。因此，对汽车覆盖件模具进行有限元分析，为模具的结构改进提供理论依据就显得尤为重要。

1 发动机盖凹模有限元模型的建立及静力分析

在有限元分析过程中，如何根据实际情况建立最合理的有限元模型是非常重要的一个步骤，一个合理的有限元模型对分析计算结果有很大的影响。

此凹模受到的载荷主要是在凹模曲面、凹模曲面周围挡板及18个支撑圆柱上，所以在进行有限元分析时把长度方向上的限位部件，宽度方向上的吊环等传递很小的作用力的部分可以不考虑。

1.1 定义材料属性及划分网格

1.1.1 定义材料属性

ANSYS中的所有分析都需要输入材料属性。根据应用的不同，材料特性可以是线性或非线性，各向同性、正交异性或非弹性，不随温度变化或随温度变化。如单元类型一样，每组材料特性有一个材料参考号。在一个分析中可能有多个材料特性，ANSYS通过参考号来识别每种材料特性[2]。

凹模材料为Mo Cr铸铁。本文是对三维凹模进行的静力分析，选用的是三维实体单元，特性参数取为：弹性模量E=1.13e5MPa，泊松比μ=0.25，密度ρ=7800kg/m3，重力加速度g=9.8N/kg。

1.1.2 网格的划分

网格的划分是有限元分析计算的基础，也是最重要的一项工作，而且工作量大，耗时多，一个好的有限元模型的网格质量一定要良好。一个模型的网格如果过差会导致软件在计算时运行中止，而一个质量优良网格的有限元模型得到的分析结果越接近实际。从理论上来说，网格越密计算越精确，但网格数量越多，计算机求解所需要的时间越长。所以在划分网格时应该综合考虑网格质量以及计算机硬件条件。

为了使此次分析所用的网格质量良好，又不至网格数量过多造成的计算时间大幅增加，可以将此汽车发动机盖凹模划分为四面体网格，划分网格后，模型共有334612个节点，205580个三维实体单元(如图1)。

1.2 载荷及约束条件的确定

确定了模型以后，还需要对发动机盖模具的凹模施加载荷和边界条件，这是有限元前处理中的重要组成部分。欲对凹模结构进行有限元分析必须清楚凹模结构可能承受的额定载荷。载荷数值是否正确是影响静力分析结果准确性的重要因素。凹模曲面上承受600吨的压力、凹模曲面周围挡板及18个支撑圆柱上承受100吨的压力。换算成ANSYS里默认的载荷如下：

(1)载荷的计算

受600吨力的面投影面积为：1.1m2,受100吨力的面投影面积为0.56m2,

(2)边界条件的确定

确定了模型荷载以后，还需要添加相应的边界条件，即在有限元程序中加入有限元参数，以便将有限元计算模型固定在某一位置向不使其作为刚体移动，从而可由节点载荷得出唯一的节点结论。凹模底面于压机上滑块接触，设置为全约束，即约束x、y、z方向的平动和绕x、y、z轴的转动。螺栓孔的上面限制上下移动，小圆柱面和凹面周围的面所受压力为1.79MPa,凹面所受压力为5.45MPa，此外还有重力载荷，模型的约束和载荷情况见图2。

1.3 静力分析结果

在用有限元进行静力分析时，采用的是位移法。即以节点位移作为基本未知量来分析问题，因而可以准确的得到节点的节点力和节点位移，而节点的应力和应变是通过单元计算而导出的结果。单元的应力是由单元内部的应力矩阵({σ}=[D][B]{δ}e)计算的。因此，在给定节点处，可能存在不同的应力值，这是由与此节点相连的不同单元的应力值计算而产生的。在ANSYS后处理中，节点应力等值线图，画出的是在节点处导出量的平均值，而单元应力等值线图画出的是非平均值，因此在本文的一些应力云图中计算的是节点的应力值。

由静力分析结果中的应力和位移云图3可知：最大变形处位于凹模曲面附近，变形量为0.0522mm。较大变形主要发生在封闭的主筋环内，越到凹模底部，变形越小。

由应力云图可观察到，最大应力发生在封闭的主筋环内筋板与上成型曲面的结合处，应力值约为24.7Mpa。根据强度校核理论，铸铁为脆性材料，通常以断裂的形式失效，宜采用第一或第二强度理论进行校核。通过对凹模进行静态的有限元分析。凹模应有足够的强度和刚度，保证整个系统的正常运行。材料Mo Cr铸铁强度极限为300MPa，那么安全系数：

根据参考文献《材料力学》[3]，对脆性材料安全系数可取ns=2～3.5，甚至取到3～9。在本次原始设计中安全系数n>ns，安全系数偏大，说明材料抵抗破坏的能力较强，设计趋于保守。从应力分析的角度看，需要对结构近一步分析，通过优化组合来优化凹模。由图3可看出凹模长度方向两端侧板、凹模宽度方向两端部侧板、凹模内部环绕主筋的筋板、凹模上与长度方向平行的两端筋板的应力值及位移变化都非常小，下面就以这四种板的厚度为参数变量来优化凹模。

2 参数化建模

本次设计将参数化方法引入凹模结构有限元的全程分析中，基于ANSYS平台，从前处理入手，利用APDL语言实现了凹模结构的参数化建模即：参数定义、参数化几何建模、参数化有限元模型的建立[4]。

3 凹模的优化设计

运用上述的参数化有限元模型进行求解和后处理，再参数化提取结果，包括最大应力值SMX、最大位移值DMX、总质量V_TOT。部分命令流如下：

FINISH

3.1 优化变量的设定

有限元模型参数化后，通过指定优化设计变量、约束条件和目标函数即可进一步生成优化分析文件[5]。

(1)设计变量(DV)的设定

建模时共有9个参数，取4个厚度作为设计变量：

其中T1表示凹模长度方向两端侧板的厚度，T2表示宽度方向两端部侧板厚度，T3表示凹模内部环绕主筋的筋板厚度，T4表示凹模与长度方向平行的两端筋板厚度。

(2)状态变量(SV)的选取

最大第一主应力σ≤[σ]，即本次优化中最大第一主应力不超过37.5MPa(σ≤37.5MPa).

(3)目标函数(OBJ)的确定

对结构进行优化设计，在保证结构安全的前提下，从某种意义上就是使结构的重量最轻，对密度均匀的凹模结构，意即体积最小，因此可以将凹模的总质量M作为目标函数，进行优化分析。

即目标函数为：M->min

(4)优化方法的选取

凹模结构为大型复杂零件，单元和节点的数目多，而且在圆角处应力梯度变化大，其目标函数和约束函数的导数都不易求得，为保证优化过程的顺利进行，本文采用零阶方法进行优化求解，将约束问题转换为非约束的优化问题。对于零阶方法，由于是随机搜索，收敛的速度可能很慢，所以采取了20次的迭代次数。设计变量和总质量随迭代次数的变化规律由下图表示[6]。

随着迭代次数的增加，设计变量和总体积逐渐减小，最大应力都在约束范围之内，这表示在每次迭代计算中，优化程序通过修改设计变量，极力寻找许用应力范围内达到最小质量的应力结果。最大第一主应力一直小于许用应力37.5MPa。如图5示，当SMX处于23MPa左右时，质量达到较小值，这也正是12、13、14步的设计序列。所以它们均可作为最佳设计序列。

3.2 优化结果分析

优化后，底座的应力值、位移值分别用应力等值线图和变形等值线图表示。

由上表可以清楚的看出，优化后的底座结构的重量减少了原始设计的6.1%，达成了轻量化目标，而且最大应力为23.5MPa，几乎等于改进前设计即原始设计的最大等效应力值，变形方面依然符合刚度要求。

4 结论

(1)通过对汽车发动机盖模具的静力分析，得出应力和位移云图，最大应力及位移都在许用范围内，为结构改进提供了理论依据。

(2)利用APDL语言对凹模整体进行参数化，并利用ANSYS中的优化程序对以四种筋板厚度为优化设计变量、以最大应力为约束条件和以凹模总质量为目标函数的凹模有限元模型进行尺寸优化分析。优化后的凹模结构的重量减少了原始设计的6.1%，减重量不大，但获得了较为合适的筋板尺寸。

(3)尺寸优化结果仅提供了比较粗略的不同尺寸大小下的应力与位移云图，可在此基础上对冲压模具结构整体或局部进行深入的形状优化和拓扑优化，进一步改善和优化各项性能指标。

参考文献

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