热成型零件在轻量化车身上的应用方法研究

杨志强，麻桂红，麻桂艳，陈诗雨

（1.华晨汽车工程研究院白车身工程室，辽宁 沈阳 110141；2.航空工业空空导弹研究院十三分厂，河南 洛阳 471099）

前言

环境污染和能源消耗已经成为当今世界亟待解决的社会问题，为解决以上问题，油耗法规日益严苛，通过车身轻量化降低汽车自重是一种降低汽车油耗的有效手段[1]；另一方面，日趋严格的碰撞法规又要求车身某些区域具有较高的强度以保证乘员的安全性[2]。热成型零件因能同时满足以上两方面的要求，被越来越普遍地在车身设计中应用。研究一种热成型零件的应用方法，能缩短项目开发周期，节约开发成本。

1 竞品分析

1.1 热成型应用比例分析

热成新技术自从由瑞典的Hard Tech公司于20世纪80年代提出以来，被越来越来越广泛的应用，尤其是合资车型，对最近3年SOP的合资车型的热成型材料的应用情况进行统计如表1。

表1 合资车型热成型材料的应用情况统计

从表中可以看出，沃尔沃车型的热成型应用最多，高达30%，其他车型的热成型应用比例也都在15%以上。

近年来，国内自主车型也越来越多的应用热成型材料，对最近3年SOP的自主车型的热成型材料的应用情况进行统计如表2。

表2 自主车型热成型材料的应用情况统计

从表中可以看出，自主品牌车型的热成型应用最多为13.3%，比合资品牌少16.7%左右。

1.2 热成型应用部位分析

针对60余款应用热成型材料的车型进行统计，汇总热成型材料的应用部位，结果如表3：

表3

根据以上表格，在项目定义热成型零件的选择范围。以上表格需根据资料收集情况日益完善，以备后续项目随时使用。

2 等强度替代公式

以我公司某项目为例，根据车型定义，按照表3选择热成型零件定义范围，现定义A柱外板、B柱外板、顶盖侧边梁，防火墙横梁及前纵梁加强梁5个零件为热成型零件，对基础车型的非热成型零件进行替换。

2.1 抗变形等强度替代公式

抗变形等强度替代公式如下：

式中：R1为被替换零件的屈服强度；t1为被替换零件的料厚；R2为替换零件的屈服强度；t2为替换零件的料厚。

根据上述公式推导得替换零件料厚：

利用抗变形等强度替代公式对驾驶室区域零件进行计算，求得所应用热成型零件的料厚。以上公式同时适用于非热成型零件的料厚换算。

2.2 吸能等强度替代公式

吸能等强度替代公式如下：

式中：S1为被替换零件的屈服强度；t1为被替换零件的料厚；S2为替换零件的屈服强度；t2为替换零件的料厚。

根据上述公式推导得替换零件料厚：

利用吸能等强度替代公式对碰撞吸能区域零件进行计算，求得所应用热成型零件的料厚。以上公式同时适用于非热成型零件的料厚换算。

3 CAE验证

对定义的热成型零件，用2.1及2.2的公式进行计算，求得热成型材料的料厚，将该料厚及热成型材料性能曲线带入CAE模型对刚度、强度、碰撞及NVH性能进行计算，并根据分析结果对热成型零件的料厚进行微调。CAE结果表明，等强度替代公式准确可靠。

使用等强度替代公式的好处是可以精准确定替换材料的料厚，减少了反复料厚确定-CAE验证-料厚调整-CAE验证的过程，大大缩短了项目开发周期及项目资金投入。

4 成本分析

非热成型零件的材料价格为：

式中：w1为零件重量，单位为 Kg；p1为钢板的每公斤价格；r为零件的材料利用率。

热成型零件的材料价格为：

式中：w2为零件重量，单位为Kg。

令材料替换后，零件价格保持不变，即P1=P2，推导材料减薄率：

由于热成型材料与非热成型材料密度相同，因此得减薄率（轻量化率）计算公式如下：

按照上述公式可初步估算替换为热成型材料的成本变化情况。如减薄率大于上述公式计算的结果，那么替换为热成型材料将带来成本的降低；如减薄率小于上述公式计算的结果，那么替换为热成型材料将带来成本的增加。一般减重1Kg，成本增加10元为可接受的成本增加范围[3]。

基于以上成本分析模型，并综合重量目标，对替换的零件进行筛选，最终确定热成型零件应用范围。

图1 我公司某车型热成型应用情况

5 项目应用

将本文的研究应用于我公司的某个项目，最终确定该项目应用热成型零件的数量由最初筛选的5个变更为3个（左右共6个）为最佳，零件应用情况如下图1所示。该热成型的应用实现整车减重 5.7Kg，整车热成型零件的应用率达7%，为行业的中上水平。

6 结论

本论文通过竞品分析确定了热成型零件的定义范围，通过等强度替代公式初步确定了热成型零件的等效料厚，并经CAE验证确定等强度替换公式的正确性。此外，通过本文的研究确立了成本分析模型，用于项目前期成本分析，保证项目准确快速地进行。通过本文的研究缩短了项目的开发周期，减少了项目投入。

参考文献

[1] 韩维建.汽车材料及轻量化趋势.北京:机械工业出版社,2017.

[2] 中国汽车工程学会.中国汽车轻量化发展.北京:北京理工大学出版社 2015.

[3] 夏加力.板料热成型技术及其应用[J].连云港职业技术学院学报.2012 (01)马宁.胡平.