上海交通大學輕量化研究課件

上海交通大學車身制造技術中心三、上海交通大學開展的研究工作研究中心總體概況車身制造質量控制技術汽車板精益成形技術數(shù)字化的車身工藝設計車身產品與工裝數(shù)字化設計汽車輕量化技術上海交通大學車身制造技術中心三、上海交通大學開展的研究上海交通大學車身制造技術中心汽車輕量化技術－研究背景及總體方案汽車輕量化是汽車工業(yè)跨越發(fā)展的方向

工業(yè)發(fā)達國家在汽車輕量化方面發(fā)展迅速，預計21世紀轎車自重約為80年代的一半。（2000年后，美國中型轎車的質量將減至1000Kg以下，西歐中型轎車的質量將減至900Kg以下）我國汽車工業(yè)與國際先進水平有顯著差距，汽車輕量化研究方面處于剛剛起步階段。采用汽車輕量化技術實現(xiàn)跨越發(fā)展是中國汽車工業(yè)的必由之路。上海交通大學車身制造技術中心汽車輕量化技術－研究背景及上海交通大學車身制造技術中心汽車輕量化技術－研究背景及總體方案汽車輕量化為鋼鐵企業(yè)提供了機會和挑戰(zhàn)上海市明確了上海汽車工業(yè)自主知識產權轎車的發(fā)展目標。（力爭在2005年12月?lián)碛械谝惠v具有自主知識產權的轎車，并通過年產量5萬輛）輕量化汽車自主開發(fā)能力形成必將進一步推動本市經(jīng)濟發(fā)展。（自主知識產權轎車的開發(fā)具有極大的經(jīng)濟效益和社會效益）

上海交通大學車身制造技術中心汽車輕量化技術－研究背景及上海交通大學車身制造技術中心汽車輕量化技術－研究背景及總體方案輕量化的意義燃油消耗可

減少6%-8%轎車重量減輕10%實現(xiàn)節(jié)能減少排放實現(xiàn)環(huán)保目標上海交通大學車身制造技術中心汽車輕量化技術－研究背景及研究背景上海交通大學車身制造技術中心汽車技術的發(fā)展---汽車的重量在攀升：1310kgAudiA4neu2,0lAl-車身,Mg-變速箱外殼,Al-輕質輪轂,Al-底盤部件,高強度鋼板,塑料件...-110kg+160kg重量增加AudiA41,8l1260kgAudiA4重量變化1994型

2002型30%安全要求22%舒適性22%法規(guī)15%附件設備

8%質量要求重量減輕研究背景上海交通大學車身制造技術中心汽車技術的發(fā)展--研究背景輕量化----汽車材料的變化：2000/2010中檔轎車重量的變化Quelle:MERCER2002610kg鋼板/鑄鐵138kg鋁合金23kg鎂合金40kg其他非貴金屬178kg塑料58kg彈性材料104kg其他材料-10%+36%+300%+13%+19%+6%-17%197020001.400kg20101.150kg1.100kg研究背景輕量化----汽車材料的變化：2000/2010中檔研究背景上海交通大學車身制造技術中心汽車輕量化基本途徑與特點

途徑：優(yōu)化汽車結構，減少零部件數(shù)量（使零部件薄壁化、中空化、小型化及復合化等）采用輕量化材料（高強度鋼板、鍍鋅鋼板、鋁鎂合金、復合材料等）特點：汽車結構、輕質材料、制造工藝三者的密切結合。研究背景上海交通大學車身制造技術中心汽車輕量化基本途徑研究背景上海交通大學車身制造技術中心車身設計的要求：碰撞能量必須能被車身結構的指定部位吸收；必須利用車身結構的變形來吸收碰撞能量。車身輕量化的要求：不能盲目的減重，應在保證汽車整體性能不受影響的前提下，最大限度地減輕各零部件的質量。汽車輕量化必須首先滿足耐撞安全性能汽車輕量化必須滿足耐撞安全性能研究背景上海交通大學車身制造技術中心車身設計的要求：汽研究背景上海交通大學車身制造技術中心汽車輕量化必須符合車身外板防腐要求加拿大及北歐地區(qū)國家制訂了汽車車身外板銹蝕及穿孔的最低年限法規(guī)，并作為強制性執(zhí)行標準車身耐表面腐蝕5年，耐穿孔腐蝕10年研究背景上海交通大學車身制造技術中心汽車輕量化必須符合上海交通大學車身制造技術中心以有限元碰撞仿真方法為工具以經(jīng)過試驗驗證的整車有限元碰撞模型為原型以保證耐撞安全性能、NVH性能為條件以利用輕量化材料、結構實現(xiàn)車身輕量化為目標汽車輕量化的研究方法：汽車輕量化技術－總體方案上海交通大學車身制造技術中心以有限元碰撞仿真方法為工上海交通大學車身制造技術中心高強度鋼板在車身上應用汽車輕量化技術－汽車輕量化研究現(xiàn)狀上海交通大學車身制造技術中心高強度鋼板在車身上應用汽車上海交通大學車身制造技術中心鋁合金車身結構汽車輕量化技術－汽車輕量化研究現(xiàn)狀奧迪A2：采用全鋁骨架車身和鋁合金蒙皮結構，使其總重量減少到895kg，比采用傳統(tǒng)鋼材料車身減輕了43%。

AudiA2車身骨架（ASF）重量僅249kg上海交通大學車身制造技術中心鋁合金車身結構汽車輕量化技上海交通大學車身制造技術中心汽車輕量化技術－汽車輕量化研究現(xiàn)狀優(yōu)化后的零部件結構上海交通大學車身制造技術中心汽車輕量化技術－汽車輕量化上海交通大學車身制造技術中心汽車輕量化技術－汽車輕量化研究現(xiàn)狀拼焊板成形技術美國拼焊板的使用情況上海交通大學車身制造技術中心汽車輕量化技術－汽車輕量化上海交通大學車身制造技術中心汽車輕量化技術－汽車輕量化研究現(xiàn)狀管件液壓成形結構 上海交通大學車身制造技術中心汽車輕量化技術－汽車輕量化上海交通大學車身制造技術中心汽車輕量化技術－汽車輕量化研究現(xiàn)狀LoadingPreformingReverseDrawingFinishedPartBlankHolderBlankPunch薄鋼板液壓成形技術上海交通大學車身制造技術中心汽車輕量化技術－汽車輕量化上海交通大學車身制造技術中心變壓邊力控制成形技術獨立控制各局部壓邊圈，增加控制金屬流入模腔的靈活性汽車輕量化技術－汽車輕量化研究現(xiàn)狀上海交通大學車身制造技術中心變壓邊力控制成形技術獨上海交通大學車身制造技術中心汽車輕量化技術－汽車輕量化研究現(xiàn)狀車身零件減重效果：10.96％輕量化設計上海交通大學車身制造技術中心汽車輕量化技術－汽車輕量化上海交通大學車身制造技術中心(1)前縱梁的結構輕量化研究：塑性鉸2中段前段后段塑性鉸1由于原前縱梁結構中誘導槽的不合理布置使其在碰撞仿真過程中發(fā)生塑性鉸式變形，大大降低了前縱梁在碰撞過程中的吸能量。前縱梁的設計已基本定型，形狀及大小改動的余地不大。因此必須通過控制前縱梁的不同變形形式，有效增加其吸收能量的能力。去掉原誘導槽，中間彎曲段加入斜對角加強筋使得整個結構在碰撞過程中，吸收足夠的碰撞能量，耐撞指數(shù)更高，同時減薄壁厚，在保證原有的吸能效果前提下實現(xiàn)減重的目的。汽車輕量化技術－關鍵吸能件的結構輕量化研究上海交通大學車身制造技術中心(1)前縱梁的結構輕量化研上海交通大學車身制造技術中心(2)散熱器下橫梁零件的結構輕量化研究：

碰撞仿真過程中，發(fā)現(xiàn)散熱器下橫梁的中間部分變形比較大，是吸能的關鍵部分。增大結構剛度可以在同等變形的情況下吸收更多的能量。在散熱器下橫梁內板的中部加入二根加強筋，增加結構剛度使得結構中間部分在碰撞過程中發(fā)生類似閉口帽型變形，充分發(fā)揮其吸能特性，同時減薄外板與內板的厚度，在保證原有吸能效果的前提下達到減重目的。

汽車輕量化技術－關鍵吸能件的結構輕量化研究上海交通大學車身制造技術中心(2)散熱器下橫梁零件的結上海交通大學車身制造技術中心(2)散熱器下橫梁結構的改進措施：原散熱器下橫梁內板（壁厚1.5mm）輕量化結構的散熱器下橫梁內板（壁厚1.2mm，加強筋厚1.2mm）汽車輕量化技術－關鍵吸能件的結構輕量化研究上海交通大學車身制造技術中心(2)散熱器下橫梁結構的改上海交通大學車身制造技術中心(3)發(fā)動機罩組件的結構輕量化研究：在正面碰撞過程中，發(fā)動機罩板的鉸鏈處發(fā)生斷裂導致整個發(fā)動機罩整體向上滑移，影響了乘員艙的安全性。主要原因是發(fā)動機罩板的整體剛度過大。汽車輕量化技術－關鍵吸能件的結構輕量化研究上海交通大學車身制造技術中心(3)發(fā)動機罩組件的結構上海交通大學車身制造技術中心發(fā)動機罩外板：弱化外板剛度：適當降低棱邊高度，使外板的整體剛度降低，板厚從1mm減至0.8mm，實現(xiàn)輕量化。原始設計改進設計(3)發(fā)動機罩組件的改進措施：汽車輕量化技術－關鍵吸能件的結構輕量化研究上海交通大學車身制造技術中心發(fā)動機罩外板：原始設計改進上海交通大學車身制造技術中心發(fā)動機罩內板：弱化內板剛度：在內板的二側及前部開圓孔及長孔，使內板的整體剛度降低，板厚從0.8mm減至0.6mm，實現(xiàn)輕量化。原始設計改進設計汽車輕量化技術－關鍵吸能件的結構輕量化研究上海交通大學車身制造技術中心發(fā)動機罩內板：原始設計上海交通大學車身制造技術中心減重效果評價：結構輕量化前后質量比較

散熱器下橫梁減重效果22.88%，前縱梁減重效果9.11%發(fā)動機罩板的減重效果為21.32%

原結構的零部件質量（Kg）輕量化結構的零部件質量(Kg)減重效果(%)散熱器下橫梁7.155.5122.88前縱梁（左、右）6.816.209.11發(fā)動機罩(內、外板)16.5613.0321.32汽車輕量化技術－關鍵吸能件的結構輕量化研究上海交通大學車身制造技術中心減重效果評價：結構輕量化前輕量化方案的總體評價

剛度與模態(tài)計算NVHCRASHFATIGUE輕量化初步方案輕量化方案的總體評價

車身有限元模型--剛度與模態(tài)計算共有249個零件，單元總數(shù)347105，其中三角形單元所占的比例6%。焊點總數(shù)為5851個。

車身有限元模型--剛度與模態(tài)計算共有249個零件，單元總數(shù)3邊界條件(彎曲剛度）約束位置后懸（六個自由度約束）前懸（三個自由度約束）邊界條件(彎曲剛度）約束位置后懸（六個自由度約束）前邊界條件(扭轉剛度)紅色區(qū)域六個方向自由度固定水箱下橫梁約束位置（3方向約束）邊界條件(扭轉剛度)紅色區(qū)域六個方向自由度固定水箱下橫梁約束模態(tài)分析模態(tài)分析一階振型26.32Hz二階振型29.98Hz（一階扭轉模態(tài)）三階振型39.85Hz（LT模態(tài)）四階振型40.57Hz一階振型26.32Hz二階振型29.98Hz（一階扭轉模態(tài)五階振型45.28Hz（Z型模態(tài)，二階彎曲模態(tài)）六階振型53.41Hz（U型模態(tài)，一階彎曲模態(tài)）七階振型56.46Hz八階振型59.46Hz五階振型45.28Hz六階振型53.41Hz七階振型56.4VNH-聲腔模型聲腔的有限元模型在Hypermesh中完成，單元類型為四面體單元，單元總數(shù)為456804個。

VNH-聲腔模型聲腔的有限元模型在Hypermesh中完成，200Hz以內聲腔模態(tài)200Hz以內聲腔模態(tài)二階振型64.18Hz(縱向第一階)三階振型119.99Hz(縱向第二階)四階振型122.96Hz(橫向第一階)五階振型145.68Hz(縱向第一階＋橫向第一階)二階振型64.18Hz三階振型119.99Hz四階振型六階振型155.84Hz(豎向第一階)七階振型169.24Hz(縱向第三階＋豎向第一階)八階振型174.85Hz(縱向第二階＋橫向第一階)九階振型191.64Hz(縱向第三階＋豎向第二階)六階振型155.84Hz七階振型169.24Hz八NVH-車身有限元模型車身增加車門后的有限元模型。單元總數(shù)482166，其中三角形單元所占的比例6%。

NVH-車身有限元模型車身增加車門后的有限元模型。單元總數(shù)車身60Hz內模態(tài)頻率車身60Hz內模態(tài)頻率第7階15.90Hz第8階18.00Hz第9階20.14Hz第10階20.92Hz第7階15.90Hz第8階18.00Hz第9階20.1第11階29.48Hz扭轉模態(tài)第19階45.18Hz二階彎曲模型第26階53.43Hz一階彎曲模型第11階29.48Hz扭轉模態(tài)第19階45.18Hz車身＋聲腔耦合模態(tài)車身和聲腔耦合模型。車身單元總數(shù)482166，聲腔單元總數(shù)為456804個。

車身＋聲腔耦合模態(tài)車身和聲腔耦合模型。車身單元總數(shù)4821聲固耦合前30階模態(tài)聲固耦合前30階模態(tài)第9階18.283Hz第8階16.242Hz第10階20.09Hz第11階20.909Hz第9階18.283Hz第8階16.242Hz第10階2第12階29.426Hz第20階45.006Hz第27階55.025Hz第12階29.426Hz第20階45.006Hz第27階CRASH正面碰撞分析

正面碰撞按照中國機動車設計規(guī)則CMVDR“關于正面碰撞乘員保護的設計規(guī)則”，車輛以48.3km/h速度呈90度與壁障墻發(fā)生碰撞。側面碰撞分析

側面碰撞按照歐洲ECER95側面乘員防護認證規(guī)定，壁障車以50km/h速度呈90度水平垂直與車輛左側發(fā)生碰撞。碰撞點：移動壁障車的中心通過座椅R點。CRASH正面碰撞分析CRASH有限元模型正面碰撞整車有限元模型整車碰撞有限元模型：單元總數(shù)742753（四邊形單元總數(shù)693063，三角形單元總數(shù)49690），白車身三角形單元所占比例為5.0%。有限元網(wǎng)格在前處理程序Hypermesh中完成，計算過程在大型有限元軟件ANSYS/LS-DYNA中進行。

CRASH有限元模型正面碰撞整車有限元模型整車碰撞有限元模型

四邊形單元98414三角形單元17363

底盤假人等有限元模型CRASH有限元模型

底盤假人等有限元模型CRASH有限元模型正面碰撞結果

time：0mstime:20ms正面碰撞結果正面碰撞結果

time:70mstime:75ms正面碰撞結果有限元模型側面碰撞整車有限元模型整車側面碰撞有限元模型：單元總數(shù)700940（四邊形單元總數(shù)664900，三角形單元總數(shù)36040），白車身三角形單元所占比例為5.0%。側面碰撞假人采用的是EuroSID側面碰撞假人。

有限元模型側面碰撞整車有限元模型整車側面碰撞有限元模型：單元側面碰撞假人有限元模型側面碰撞假人有限元模型四邊形單元:2593三角形單元:49六面體實體單元:2242四面體實體單元:109

EuroSID側面碰撞假人有限元模型側面碰撞假人有限元模型側面碰撞假人有限元模型有限元模型壁障車有限元模型

四邊形單元:1851三角形單元:26六面體實體單元:4424四面體實體單元:360有限元模型壁障車有限元模型側面碰撞結果

time：0mstime:20ms側面碰撞結果側面碰撞結果

time:40ms