轻量化耐撞设计要求

车体耐撞性能的提高往往以增加质量为代价，因为最传统的工程措施就是增加车身板材的厚度，这种措施的成本代价最小。在节能环保的社会需求趋势下，耐撞性设计最大的挑战是降重。

根据尺寸和类别的不同，车辆动力有15%～35%用于克服质量。对于传统内燃机车辆，轻型车辆降重10%就可以提高6%～8%的燃油经济性，这意味着，每降重1kg会带来20kg的CO2降低。同时，车辆全生命周期的材料回收与再利用法规也在迫使工业界采取轻量化材料技术［1］。根据World Auto Steel组织2010年的Future Steel Vehicle项目总结报告，中型尺寸轿车中，各种动力车辆的整备质量分布见表8.1［2］，而其他尺寸类型的汽车也具有类似的汽车整备质量分布比例。由于轿车白车身占总车重的25%～30%，故车身降重在降低油耗的任务中扮演着重要角色。

表8.1　FSV−2及其对标车车辆的质量构成　kg

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为了给部件或总成降重，试验设计（DOE）、拓扑/形貌优化等大量的计算方法被应用到轻量化设计过程中。每当尝试新工艺和新材料提高耐撞性能时，除了耐撞性能的验证，对耐撞性、刚度、噪声、振动、NVH和可靠性等性能也必须进行同步控制，因为一项安全工程的结构更改措施可能会引起其他性能的下降。例如，碰撞安全要求载荷传递路径的畅通，而NVH要求振动传递路径的阻隔，二者可能会在一个局部结构的设计方案上产生冲突。因此，轻量化耐撞车体设计不仅仅局限于车体碰撞响应波形的优化，而是必须从耐撞性能目标、重量目标、成本效益、材料与工艺可行性等多方面进行综合考虑。

轻量设计的途径一方面是对现有结构进行优化，二是用轻型材料取代传统材料，即通常说的3G（几何Geometry、材料等级Grade和料厚Gauge）同步优化。结构优化具体又可以包括拓扑优化、形状优化和尺寸优化，另外还可以包括对材料的微结构进行的优化，即所谓的结构—材料同时优化以及功能导向的材料优化。

21世纪初，低碳钢部件占白车身结构件重量的40%～50%。现在，新车的低碳钢使用量一般不超过20%～25%。新的材料主要包括高强度钢、铝、镁合金、碳纤维复合材料等。使用高强度钢和超高强度钢允许壁厚减小到0.5mm，因此降重效果可以达到10%以上。近年来，最重要的结构轻量化趋势是大量应用高强钢（HSS），即使是欧洲紧凑型轿车，车身也包含有50%～65%的HSS，其中碰撞安全吸能件几乎都是由HSS制成的。根据已有资料显示，各种材料的减重潜力见表8.2。

表8.2　各种材料的减重潜力　%

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ULSAB是由“超轻钢板车身联盟（Ultra Light Steel Auto Body）”发起的高强钢应用研究项目，对高强钢板的应用起到了全球性的推动作用，其影响一直延续至今。此项目包括了18个国家的35个成员。ULSAB单依靠钢材运用，使车身质量降低到203kg，相对于对标车的平均质量271kg，质量降低了68kg（25%），静态抗弯刚度、抗扭刚度、车身一阶模态分别提高了80%、52%、58%，碰撞性能与基准车相当［4］。

欧洲的Super LIGHT-Car（SLC）项目［5］是由一个包括38个欧洲团体发起的轻量化车身研究活动，由欧洲委员会出资，是欧洲汽车研究委员会（EUCAR）多材料开发研究行动的一部分。SLC的主要目标是开发一个真正的多材料C级轿车车身结构，与2005年基准车辆相比，减重达到了35%。其他目标包括减少材料消耗，轻量化的成本不超过5欧元/千克，等效的碰撞安全与刚度、耐久等性能，其概念在Golf-V车型上得到了验证。

轻量化材料的应用必须根据车辆的使用环境要求进行选择，例如，重型皮卡需要牵引重载或者装载成吨的货物，与一般轿车的材料选择会有所不同，不会使用铝取代钢去做承载件构架，这时，铝、镁及其他合金就多应用在车身结构、门盖系统和覆盖加强等部位。

其次，各种材料之间的连接工艺非常有挑战性。常用的连接技术有惰性气体保护焊、螺栓等机械紧固件、激光焊、摩擦点焊（FSJ）、铆接、粘接、搅拌摩擦焊（FSW）等。

钢材与铝材、镁材与铝材之间一般用机械紧固件连接，其间加尼龙垫片以防电偶腐蚀，同时，铝/镁部件必须有电偶隔离涂层。大多数铝材连接使用FSJ工艺，如果连接部位只能单边接近而不能用FSJ工艺，则可使用Rivtec®铆接。所有的材料之间都可以使用粘接，如果100%的翻边都是结合其他工艺的同时采用粘接，结构性能会有很大提高。为了防止在碰撞高载荷的作用下发生粘接剥离，在高应力区域一定要加机械紧固件连接。钢—铝连接技术和钢—镁部件的连接技术分别已经在莲花和福特的上市车型上得到了充分验证，其在腐蚀和疲劳方面都没有出现过问题［3］。铝和镁、钢之间目前还没有可靠的焊接技术。

图8.1　FSJ摩擦点焊工艺示意［6］

FSJ是Kawasaki Heavy Industries开发的一种点连接技术（见图8.1）［6］，其利用探头的摩擦热引起两种材料的塑性流动，使其连接在一起，可以保持母材特性不下降。而电焊对母材特性是有影响的，因为在焊接过程中材料会发生金相改变。FSJ对翻边宽度要求较小（20mm），电焊一般需要25～30mm的翻边宽度。FSJ还具有低成本优势（只有电阻焊点成本的1/20）。虽然每个连接点的成本不差距明显，但是计算全车的焊接成本就会很可观，例如，2011年型的大切诺基焊点就超过了5400个［7］。

连续性的粘接会给整体车身刚度和舒适性带来很大提升，同时重量代价却不是很高，文献［3］的白车身粘接剂用量为1.4kg。

激光焊是另外一种重要的高强钢连接技术。激光焊的焊缝非常整洁、坚固，使多余材料用量降至最少，为综合利用多等级钢板提供了制造与装配的重要技术保障。激光焊带来了激光拼焊板材等新工艺，焊缝光滑一致，使在焊接区周围的材料畸变与特性改变达到最小化，并可增加总成的整体质量和美观效果。

伴随高强钢应用而出现的激光拼焊和液压成型都可以减少部件数量，降低模具与工装费用，简化后续装配工艺，提高部件、分总成和车身结构件的完整性。与传统焊接工艺有所不同的是，激光拼焊和液压成型工序可以结合在部件和分总成生产的工序当中，而不一定是在最后才完成总成焊接。大众公司在Golf2004车型上首次应用的激光焊工艺就比前续车型减少了25%的工序时间［8］，［9］。

与激光焊相关的另一个重要工艺是液压成型，即在对各种厚度与强度用激光焊形成管件以后，在管件内部施加液力，使其膨胀到所需要的复杂管型。由于可以把复杂形状和多种材料做成单一部件，因此可以大幅降低管件质量。液压成型件除了直接应用在车门防撞梁等部位，还在分总成中作为单独部件得到大量应用，尤其是应用于轻型卡车的车架结构上。

激光拼焊可以把不同强度和不同厚度的钢板整合到一张板材上去，即在冲压工序或其他成型工序中，可以把这张“组合钢板”当成一块单独板料送进冲压机。与均一化板材相比，激光拼焊版可以用最少的材料达到对强度、耐撞性、抗凹陷强度的性能优化，也可以减少关键部件的数量及简化装配工序。用拼焊版冲压或者液压成型制作的完整部件，免除了将多块板材焊接在一起的麻烦，虽然给冲压成型的上游供需带来了压力，但是在整体上可起到降低净成本和显著提高部件性能（如重量、刚度、强度等）的作用。