通过采用更多的结构胶提升车身刚度性能,降低结构件的重量

楼主: Brandon Lu2020-09-03 13:52

这个是本专业的问题,每天的工作内容啊, 先说工程上实现的方法:一条路是使材料利用的更有效率;另一条路是采用更轻或更强的材料, 车身作为汽车的主要承载件,需要保证足够的刚度、强度和疲劳耐久性能从而使整车具有良好的安全、振动噪声和耐久性能。

很多人会混淆刚度、强度和疲劳耐久,其实这三个词不是一回事,刚度指的是材料抵抗外力变形的能力,通常在车身开发中特指材料在屈服前的弹性特性,良好的刚度是整车NVH性能、车辆动力学性能和疲劳耐久性能的基础,常见的评判指标有车身扭转刚度等。

强度是指零件受到冲击载荷发生屈服后仍能维持功能的能力,常用于车身碰撞安全性、耐冲击等性能的评估,疲劳耐久性能是指零件受长期交变载荷后维持功能的能力,车子的可靠性、耐用性就是基于此进行评估的。

在材料的基础性能上来说,刚度与材料的弹性模量相关,基本上材料种类确定,弹性模量也就确定了,比如采用高强钢并不会提升车身的刚性,因为钢的弹性模量都一样,强度与材料的屈服强度和断裂强度相关,为了提升车子的安全性能,现代车身设计大量采用高强度钢材就是这个原因。

而疲劳耐久特性与材料的疲劳曲线相关,当然,在车子上更重要的是焊点或其他连接方式的疲劳性能, 基于这三条性能要求,工程上首先要解决的就是如何让材料利用的更有效率,随着CAE技术的普及和进步,大量的优化方法被开发出来用于解决车身结构的优化设计,目前几乎所有的优化设计的思路都是在保持车身性能不下降的前提下降低车身重量。

下图是网上搜来的车身拓扑优化设计的图片,基本思路就是在给定的工况下求出载荷的最佳传递路径,从而设计出最优的车身结构, 与此同时,大量的新材料新工艺也在帮助车身降低重量,首先是高强钢,通过提升钢材的屈服强度,使同样结构设计的情况下,纵梁能吸收更多能量,A柱B柱不发生明显变形等等。

现在屈服强度1000MPa的热成形钢已经普及了,未来屈服强度超过2000MPa的马氏体钢也已经开始了产业化,其次就是以铝为代表的轻质合金,采用铝合金可以显著的降低车身重量,代价就是成本比较高,目前还只在高端车身大量应用,10几万的车一般只有外覆盖件如发动机罩、侧门外板采用了铝合金材料。

图片就不贴了,网上大把大把的奥迪、美洲虎的全铝车身图片,再高端一些,碳纤维也已经在车身上开始应用了,宝马最新的i3就采用了一个碳纤维的顶棚,当然,价格就更高了,此外还有很多塑料零件应用于车身上,比如大众系的车子都采用了塑料的前端水箱框架,有些车子有塑料的后地板等等。

除了结构件之外,还有很多新的技术被开发出来用于提升车身性能,降低车身重量,比如结构胶,过去烘烤硬化结构胶只在车身上有少量应用,但是现在的趋势是可以通过采用更多的结构胶提升车身刚度性能,从而降低结构件的重量,奥迪、沃尔沃的一些车身上采用了超过100米的结构胶;再比如填充在车身接头的发泡硬化材料,可以有效替代传统加强板形式的加强件,即提升性能,又降低重量。

作为车身结构工程师,每天的工作都充满了挑战,成本、重量与性能是时刻需要考虑的矛盾,平衡好这些方面,就能设计出安全可靠安静又省油的好车啊~。

通过采用更多的结构胶提升车身刚度性能,降低结构件的重量

[1楼] 杂货铺:

同行表示回答的很好,但是i3不止顶盖是碳纤维,它基本整个车身都是碳纤维。

[2楼] Brandon Lu:

回答的时候是凭印象,刚刚看了一下,真的都是碳纤维啊,有点像非承载车身,就这份技术就领先时代10年以上啊。

[3楼] 杂货铺:

碳纤维在国外现在日益普及了,欧洲排放标准太高,法规推着厂家不断革新,天朝落后不少啊。

[4楼] Easley:

“屈服强度1000MPa的热成形钢已经普及”,不是屈服强度,是抗拉强度。

[5楼] Brandon Lu:

不小心写错了,多谢指正,确实应该写抗拉强度,这个级别的钢材一般都是说抗拉强度的, 目前B柱上用的热成形钢很多都是1300T/950Y,勉强算是屈服强度1000MPa。

[6楼] 李先生:

为什么没有将镁合金列入铝合金的替代材料呢?

[7楼] 颜合祁:

宝马i3是碳纤维承载式车身,但还不是赛车用的那种浴盆式单体壳,而是类似传统钢制车身那样一片一片拼起来的。

[8楼] Alcantara:

焊装工艺工程师和车身结构工程师有什么区别呢。

[9楼] 耳东RZ:

从名称就能看出来,一个是做车身焊接工艺规划的,一个是做车身结构设计的。

[10楼] 零度:

将汽车上面的管材成形件零件换成内高压成形件。

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