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钢铝混合材料车身结构轻量化设计关键问题与应用研究

周云郊  
【摘要】:车身的轻量化对于整车的轻量化起着举足轻重的作用,是提高汽车燃油经济性、降低有害排放最为有效的手段之一。相比于传统的单一钢质材料白车身,钢铝混合材料车身结构的理念能较好地兼顾各方面的要求,寻求轻量化效果、工艺性、安全性和成本等总体上的最优化,代表了今后汽车车身结构发展的最新趋势。钢铝混合车身是指在传统钢结构车身骨架中,将某些结构件用高强度钢板和铝合金等轻质材料替代,以充分发挥高强度钢板在强度和价格方面的优势,同时兼顾铝合金板材在减重及吸能方面的优势,通过材料和结构的优化设计和性能模拟的方法确定不同材料分布的部位,在提高成本不大的前提下实现车身高强度和轻量化,其核心理念是“合适的材料应用于合适的部位”。这种思想采取材料替换与结构改进相结合的方法,是车身轻量化的两种根本途径相结合的典型应用,完全符合车身轻量化的发展技术路线。 剖析了单一材料白车身结构的开发流程与开发方法,并在此基础上提出了钢铝混合材料车身结构的开发流程。针对钢铝异种材料的匹配优化问题,提出了材料类型和板件厚度组合优化问题的理论模型,并进一步给出了基于近似模型的优化求解方法。基于钢铝混合材料单帽型薄壁梁结构的轻量化和耐撞性多目标优化这一测试案例,从拟合精度、优化预测精度两个方面对包括二次多项式、Kriging、径向基函数(RBF)等在内的近似模型解决该问题的适用性进行了探讨,结果表明:径向基函数近似模型更适合作为近似模型来解决材料类型和板厚组合优化问题。 为解决钢铝混合车身面临的异种材料间的连接问题,以汽车车身上常用的高强度钢板SPFC590和铝合金A5052-H34为研究对象,对钢铝异种材料压力连接的可行性进行了试验研究与仿真分析,试验与仿真结果均证实了其可行性。在此基础上,以压力连接模具关键几何参数为设计变量,对连接点的颈厚值和自锁值进行了多目标优化,得到了两个目标的Pareto前沿解集,并结合实验中接头的失效模式,提出了推荐的优化方案。 以单帽型薄壁梁碰撞吸能为算例,在同等质量相同压溃长度的条件下,比较了几种常用牌号的高强度钢和铝合金的吸能特性,得出同等质量的铝合金比高强度钢吸收能量多的结论;继而以某SUV实车结构中S型前纵梁为研究对象,通过将纵梁前后端材料分别以铝合金和高强度钢替换,研究了铝合金所占纵梁总长度比例、铝合金材料类型和厚度、先进高强度钢材料类型和厚度共5个因素对钢铝混合S型前纵梁抗撞特性的影响。结果表明,钢铝混合S型前纵梁这一特殊结构能够在减少重量的同时使其吸能增加,且碰撞峰值力降低。 基于Euro NCAP正面40%重叠可变形壁障碰撞法规,建立了某SUV车身结构碰撞仿真模型,并通过实车碰撞实验,从车身结构变形和整车碰撞加速度两个方面对仿真结果进行对比研究,验证了仿真模型的可靠性。为减少单次计算时间,建立了车身前端结构的简化模型,分析了钢铝混合S型前纵梁结构应用于简化模型的碰撞特性,在此基础上,以简化模型中的前保险杠、吸能盒、副车架前横梁、前纵梁后端等构件为对象,采用均匀实验设计与RBF近似模型,建立了综合考虑总质量、总吸能、白车身扭转刚度、前纵梁后端峰值碰撞力等性能在内的钢铝混合材料与板厚组合多目标优化问题的数学模型。多目标优化方案应用于整车40%偏置碰撞环境下的仿真结果表明,钢铝混合材料设计能够在改善汽车碰撞安全性的同时,明显提高车身结构的轻量化水平,最终取得了使研究对象减重29.1%的轻量化效果。


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