車(chē)身輕量化與鋼鋁一體化結(jié)構(gòu)新技術(shù)研究

1、車(chē)身輕量化與鋼鋁一體化結(jié)構(gòu)新技術(shù)研究進(jìn)展前言著眼于可持續(xù)發(fā)展，節(jié)約資源、減少環(huán)境污染成為世界汽車(chē)工業(yè)界亟待解決的兩大問(wèn)題。汽車(chē)每減重10%，油耗可降低6%8%。因此減輕汽車(chē)重量是節(jié)約能源和提高燃料經(jīng)濟(jì)性的最基本途徑之一。車(chē)身質(zhì)量占汽車(chē)總質(zhì)量的40%左右，車(chē)身的輕量化對(duì)于整車(chē)的輕量化起著舉足輕重的作用，汽車(chē)輕量化正成為21世紀(jì)汽車(chē)技術(shù)的前沿和熱點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)車(chē)身結(jié)構(gòu)輕量化主要有兩個(gè)途徑：一是選用強(qiáng)度更高、重量更輕的新材料，例如鋁合金、高強(qiáng)度鋼材等；二是設(shè)計(jì)更合理的車(chē)身結(jié)構(gòu)，使零部件薄壁化、中空化、小型化、復(fù)合化以及對(duì)車(chē)身零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)和工藝改進(jìn)等。第一種途徑在目前看來(lái)應(yīng)該是車(chē)身輕量化的主流，針對(duì)規(guī)?；?/p>

2、生產(chǎn)的需要，已有很多輕質(zhì)材料應(yīng)用于車(chē)身制造工業(yè)，如高強(qiáng)度鋼、鋁合金和碳纖維等。第二種途徑是利用有限元法和優(yōu)化設(shè)計(jì)等方法對(duì)車(chē)身進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)，以減小車(chē)身骨架和車(chē)身鋼板的質(zhì)量。以上兩種途徑是相輔相成的，必須采取材料替換與結(jié)構(gòu)改進(jìn)相結(jié)合的方法，才可能在保證汽車(chē)整體質(zhì)量和性能不受影響的前提下，最大限度地減輕各零部件的質(zhì)量。鋼鋁一體化車(chē)身框架結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)的車(chē)身骨架鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)中，有些構(gòu)件或組件用鋁合金材料代替，且通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能模擬方法確定鋼鋁的不同比例及以鋁代鋼的部位，實(shí)現(xiàn)車(chē)身框架結(jié)構(gòu)的輕量化和高強(qiáng)度。這種結(jié)構(gòu)是車(chē)身輕量化的兩種根本途徑結(jié)合的典型應(yīng)用，完全符合車(chē)身輕量化的發(fā)展技術(shù)路線。1 國(guó)內(nèi)外

3、車(chē)身輕量化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀1.1 運(yùn)用新材料實(shí)現(xiàn)車(chē)身輕量化自1973年石油危機(jī)以來(lái)，世界各汽車(chē)廠在轎車(chē)上進(jìn)行輕量化研究的進(jìn)展較為明顯。現(xiàn)代汽車(chē)中占自重90%的6類(lèi)材料大體為：鋼55%60%，鑄鐵12%15%，塑料8%12%，鋁6%10%，復(fù)合材料4%，陶瓷及玻璃3%。用新型板材及輕型材料(如鎂、鋁、塑料和復(fù)合材料等)替換車(chē)身骨架及內(nèi)、外壁板原有的鋼材來(lái)實(shí)現(xiàn)輕量化是車(chē)身輕量化技術(shù)重要途徑之一，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。1.1.1 新型鋼板目前諸多的汽車(chē)工業(yè)企業(yè)致力于減輕汽車(chē)用鋼鐵材料的重量，以期達(dá)到汽車(chē)輕量化目的。汽車(chē)用鋼逐步向高強(qiáng)度化方向發(fā)展，當(dāng)鋼板厚度分別減少0.05、0.10、0.15mm時(shí)，

4、車(chē)身減重分別為6%、12%、18%。采用先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼，增加了安全性，降低了噪聲和振動(dòng)，提高了燃油效率，降低了汽車(chē)總質(zhì)量。成本沒(méi)有增加，而加速性、駕駛性能卻有所改善。隨著鋼材品質(zhì)和性能大大提高，預(yù)計(jì)到2010年新型鋼材的使用將超過(guò)70%。日本三菱公司的帕杰羅(SPORT)為該公司最新的SUV型車(chē)設(shè)計(jì)了全新的車(chē)身結(jié)構(gòu)，車(chē)身70%的構(gòu)件由高強(qiáng)度鋼板制成，整車(chē)的扭轉(zhuǎn)剛度甚至比大切諾基還要高45%，車(chē)身的承載能力可達(dá)2t以上。韓國(guó)現(xiàn)代公司的Sonata車(chē)身結(jié)構(gòu)也用高強(qiáng)度鋼板進(jìn)行了加強(qiáng)，橫梁和立柱全部使用800MPa的高強(qiáng)度鋼。奔馳公司在SLK車(chē)身骨架中大量使用高強(qiáng)度鋼使扭轉(zhuǎn)剛度增加了70%，安全性大大

5、提高的同時(shí)也減少了車(chē)身的質(zhì)量。1999年問(wèn)世的寶馬3系列車(chē)身骨架其中使用了50%的高強(qiáng)度鋼。福特的Windstar車(chē)身骨架中60%是高強(qiáng)度鋼。豐田最新的車(chē)型Vitz的車(chē)身結(jié)構(gòu)中高強(qiáng)度鋼占了48%，比該公司生產(chǎn)的Starlet車(chē)減輕質(zhì)量17kg。美洲豹X.Type2.5在車(chē)身結(jié)構(gòu)上采用了整片式車(chē)艙結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了顯著的輕量化效果。1.1.2 鋁與鋁合金的應(yīng)用鋁作為汽車(chē)材料有許多優(yōu)點(diǎn)，如在滿足相同力學(xué)性能的條件下，比鋼減少質(zhì)量60%，且易于回收、在碰撞過(guò)程中比鋼多吸收50%的能量、無(wú)需防銹處理等。比強(qiáng)度和比剛度十分優(yōu)良的鋁金屬基復(fù)合材料的研究開(kāi)發(fā)成功，為汽車(chē)輕量化的進(jìn)一步發(fā)展提供了途徑。據(jù)預(yù)測(cè)2008

6、年每輛轎車(chē)的平均鋁使用質(zhì)量將進(jìn)一步上升到130kg，與1998年相比增長(zhǎng)53%。世界鋁協(xié)會(huì)在日前發(fā)表的一項(xiàng)研究報(bào)告中宣布，鋁在汽車(chē)中的用量已超過(guò)(鑄)鐵，成為僅次于鋼的第二大汽車(chē)材料。北美、歐洲和日本汽車(chē)的單車(chē)平均用鋁質(zhì)量如圖1所示，其中北美汽車(chē)鋁的應(yīng)用水平最高，乘用車(chē)每車(chē)平均用鋁質(zhì)量目前已達(dá)145kg，歐洲平均每車(chē)用鋁118kg，日本情況與歐洲比較接近。圖1 北美、歐洲和日本汽車(chē)的單車(chē)平均用鋁量1.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)車(chē)身輕量化1.2.1 鋁合金車(chē)身框架結(jié)構(gòu)從各國(guó)汽車(chē)制造商推出的概念車(chē)看，在車(chē)體結(jié)構(gòu)上大多數(shù)采用無(wú)骨架式結(jié)構(gòu)和空間框架式結(jié)構(gòu)，而且大多數(shù)以鋁擠壓型材為主。如圖2所示，盡管鋁材的強(qiáng)度和

7、剛度比鋼材小很多，但是通過(guò)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及采用更厚的板材，補(bǔ)償了這個(gè)不足，使用鋁材后的車(chē)身空間框架式結(jié)構(gòu)質(zhì)量下降47%，同時(shí)采用改進(jìn)的斷面形式，使車(chē)身抗扭抗彎能力增加了13%。圖2 框架結(jié)構(gòu)圖例奧迪公司的A2型轎車(chē)，采用了全鋁骨架車(chē)身和鋁合金蒙皮結(jié)構(gòu)，使總質(zhì)量減少到895kg，車(chē)身由車(chē)身框架、剛性型材、鑄鐵接頭和罩殼板組成，比傳統(tǒng)鋼體車(chē)身輕43%，力學(xué)性能提高40%。另外，奧迪A8系列良好的碰撞安全性也是基于它的ASF(鋁合金空間框架結(jié)構(gòu)1車(chē)身結(jié)構(gòu)。這種車(chē)身采用高強(qiáng)度鋁合金骨架，包圍整個(gè)乘員室，就像一個(gè)防護(hù)的籠子。寶馬Z8型車(chē)也采用了骨架結(jié)構(gòu)和鋁合金蒙皮車(chē)身，不僅提高了整車(chē)的剛度而且減少了汽車(chē)的

8、振動(dòng)，使z8成為寶馬家族中最受歡迎的一種車(chē)型?？梢?jiàn)采用鋁合金骨架以及其蒙皮車(chē)身在增加整個(gè)車(chē)身的剛度，提高汽車(chē)被動(dòng)安全性的同時(shí)，大大降低了車(chē)身的總重量。但是，由于鋁材料的回彈大且易出現(xiàn)裂紋，使鋁板在沖壓時(shí)比鋼板難度大，還沒(méi)有大批量完全采用鋁板生產(chǎn)汽車(chē)。目前采用全鋁制車(chē)身一般是年產(chǎn)量在幾千輛的小批量生產(chǎn)的汽車(chē)，大批量生產(chǎn)的中型轎車(chē)車(chē)身.中鋁結(jié)構(gòu)的比重只占3%7%。1.2.2 零部件整合和結(jié)構(gòu)優(yōu)化整合零部件，減少其數(shù)量也是實(shí)現(xiàn)零件結(jié)構(gòu)輕量化的有效途徑。某些車(chē)型的車(chē)身骨架零件數(shù)已由400個(gè)減到了75個(gè)，質(zhì)量減輕達(dá)到30%左右。由于減少了零部件之間的連接，車(chē)身剛度得以加強(qiáng)，在提高車(chē)身舒適性的同時(shí)，達(dá)到減

9、重的目的。奧迪A6采用了整體式發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋結(jié)構(gòu)(發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋與散熱器罩做成了一個(gè)整體)，由厚度為1.1mm的鋁板制成，在保留了奧迪車(chē)造型特征的同時(shí)，具有質(zhì)量輕耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合有限元法與結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，對(duì)零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，也是實(shí)現(xiàn)零部件輕量化的一個(gè)重要研究方向。目前結(jié)構(gòu)斷面優(yōu)化的理論和方法已比較成熟，形狀優(yōu)化有了很大發(fā)展，人們已經(jīng)把研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向拓?fù)鋬?yōu)化等更高層次的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題。結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化研究方法目前有解析方法和數(shù)值方法。解析方法不大適合工程應(yīng)用，工程應(yīng)用中常采用數(shù)值方法。連續(xù)體結(jié)構(gòu)目前已成為結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的主要研究對(duì)象。連續(xù)體結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)具有兩個(gè)不同的求解體系，國(guó)內(nèi)學(xué)者主要研究局部應(yīng)力約束下

10、的強(qiáng)度拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，而國(guó)外學(xué)者主要研究全局體積約束下的剛度拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。在汽車(chē)輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中已普遍采用拓?fù)鋬?yōu)化的方法。YANG等114J研究了基于有限元軟件MSCNASTRAN和CSANASTRAN的汽車(chē)車(chē)身、底盤(pán)、焊點(diǎn)位置等的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。WANG等利用有限元法與拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)汽車(chē)車(chē)身的加強(qiáng)筋部分進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在既定成本下汽車(chē)車(chē)身的整體剛度能夠得到充分的提高。FREDRICSON等對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)在汽車(chē)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用作了綜述，重點(diǎn)介紹了車(chē)身設(shè)計(jì)中的拓?fù)鋬?yōu)化進(jìn)展。EOM等117J對(duì)車(chē)身焊點(diǎn)配置進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化，在確保車(chē)身整體剛度要求的情況下，得到焊點(diǎn)最佳位置，使得焊點(diǎn)數(shù)量最少。

11、VOLZ掣紹了在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的初期應(yīng)用線性拓?fù)鋬?yōu)化及非線性形狀優(yōu)化相結(jié)合研究車(chē)身碰撞性能的方法。LYU等應(yīng)用多目標(biāo)遺傳算法的拓?fù)鋬?yōu)化方法研究了鋁合金空間框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化問(wèn)題。石琴等在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的開(kāi)始階段引入拓?fù)鋬?yōu)化理論，先對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行布局優(yōu)化，以獲得較合理的初始結(jié)構(gòu)方案，再通過(guò)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到滿足其強(qiáng)度和剛度及設(shè)計(jì)工藝要求的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。楊樹(shù)凱等用變密度法建立了汽車(chē)支架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型，利用有限元法進(jìn)行了結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。王宏雁等采用拓?fù)浞椒▋?yōu)化、改進(jìn)結(jié)構(gòu)，并通過(guò)有限元結(jié)構(gòu)模擬計(jì)算，對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)罩進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。高云凱等把拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)理論引入某電動(dòng)改裝車(chē)的承載式車(chē)身設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了多工況、多狀態(tài)變量條

12、件下的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，確定了下車(chē)身的最佳結(jié)構(gòu)方案。陳茹雯等利用基于有限元法的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)設(shè)計(jì)車(chē)身大骨架的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，經(jīng)拓?fù)鋬?yōu)化后的車(chē)身大骨架各項(xiàng)特性參數(shù)指標(biāo)均有不同程度的提高。可見(jiàn)，拓?fù)鋬?yōu)化正成為車(chē)身輕量化設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要手段，更廣泛的應(yīng)用還有待進(jìn)一步研究。1.3 新的制造工藝與成形技術(shù)在繼續(xù)推進(jìn)汽車(chē)輕量化的進(jìn)程中努力開(kāi)發(fā)新的制造方法，并對(duì)傳統(tǒng)的制造工藝與成形技術(shù)進(jìn)行變革，也是汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)輕量化的研究方向之一。針對(duì)目前所開(kāi)發(fā)的新型材料高強(qiáng)度鋼板、超高強(qiáng)度鋼板、輕金屬材料如鎂鋁合金、塑料以及復(fù)合材料等，新的成形方法主要有拼焊板成形、液壓成形以及針對(duì)輕金屬材料開(kāi)發(fā)的半固態(tài)成形等。國(guó)際鋼鐵協(xié)會(huì)成立了

13、由18個(gè)國(guó)家35家鋼鐵公司組織的ULSAB.AVC項(xiàng)目，它通過(guò)車(chē)輛的整體設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)身的輕量化，在成形工藝方面，其中有30%以上的零部件采用拼焊板成形，20%以上的部件采用了液壓成形技術(shù)。大力發(fā)展和推廣內(nèi)高壓成形技術(shù)、管件液壓成形技術(shù)和塑料中空成形技術(shù)等新工藝應(yīng)用于車(chē)身制造，使車(chē)身的一些結(jié)構(gòu)件和附件，通過(guò)有效的斷面設(shè)計(jì)和合理的壁厚設(shè)計(jì)形成復(fù)雜的整體式結(jié)構(gòu)，不僅減小了結(jié)構(gòu)質(zhì)量，同時(shí)強(qiáng)度、剛度及局部硬度都得到了相應(yīng)的提高，并且具有較強(qiáng)的成形自由性和設(shè)計(jì)工作的靈活性。例如本田公司的Insight采用了擠壓成形鋁合金的前縱梁結(jié)構(gòu)，其斷面為正六邊形，整個(gè)前縱梁結(jié)構(gòu)只需一次擠壓成形，與原鋼結(jié)構(gòu)相比，省去了

14、焊接工藝過(guò)程，在保證原有剛度及吸能特性的同時(shí)，減重效果達(dá)37%。制造工藝的改進(jìn)和成形技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了車(chē)身構(gòu)件的大型化以及車(chē)身表面平整化，減少了車(chē)身結(jié)構(gòu)件的數(shù)量，降低了噪聲與振動(dòng)，改善了舒適性，提高了車(chē)身的剛性，最終實(shí)現(xiàn)了車(chē)身結(jié)構(gòu)的輕量化。2 鋼鋁一體化車(chē)身框架結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展鋼鋁一體化車(chē)身框架結(jié)構(gòu)是高性能輕質(zhì)材料與優(yōu)化車(chē)身結(jié)構(gòu)相結(jié)合路線的典型應(yīng)用，國(guó)外雖然已經(jīng)有少數(shù)公司研究并開(kāi)始試用這種技術(shù)，也僅見(jiàn)2004年寶馬公司推出世界第一個(gè)采用創(chuàng)新的鋼鋁混合結(jié)構(gòu)技術(shù)的車(chē)身及2006年奧迪公司在其新款TT跑車(chē)上應(yīng)用鋼鋁混合車(chē)身結(jié)構(gòu)。但是應(yīng)用還處于起步階段，沒(méi)有開(kāi)發(fā)方法、設(shè)計(jì)規(guī)范和制造工藝方面的文獻(xiàn)介紹，仍有

15、很多工作迫切需要開(kāi)展。國(guó)內(nèi)尚無(wú)人開(kāi)展這方面的工作，在鋼鋁一體化框架車(chē)身的輕量化方向研究方面沒(méi)能有自主的創(chuàng)新技術(shù)，積極開(kāi)展該項(xiàng)工作對(duì)于提升國(guó)內(nèi)汽車(chē)自主研發(fā)水平有著極其重要的意義。2.1 鋼鋁一體化車(chē)身框架結(jié)構(gòu)的概況現(xiàn)代車(chē)身輕量化過(guò)程中，普遍采用新型材料應(yīng)用與優(yōu)化車(chē)身結(jié)構(gòu)相結(jié)合的技術(shù)方案，應(yīng)用更先進(jìn)的車(chē)身骨架結(jié)構(gòu)以及輕質(zhì)材料，使得強(qiáng)度合理分配到車(chē)身上，可以實(shí)現(xiàn)在既定成本內(nèi)，提高整個(gè)車(chē)身強(qiáng)度剛度的同時(shí)，減輕車(chē)身的重量。這種思想正逐步為國(guó)內(nèi)各開(kāi)發(fā)人員所接受，如2006年北京車(chē)展上，一汽自主研發(fā)的奔騰汽車(chē)，在車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采取了4H車(chē)身結(jié)構(gòu)，如圖3所示。這種結(jié)構(gòu)雖然為全鋼材料，但在不同部位采用不同強(qiáng)度級(jí)

16、別的材料，主要的骨架部分也就是構(gòu)成4H結(jié)構(gòu)形狀的部分采用高強(qiáng)度鋼板，在發(fā)動(dòng)機(jī)底架、車(chē)身的門(mén)窗等部分采用更高強(qiáng)度的鋼板，而在正面、后面、側(cè)面等碰撞接觸部位如前后保險(xiǎn)杠等部位則采用最高級(jí)別強(qiáng)度鋼板，其余部位采用的主要是普通鋼板。圖3 奔騰汽車(chē)框架圖基于類(lèi)似的思想，鋼鋁一體化車(chē)身框架結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)的車(chē)身骨架鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)中，有些構(gòu)件或組件用鋁合金材料代替，且可以通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能模擬方法確定鋼鋁的不同比例和以鋁代鋼的部位，實(shí)現(xiàn)車(chē)身框架結(jié)構(gòu)的輕量化和高強(qiáng)度。鋼鋁一體化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及其參數(shù)優(yōu)化對(duì)于整車(chē)的輕量化起著舉足輕重的作用，同時(shí)也對(duì)車(chē)身和整車(chē)的其他性能有重要的影響。如何確定框架結(jié)構(gòu)中哪些部分用鋼、哪些結(jié)構(gòu)用鋁

17、以及它們本身的斷面和板厚等參數(shù)是開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵。目標(biāo)是降低重量的前提下，提高車(chē)身的承載能力。在鋼鋁一體化車(chē)身框架結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，存在著許多問(wèn)題急待研究解決，比如鋁的成形工藝技術(shù)，鋼與鋁的連接方法，電化學(xué)腐蝕問(wèn)題，基于安全的車(chē)身技術(shù)及鋼鋁一體化車(chē)身框架結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)方法等。2.2 新的成形工藝技術(shù)現(xiàn)代車(chē)身特別是轎車(chē)車(chē)身的骨架及覆蓋件大都采用冷沖壓成形工藝加工制造。冷沖壓工藝具有生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品互換性好及批量生產(chǎn)成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)。但成形過(guò)程會(huì)導(dǎo)致沖壓件的厚度及力學(xué)性能發(fā)生變化，同時(shí)還會(huì)引起不同程度的殘余應(yīng)力。這些都會(huì)直接影響到車(chē)身結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、耐久性等可靠性指標(biāo)。由于這些改變?cè)O(shè)計(jì)者無(wú)法預(yù)測(cè)也無(wú)法控

18、制。因此，在以往的計(jì)算機(jī)輔助工程(Computeraided engineering。CAE)分析中也無(wú)法予以考慮，使仿真分析的精度與可靠性都收到一定程度的影響，特別是對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度的影響可能更大。這些方面已經(jīng)有一些研究。1998年菲亞特公司的VALENT等提出了一個(gè)改善車(chē)身結(jié)構(gòu)分析精度的方法，他們用一個(gè)T形鋁合金沖壓件研究了成形過(guò)程對(duì)其靜強(qiáng)度特性的影響，研究表明，對(duì)T形沖壓件而言，不考慮成形引起的厚度減薄將使其彎曲剛度比實(shí)測(cè)值高10%左右；HUB等的課題組針對(duì)成形過(guò)程對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)件碰撞特性的影響問(wèn)題進(jìn)行了一系列研究，并用前縱梁、S形梁等典型件進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)如果在碰撞模擬中不考慮成形

19、過(guò)程的影響可能會(huì)引起高達(dá)20%的計(jì)算誤差。蘭風(fēng)崇等對(duì)汽車(chē)覆蓋件的毛坯形狀設(shè)計(jì)及沖壓成形的回彈控制問(wèn)題進(jìn)行了仿真研究，得到了更精確估計(jì)拉伸件毛坯尺寸的算法及一套包括前處理和后處理的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，建立了有限元網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)列經(jīng)過(guò)處理構(gòu)造NURBS標(biāo)準(zhǔn)曲面的方法，板料成形FE中網(wǎng)格大量節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)重構(gòu)參數(shù)曲面提供了回彈控制、光滑復(fù)雜模具型面重構(gòu)方法。鋁材料已廣泛應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)、車(chē)門(mén)、內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)罩、擋泥板、輪圈、儀表板裝飾及其他零部件上，但在車(chē)身制造上還是少見(jiàn)，主要是受到加工技術(shù)和成本的約束。如何從根本上解決鋁合金板成形性能差的問(wèn)題，從而獲得穩(wěn)定可靠的成形工藝，逐漸成為各汽車(chē)制造商和眾多學(xué)者的研究熱點(diǎn)。鋁合金板本身力

20、學(xué)和力學(xué)性能是決定其可成形性能的根本問(wèn)題。從前人的大量研究結(jié)果中可以看出，提高鋁合金板的成形溫度，以增強(qiáng)鋁合金板的塑性，改善成形性能，已成為各大汽車(chē)制造商和學(xué)者們的共識(shí)。另外的一些研究也表明，除了成形溫度外，成形速度(應(yīng)變速率)也會(huì)對(duì)鋁合金板的可拉深性能產(chǎn)生影響。但是，鋁合金板的成形性能除了受到外在因素(如成形溫度和變形速率等)的影響外，根本上還是取決于鋁合金板本身的性能。因此，眾多學(xué)者對(duì)不同鋁合金板的化學(xué)成分、晶粒大小、熱處理方式等對(duì)成形性能的影響進(jìn)行了大量的研究，并得出了許多有益的成果。但是，鋁合金板作為一種用于汽車(chē)覆蓋件成形的新型材料，其成形工藝所涉及的許多關(guān)鍵技術(shù)還有待于進(jìn)一步研究解決

21、。2.3 鋼與鋁的連接技術(shù)車(chē)輛的主要承載構(gòu)件多是由空間薄壁梁結(jié)構(gòu)組成。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已很少改變。因此，鋼鋁一體化車(chē)身框架結(jié)構(gòu)也不例外地由薄壁梁結(jié)構(gòu)組成。相對(duì)而言，輕金屬鋁、鎂和復(fù)合材料對(duì)連接技術(shù)的要求較高，而多種材料組合的要求就更高。在復(fù)合材料車(chē)體中，多種材料的連接很難由傳統(tǒng)的點(diǎn)焊來(lái)完成，為了車(chē)身的多方面要求，需采用多種現(xiàn)代連接方法。因此，開(kāi)發(fā)新的連接技術(shù)是擴(kuò)大鋁合金應(yīng)用的前提，研究鋼與鋁等不同材質(zhì)零件之間的連接技術(shù)是鋼鋁一體化車(chē)身框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)。車(chē)身的連接技術(shù)一般為焊接、粘接、機(jī)械連接(包括鉚接)。在鋼鋁一體化車(chē)身框架結(jié)構(gòu)中，鋼與鋁的連接機(jī)理研究將圍繞這三種連接形式展開(kāi)。焊接的種類(lèi)比較

22、多，目前常用的主要有電阻點(diǎn)焊、電弧焊、激光焊、攪拌摩擦焊和等離子電弧焊等。對(duì)于鋁及鋁合金的連接，這些焊接方法都各有其優(yōu)缺點(diǎn)，沒(méi)有哪種焊接方法是完美無(wú)缺的，尤其是鋼與鋁之間的連接，正成為研究的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的汽車(chē)車(chē)身沖壓件的材料大都是具有良好焊接性能的低碳鋼，焊接是應(yīng)用最廣泛的連接方式，其中電阻點(diǎn)焊又占據(jù)了焊接工作量的70%以上，有的車(chē)身幾乎全部采用電阻點(diǎn)焊。因此，在研究鋼與鋁的連接技術(shù)時(shí)，首先從電阻點(diǎn)焊的連接性能開(kāi)始研究。點(diǎn)焊接頭的種類(lèi)有很多種，但是在設(shè)計(jì)汽車(chē)車(chē)身電阻點(diǎn)焊工藝時(shí)，根據(jù)需要常采用三種接頭形式，即搭接、折邊、搭折，如圖4所示。在建立精確的CAE仿真分析模型時(shí)將分別對(duì)這幾種接頭形式進(jìn)行建

23、模分析與試驗(yàn)研究。圖4 點(diǎn)焊接頭形式示意圖粘接連接的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)為多數(shù)汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)的許多產(chǎn)品所證明，如美洲豹XJ220、福特AIV、羅孚ECV3、Lotus Elise及本田NSX等。由于粘接采用面接觸而非點(diǎn)接觸，與點(diǎn)焊及鉚接相比，有改善連接剛度與強(qiáng)度，減少應(yīng)力集中，提高密封性，減少受潮及臟物等進(jìn)入，通過(guò)接合處的合理設(shè)計(jì)能很好地吸收能量，對(duì)起到減少振動(dòng)與降低噪聲的效果等優(yōu)點(diǎn)。但是，異種金屬粘接的強(qiáng)度、剛度、疲勞度和可靠性等都是通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，數(shù)值規(guī)律研究及粘接連接CAE分析模型，未見(jiàn)報(bào)道。研究探索鋼與鋁的連接時(shí)，粘接也是重點(diǎn)研究的形式，粘接連接的5種基本承載情況如圖5所示，在考慮粘接連接時(shí)，將圍

24、繞這5種加載情況進(jìn)行CAE分析及試驗(yàn)研究。圖5 粘接連接的5種基本承載情況機(jī)械連接也是車(chē)身連接技術(shù)中常用的方法，對(duì)于鋁合金車(chē)身連接裝配時(shí)常采用技術(shù)被稱(chēng)為自沖鉚，是一種冷壓成形鉚接方法，圖6為自沖鉚基本過(guò)程示意圖降1。與電阻點(diǎn)焊相比，具有成本低、強(qiáng)度高、質(zhì)量可靠等優(yōu)點(diǎn)。因而能夠用于輕質(zhì)車(chē)身特別是鋁合金車(chē)身的制造，如奧迪A8、美洲豹XJ8等，是鋁合金車(chē)身連接裝配的主要方法。但是這種自沖鉚連接的效率、質(zhì)量控制、強(qiáng)度剛度及可靠性分析等都還沒(méi)有理論支持。圖6 自沖鉚基本過(guò)程示意圖此外，還有一些擴(kuò)散連接技術(shù)也常被用于異種金屬之間的連接431。由于鋼與鋁的連接技術(shù)尚屬起步階段，還沒(méi)有形成成熟理論與技術(shù)工藝，

25、因此鋼鋁連接機(jī)理與技術(shù)的研究對(duì)開(kāi)發(fā)鋼鋁一體化框架結(jié)構(gòu)車(chē)身具有重大意義。2.4 電化學(xué)腐蝕問(wèn)題由于鋼和鋁具有不同的電化學(xué)效能，鋼、鋁間的電極電位相差較大，且鋁的電極電位更負(fù)，因此兩者混合連接時(shí)可能發(fā)生嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕：電偶腐蝕、縫隙腐蝕、絲狀腐蝕、膏狀腐蝕、晶間腐蝕及應(yīng)力腐蝕。鋼鋁一體化車(chē)身結(jié)構(gòu)如果采用鉚接工藝，車(chē)身的電化學(xué)腐蝕比全鋼焊接車(chē)身更為嚴(yán)重。相比而言，影響最大的腐蝕形式為電偶腐蝕、縫隙腐蝕以及沖擊腐蝕。針對(duì)鋼鋁一體化車(chē)身結(jié)構(gòu)的腐蝕特點(diǎn)，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在既定成本內(nèi)，從以下幾個(gè)方面綜合考慮：選擇耐腐蝕性好的鋼板、選擇合適的連接方式、對(duì)緊固件及標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行防腐處理、選擇合適的涂裝工藝。通

26、過(guò)合理的防腐設(shè)計(jì)，保證鋼鋁一體化框架結(jié)構(gòu)車(chē)身開(kāi)發(fā)的順利進(jìn)行。2.5 基于安全的輕量化車(chē)身技術(shù)輕量化必須以保證車(chē)輛的安全性為最基本的前提，應(yīng)該通過(guò)車(chē)身結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、制造工藝的優(yōu)化來(lái)取得。采用更先進(jìn)的車(chē)身骨架結(jié)構(gòu)以及輕質(zhì)材料16J，使得強(qiáng)度合理分配到車(chē)身上，可以在提高整個(gè)車(chē)身強(qiáng)度剛度的同時(shí)，減輕車(chē)身的重量。車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須具備如下功能：車(chē)輛發(fā)生碰撞時(shí)，其碰撞能量必須能被車(chē)身結(jié)構(gòu)的指定部位吸收，從而保證碰撞后車(chē)身座艙的生存空間。減少碰撞造成的乘員傷害，防止由于碰撞作用導(dǎo)致的乘員與室內(nèi)部件的撞擊，必須利用車(chē)身結(jié)構(gòu)的變形來(lái)吸收碰撞能量，從而盡可能緩和吸收車(chē)輛及乘員的運(yùn)動(dòng)能量。車(chē)身輕量化不能盲目地減重，應(yīng)在

27、保證汽車(chē)整體質(zhì)量和性能不受影響的前提下，最大限度地減輕各零部件的質(zhì)量。通過(guò)對(duì)車(chē)輛碰撞時(shí)的減速度、車(chē)身伸縮變形長(zhǎng)度和狀態(tài)、碰撞力吸收能狀況等重要指標(biāo)的分析對(duì)比，評(píng)價(jià)輕量化方案的可行性。評(píng)價(jià)車(chē)身輕量化的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還包括空氣動(dòng)力學(xué)性能、減振降噪舒適性、可制造性及零件的合理布局等方面的指標(biāo)。2.6 鋼鋁一體化車(chē)身框架結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)方法的形成鋼鋁一體化車(chē)身是在傳統(tǒng)的車(chē)身骨架鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)中，有些構(gòu)件或組件用鋁合金材料代替，且可以通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能模擬方法確定鋼鋁的不同比例和以鋁代鋼的部位，實(shí)現(xiàn)車(chē)身框架結(jié)構(gòu)的輕量化和高強(qiáng)度。但是具體在哪部分零件，哪些部位換成鋁，換成鋁后的車(chē)身強(qiáng)度、剛度及動(dòng)態(tài)特性結(jié)果如何，將是鋼鋁一體化車(chē)身框架結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)方法形成的